CN109547091B - 基于vde的多通道信道检测的处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于VDE的多通道信道检测的处理系统，包括突发能量检测模块、帧头合路存储模块、高速频率相关补偿模块、开环定时与相位检测模块、双正交译码和判决模块、有效通道选择模块、解调器组模块和合路组包输出模块。本发明通过基于VDE通信协议机制的多通道VDE信道检测处理系统大幅减少了接收解调器的数量，减轻了接收系统的硬件压力，对VDE海空目标信号多通道接收具有十分重要的意义与十分广阔的应用前景。

Description

基于VDE的多通道信道检测的处理系统
技术领域
本发明涉及一种基于VDE的多通道信道检测的处理系统。
背景技术
随着海事通信技术的发展，为了解决现有船舶AIS通信系统在某些区域时隙冲突严重，通信速率低的瓶颈，国际航标组织(IALA)提出了船舶的VDE通信系统，并在VDE系统中增加了卫星与船舶的通信链路，以满足近海和远海船舶的不同需求，为未来复杂、多功能的海上通信应用打下了基础。
基于VDE系统中的卫星船舶，可通过时分、频分和码分多址的方式来协调区域内的船舶通信，避免小区内的消息碰撞。对于星载接收机而言，由于海空目标信号传输距离长、链路损耗大，卫星接收到的海空目标信号信噪比低，对解调算法的性能和复杂度要求高，导致解调资源占用较大。且由于星载接收机能覆盖许多小区，需采用窄带多波束技术进行空间分割，以减少多小区间的消息碰撞和冲突。而常规的多波束接收技术需要卫星对每一路波束接收信号都进行高性能接收解调，这对卫星接收和解调的硬件资源需求提出了很高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于VDE的多通道信道检测的处理系统。
为解决上述问题，本发明提供一种基于VDE的多通道信道检测的处理系统，包括：突发能量检测模块、帧头合路存储模块、高速频率相关补偿模块、开环定时相位检测模块、双正交译码和判决模块、有效通道选择模块、解调器组模块和合路组包输出模块，其中：
所述突发能量检测模块，用于接收多通道VDE中频下变频和滤波抽取后的信号，用双滑动窗口法检测能量，估算突发信号的粗起始位置，并传给所述帧头合路存储模块；
所述帧头合路存储模块，用于根据所述粗起始位置截取帧头信号，进行FIFO存储和合路，然后依次传给所述高速频率相关补偿模块；
所述高速频率相关补偿模块，用于采用单路高速频率相关器分时进行帧头同步字的频率相关，进行频率补偿，并记录帧头精确起始位置，送给开环定时相位检测模块；
所述开环定时与相位检测模块，用于对所述高速频率相关补偿模块输出的频率补偿后的帧头信号进行快速PI/4QPSK解调，送给双正交译码和判决模块；
所述双正交译码和判决模块，用于对解调数据进行双正交译码，根据译码结果判断是否选择该帧信号送给所述有效通道选择模块；
所述有效通道选择模块，用于根据译码后正确的连接配置ID号选择对应通道的数据帧和数据长度，并开启所述解调器组模块中的一个；
所述解调器组模块，用于对送入的数据帧进行并行解调，并行解调器组输出的数据送给了合路组包模块进行合路和组包，通过接口送给后续VDE协议层模块。
进一步的，在上述系统中，所述突发能量检测模块，用于采用GPS的UTC帧头时刻范围估计和双滑动窗口结合的处理方法，根据卫星到船的最大和最小距离，评估出卫星上行突发信号最大延时和最小延时的差值ΔT，只对每个时隙开始时刻的ΔT数据进行双滑动窗口法检测。
进一步的，在上述系统中，所述高速频率相关补偿模块，用于采用单路高速频率相关器分时对多路信号的帧头进行帧头同步字频率相关，根据相关峰值确定帧头信号补偿频率和帧头精细起始位置，然后依次对每路帧头信号进行频率补偿和帧头精细起始位置输出，送给开环定时和相位检测模块。
进一步的，在上述系统中，所述开环定时与相位检测模块，包括开环符号定时器和相位检测器两部分，用于对所述高速频率相关补偿模块输出的频率补偿后的帧头信号进行PI/4QPSK解调。
进一步的，在上述系统中，所述开环符号定时器采用开环O&M估计器进行定时，所述相位检测器采用开环M-power相位检测器进行相位检测，经快速定时和相位检测后的信号送给所述双正交译码和判决模块。
进一步的，在上述系统中，所述解调器组模块，用于根据有效通道选择输出的有效数据帧依次进行并行解调，该解调器组的解调器个数M根据评估的覆盖区域通信机制和容量选择，其值远小于多通道输入的路数N。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明提供了一种可应用于卫星接收或者地面岸站网关接收的处理系统，结合VDE的协议层应用场景主要是半双工的工作模式，且终端设备可根据信道质量评估，尽可能的选择高阶调制方式传输数据，减少时隙占用，使得该系统能够在多通道中频输入的条件下，采用快速高效的频率相关和开环同步信道检测技术快速扫描各路通道的帧头前导码，以迅速提取出有效的突发帧数据，从而减少了VDE接收处理延时和后端解调器的数量，即减少了所需的硬件需求和功耗，提升了多通道接收系统的综合处理能力。
