一種數字亞音頻弱信號處理方法
【專利摘要】本發明涉及數字移動無線通信技術，特別涉及一種數字亞音頻弱信號處理方法。該方法首先對數字亞音頻信號進行過采樣，對得到的每一個采樣點進行累加，累加的采樣點如果到一個符號長度，通過位同步算法完成位同步；隨后使用聚集算法對每個符號的電平值分類，并從集合中計算正負電平標準值，計算判決門限；在數字亞音頻信號的每個符號的最佳采樣點處進行抽樣判決，并在每個符號抽樣判決的計算中加入平均算法，獲取數字亞音頻碼元信息，即完成數字亞音頻碼的提取。本發明相比傳統方法，不受硬件采樣速率誤差的影響，且在低信噪比的通信環境下，可獲取準確最佳采樣點和判決電平，進而有效降低數字亞音頻弱信號接收的誤碼率。適用范圍廣，具有推廣價值。
【專利說明】一種數字亞音頻弱信號處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及數字移動無線通信技術，特別是涉及一種數字亞音頻弱信號處理方法。
【背景技術】
[0002]數字移動無線通信系統(機車電臺、對講機)在調制音頻信號的時候，常在低于音頻部分的頻段加入一個亞音頻信號，在接收端通過判斷是否有亞音頻信號來決定是否開啟靜噪。加入亞音頻可提高數字移動無線通信系統的抗干擾能力，實現不同的組呼、全呼等選呼功能。
[0003]亞音頻分為模擬亞音頻CTCSS和數字亞音頻DCS，CTCSS和DCS都屬于國際通用信令標準，其中CTCSS共有38個標準碼，而DCS碼組一般為83個或104個。由于DCS的可選碼組數量多于CTCSS，DCS信號數字處理靈活，且Golay編碼具有糾錯功能，所以DCS較CTCSS有一定優勢。
[0004]數字亞音頻DCS的標準波特率為134.3Hz，頻率較低，且由于DCS碼內有連I和連O，DCS碼的波形頻率較低，約25Hz?60Hz。對于頻率如此低的信號，若信號內包含直流，則此直流不能通過在硬件電路串連電容來過濾，因為串連的電容在濾除直流的同時，會導致DCS信號失真嚴重，所以此直流信號需要在數字信號處理中濾除。
[0005]由于數字亞音頻DCS中只要求了波特率，而對于亞音頻信號調制頻偏并沒有限制，所以接收機的解調輸出亞音頻幅度并不固定，且由于硬件電路的不一致可能導致信號調制頻偏的變化，則接收端解調輸出的信號幅度可能發生改變，所以解調輸出的數字亞音頻DCS波形幅度并不確定，且由于直流信號無法硬件濾除，需要在數字信號處理中準確計算DCS碼的判決門限。
[0006]數字信號的處理過程中，位同步是處理的關鍵之一。由于數字亞音頻DCS的編碼規則中并沒有預留出同步序列，所以在接收DCS信號的時候，不能通過處理同步序列來達到位同步。傳統的DCS信號接收方法的位同步是通過調整本地的同步采樣時鐘來實現的，調整采樣時鐘到134.3Hz來實現接收端的采樣率和DCS碼符號率一致。傳統的DCS接收方法存在如下缺點:
O由于硬件差異性，134.3Hz的采樣率可能存在誤差，長時間的采樣將導致誤差累積。
[0007]2)同步采樣無法保證在每個符號的最佳采樣點采樣，在弱信號時易受噪聲影響。
[0008]3)弱信號采樣時，采樣點噪聲可能導致碼值判決錯誤。
[0009]4)信號的直流分量可能導致碼值判決錯誤。
[0010]為了在弱信號時能夠正確的接收數字亞音頻DCS碼，需要設計一種信號處理方法。
【發明內容】
[0011 ] 鑒于上述現有技術存在的問題，本發明的目的是設計一種數字亞音頻弱信號處理方法。通過該方法，實現了對DCS信號過采樣，然后利用早遲門算法實現位同步，隨后利用聚集算法對每個符號的電平值分類，并從集合中計算正負電平標準值，計算判決門限，并在每個符號抽樣判決的計算中加入平均算法，最終完成DCS碼接收的過程。
[0012]本發明采取的技術方案是:一種數字亞音頻弱信號處理方法，其特征在于，該方法首先對數字亞音頻信號進行過采樣，對得到的每一個采樣點進行累加，累加的采樣點如果到一個符號長度，通過位同步算法完成位同步；隨后使用聚集算法對每個符號的電平值分類，并從集合中計算正負電平標準值，計算判決門限；在數字亞音頻信號的每個符號的最佳采樣點處進行抽樣判決，并在每個符號抽樣判決的計算中加入平均算法，獲取數字亞音頻碼元信息，即完成數字亞音頻碼的提取。
