脉冲噪声环境下基于循环谱的BPSK调制信号码元速率估计

摘要

【目的】在无线通信系统中，信号除了会受到高斯噪声的影响，还会受到脉冲噪声的干扰，例如电磁干扰、雷电噪声等。这类脉冲噪声具有非高斯、突发性、强脉冲等特性，导致基于高斯噪声的传统信号处理方法性能严重退化。二进制相移键控(BPSK)作为一种传统的基础调制方式，被广泛应用于卫星通信、水声通信及军事通信等领域，其码元速率估计是实现信号解调、同步与参数盲识别的关键环节。然而，在脉冲噪声环境下，传统码元速率估计方法因依赖信号的统计特性，估计性能会严重恶化，甚至完全失效。循环谱理论能够有效利用信号的循环平稳特性，在频域-循环频率二维平面上实现信号与噪声的分离，为脉冲噪声环境下的参数估计提供了可行思路。但传统循环谱理论方法在提取循环谱线的过程中，易受脉冲噪声干扰，导致估计性能降低。【方法】基于上述问题，本文提出了一种基于改进型循环谱的高精度码元速率估计方法。该方法利用BPSK调制信号固有的循环平稳特性，构建对应的非线性函数，并依次求解自相关函数、周期自相关函数和循环谱函数，利用经非线性变换后，脉冲噪声与高斯白噪声在BPSK调制信号循环谱非零的循环频率处均为零的特性，在接收信号循环谱的傅里叶频率和循环频率所在的谱线平面上，通过搜索谱峰值及其对应的循环频率，精确估计信号的码元速率。【结果】非线性变换可在优化信号二阶统计量的同时，保持信号相位信息不变，从而有效降低脉冲噪声的干扰。该方法在脉冲噪声环境下表现出显著的性能优势，清晰揭示了改进型循环谱对α稳定分布脉冲噪声的抑制机理，同时验证了离散谱峰检测的有效性，为脉冲噪声环境提供了高鲁棒性的码元速率估计方法。【结论】相较于小波变换法，本文方法能更有效降低脉冲噪声对码元速率估计的影响，不仅具有更高的估计精度，且算法复杂度更低。计算机仿真实验结果表明，本文方法的归一化均方误差显著低于现有方法，且随着α稳定分布脉冲噪声值的增大，归一化均方误差进一步缩小，这充分证明了本文方法的估计精度优势。本文方法在高信噪比场景下的性能优势更明显，且在不同脉冲噪声条件下均具备较优的鲁棒性，适用场景更为广泛。

关键词

脉冲噪声 / 循环平稳 / BPSK信号 / 循环谱 / 非线性变换 / 傅里叶频率 / 循环频率 / 码元速率估计