[0013]本發明所產生的有益效果是:本發明相比傳統方法，不受硬件采樣速率誤差的影響，且在低信噪比的通信環境下，可獲取準確最佳采樣點和判決電平，進而有效降低數字亞音頻弱信號接收的誤碼率。適用范圍廣，具有推廣價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明整體流程圖；
圖2是位同步算法完成位同步流程圖；
圖3是聚集算法計算判決門限流程圖；
圖4是抽樣判決獲取數字亞音頻碼元信息流程圖；
圖5是本發明應用于機車電臺系統框圖；
圖6是機車電臺亞音頻部分原理圖。
【具體實施方式】
[0015]為了更清楚地理解本發明，結合附圖和實施例詳細描述:參照圖1，本方法首先選擇對數字亞音頻信號在1.2KHZ的采樣速率下進行過采樣，對得到的每一個采樣點進行累力口，累加的采樣點如果到一個符號長度，通過位同步算法完成位同步；隨后使用聚集算法對每個符號的電平值分類，并從集合中計算正負電平標準值，計算判決門限；在數字亞音頻信號的每個符號的最佳采樣點處進行抽樣判決，并在每個符號抽樣判決的計算中加入平均算法，獲取數字亞音頻碼元信息，即完成數字亞音頻碼的提取。
[0016]本方法利用過采樣獲取DCS波形的采樣緩沖，然后對波形求均值，粗略估計當前DCS波形的直流分量。然后利用早遲門算法完成位同步操作，計算當前采樣點對應的早門和遲門的積分，比較誤差來調整采樣點位置，計算當前采樣點對應的整個符號長度的信號能量值，并以此計算誤差門限。當早遲門誤差小于此誤差門限時，認為當前位同步完成。
[0017]位同步完成后，獲取每個符號的最佳采樣點，找到所有符號中的最大值和最小值，并一次為基準建立正負兩個集合，對每個符號的最佳采樣點進行分類，若此點電平值和正基準值的距離小于門限，則放入正集合，同理若和負基準值的距離小于門限，則放入負集合。在遍歷整個DCS信號23比特之后，從正集合和負集合中分別計算集合的中心點，作為正負電平的標準值，并以此計算直流，將此直流設置為判決門限。
[0018]由于位同步之前的直流分量是通過對整個DCS波形求平均值計算得到的，其直流估計并不準確，有較大波動，而聚集算法計算的直流則較為準確，但聚集算法的前提是位同步完成。所以在位同步完成之前，位同步算法采用求均值算法粗略估計的直流，而當位同步完成后，位同步算法將此直流替換為聚集算法計算的直流值，更為準確的直流值可使得后續的位同步算法更為準確。
[0019]完成位同步算法和聚集算法計算判決門限后，算法在每個符號的最佳采樣點處進行抽樣判決，為了在弱信號下減少噪聲對采樣點的干擾，算法選擇平均最佳采樣點左右若干點的電平值，以此值和判決門限比較，最終得到DCS碼。
[0020]參照圖2，位同步算法完成位同步有如下步驟:
步驟201:對數字亞音頻信號在1.2KHz的采樣速率下進行過采樣。數字亞音頻信號的符號率為134.3Hz，而由于需要進行位同步等操作，需要動態的調整，所以需要對信號過采樣，本方法中選擇對數字亞音頻信號在1.2KHz的采樣速率下進行采樣，這樣每個符號為9個采樣點。
[0021]步驟202:若前一個符號周期完成了位同步，則使用前一個符號周期聚集算法準確估計的直流分量。由于位同步算法的核心是使用早遲門同步方法，而此方法判斷當前的采樣點需要前移還是后移是比較早門積分和遲門積分的關系，而此關系對直流分量較為敏感，所以需要去除信號的直流分量。每收集9個采樣點，達到一個符號周期的長度，位同步算法都會執行一次嘗試完成位同步，若前一個符號周期完成了位同步，則算法在位同步的基礎上獲取了符號的最佳采樣點，并利用聚集算法得到了準確的電平值，并以此計算準確的直流分量。則本步驟使用由聚集算法計算得到的準確的直流分量。
[0022]步驟203:若前一個符號周期沒有完成位同步，則對整個數字亞音頻信號計算平均值，得到粗略估計直流分量。在沒有完成位同步的情況下，當前的符號抽樣判決點并不是在符號的最佳采樣點上，所以當前的聚集算法計算的直流分量沒有參考價值，本步驟對整個DCS信號計算平均值得到粗略估計直流分量。計算公式如下:
Λ—
Σ4
廣.—
iw 7-—
式中CT為粗略估計直流分量，dn為DCS信號的第η個采樣點，N為整個DCS信號的采樣點個數，在1.2ΚΗζ的采樣速率下，Ν=207 (—組DCS信號共23個符號，每個符號9個采樣點)。
[0023]步驟204:如果同步調整次數沒有超出閾值，則以當前的采樣點為基準，設定早門范圍和遲門范圍，對范圍內的所有采樣點去除直流分量，并分別計算早門范圍采樣點和遲門范圍采樣點的積分值。早門和遲門的長度選擇為略大于1/2的符號長度，針對本采樣速率，門的長度選擇為5個采樣點。門長度過短會導致位同步估計誤差較大，而門長度過長會導致運算量加大。計算公式如下:
【權利要求】
1.一種數字亞音頻弱信號處理方法，其特征在于，該方法首先對數字亞音頻信號進行過采樣，對得到的每一個采樣點進行累加，累加的采樣點如果到一個符號長度，通過位同步算法完成位同步；隨后使用聚集算法對每個符號的電平值分類，并從集合中計算正負電平標準值，計算判決門限；在數字亞音頻信號的每個符號的最佳采樣點處進行抽樣判決，并在每個符號抽樣判決的計算中加入平均算法，獲取數字亞音頻碼元信息，即完成數字亞音頻碼的提取。
2.根據權利要求1所述的一種數字亞音頻弱信號處理方法，其特征在于，位同步算法完成位同步有如下步驟: 步驟201:對數字亞音頻信號進行過采樣； 步驟202:若前一個符號周期完成了位同步，則使用前一個符號周期聚集算法準確估計的直流分量； 步驟203:若前一個符號周期沒有完成位同步，則對整個數字亞音頻信號計算平均值，得到粗略估計直流分量； 步驟204:如果同步調整次數沒有超出閾值，則以當前的采樣點為基準，設定早門范圍和遲門范圍，對范圍內的所有采樣點去除直流分量，并分別計算早門范圍采樣點和遲門范圍采樣點的積分值； 步驟205:計算當前符號長度波形的能量值，根據該能量值計算誤差門限； 步驟206:計算早門范圍采樣點和遲門范圍采樣點的積分值的誤差； 步驟207:若早遲門的積分值的誤差為正且大于誤差門限，則將此采樣位置左移一個點，然后執行下一循環位同步算法，直到超過同步調整次數閾值或者完成位同步； 步驟208:若早遲門的積分值的誤差 為負且絕對值大于誤差門限，則將此采樣位置右移一個點，然后執行下一循環位同步算法，直到超過同步調整次數閾值或者完成位同步；步驟209:若當前早遲門的積分值的誤差的絕對值小于誤差門限，則認為完成位同步，當前的采樣點即可認為符號的最佳采樣點。
3.根據權利要求1所述的一種數字亞音頻弱信號處理方法，其特征在于，使用聚集算法計算判決門限有如下步驟: 步驟301:查找接收到的數字亞音頻信號的電平最大值和最小值； 步驟302:以電平最大值為基準建立正集合，以電平最小值為基準建立負集合，并將電平最大值和最小值的距離的1/2設置為距離判決門限，定義電平最大值為正基準，電平值最小值為負基準； 步驟303:若所有符號搜索沒完成，則計算當前符號電平和正基準的距離； 步驟304:若當前符號電平和正基準的距離小于設置的距離判決門限，則將這個符號歸入正集合； 步驟305:若當前符號電平和正基準的距離大于設置的距離判決門限，則計算當前符號電平和負基準的距離； 步驟306:若當前符號電平和負基準的距離小于設置的距離判決門限，則將這個符號歸入負集合； 步驟307:返回步驟303，計算下一符號到正基準和負基準的距離，并放入對應的集合； 步驟308:若所有符號搜索完成，則計算正集合中每個符號到其它符號的距離合；步驟309:找到正集合中距離合最小的符號，將此符號的電平定義為正電平標準值； 步驟310:計算負集合中每個符號和其它符號的距離合； 步驟311:找到負集合中距離合最小的符號，將此符號的電平定義為負電平標準值；步驟312:通過正電平標準值和負電平標準值計算直流分量，將此直流分量設置為數字亞音頻抽樣判決的判決門限。
4.根據權利要求1所述的一種數字亞音頻弱信號處理方法，其特征在于，抽樣判決獲取數字亞音頻碼元信息有如下步驟: 步驟401:計算當前符號的最佳采樣點位置； 步驟402:計算最佳采樣點附近點的均值； 步驟403:如果最·佳采樣點附近點的均值大于數字亞音頻抽樣判決的判決門限，則判決當前符號為I ; 步驟404:如果最佳采樣點附近點的均值小于數字亞音頻抽樣判決的判決門限，則判決當前符號為O。
【文檔編號】H04L1/00GK103441821SQ201310394336
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月3日 優先權日:2013年9月3日
【發明者】郭長勇, 張鍵, 李輝輝, 張財元, 時勇 申請人:天津七一二通信廣播有限公司