附图说明
图1是本发明一实施例的基于VDE的多通道信道检测的处理系统的框架示意图；
图2是本发明一实施例的O&M符号定时估计器组成框图；
图3是本发明一实施例的M-power相位检测组成框图；
图4是本发明一实施例的高速频率相关的FPGA在线测试的波形结果图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明一实施例的基于VDE的多通道信道检测的处理系统的框架示意图；图2是本发明一实施例的O&M符号定时估计器组成框图；图3是本发明一实施例的M-power相位检测组成框图；图4是本发明一实施例的高速频率相关的FPGA在线测试的波形结果图。
如图1所示，本发明提供一种基于VDE的多通道信道检测的处理系统，包括：突发能量检测模块、帧头合路存储模块、高速频率相关补偿模块、开环定时相位检测模块、双正交译码和判决模块、有效通道选择模块、解调器组模块和合路组包输出模块，其中：
所述突发能量检测模块，用于接收多通道VDE中频下变频和滤波抽取后的信号，用双滑动窗口法检测能量，估算突发信号的粗起始位置，并传给所述的帧头合路存储模块；
所述帧头合路存储模块，用于根据所述粗起始位置截取帧头信号，进行FIFO存储和合路，然后依次传给所述高速频率相关补偿模块；
所述高速频率相关补偿模块，用于采用单路高速频率相关器分时进行帧头同步字的频率相关，进行频率补偿，并记录帧头精确起始位置，送给开环定时相位检测模块；
所述开环定时与相位检测模块，用于对所述高速频率相关补偿模块输出的频率补偿后的帧头信号进行快速PI/4QPSK解调，送给双正交译码和判决模块；
所述双正交译码和判决模块，用于对解调数据进行双正交译码，根据译码结果判断是否选择该帧信号送给后面的有效通道选择模块；
所述有效通道选择模块，用于根据译码后正确的连接配置ID号选择对应通道的数据帧和数据长度，并开启所述解调器组模块中的一个；
所述解调器组模块，用于对送入的数据帧进行并行解调，并行解调器组输出的数据送给了合路组包模块进行合路和组包，通过接口送给后续VDE协议层模块。
本发明的基于VDE的多通道信道检测的处理系统一实施例中，所述突发能量检测模块，用于采用GPS的UTC帧头时刻范围估计和双滑动窗口结合的处理方法，根据卫星到船的最大和最小距离，评估出卫星上行突发信号最大延时和最小延时的差值ΔT，只对每个时隙开始时刻的ΔT数据进行双滑动窗口法检测。
本发明的基于VDE的多通道信道检测的处理系统一实施例中，所述高速频率相关补偿模块，用于采用单路高速频率相关器分时对多路信号的帧头进行帧头同步字频率相关，根据相关峰值确定帧头信号补偿频率和帧头精细起始位置，然后依次对每路帧头信号进行频率补偿和帧头精细起始位置输出，送给开环定时和相位检测模块。
本发明的基于VDE的多通道信道检测的处理系统一实施例中，所述开环定时与相位检测模块，包括开环符号定时器和相位检测器两部分，用于对所述高速频率相关补偿模块输出的频率补偿后的帧头信号进行简单快速的PI/4QPSK解调；所述开环符号定时器采用开环O&M估计器进行定时，所述相位检测器采用开环M-power相位检测器进行相位检测，经快速定时和相位检测后的信号送给所述双正交译码和判决模块。
本发明的基于VDE的多通道信道检测的处理系统一实施例中，所述解调器组模块，用于根据有效通道选择输出的有效数据帧依次进行并行解调，该解调器组的解调器个数M根据评估的覆盖区域通信机制和容量选择，其值远小于多通道输入的路数N，节省了高性能解调器的数量和硬件资源。
在此，为减少多通道接收系统中解调器的数量，减轻系统的多路解调硬件压力，本发明提供了一种基于VDE的多通道信道检测处理系统，利用突发信号的能量检测技术判断帧头起始位置，采用多通道帧头相关检测技术补偿频偏，并使用快速开环定时相位检测和译码技术检测是否存在VDE帧信号，最后通过有效通道选择模块选择进入相应的解调器进行解调，实现突发信号的提取和剔除，从而大幅减少了后端解调器的数量。
本发明通过快速扫描各路通道的帧头前导码，以检测是否存在有效突发数据帧的帧头起始信号，然后提取该数据帧进入解调器进行数据包解析。本发明通过基于VDE通信协议机制的多通道VDE信道检测处理系统大幅减少了接收解调器的数量，减轻了接收系统的硬件压力，对VDE海空目标信号多通道接收具有十分重要的意义与十分广阔的应用前景。本发明提出的基于VDE通信协议机制的多通道VDE信道检测处理系统通过增加前端快速信道检测技术，大幅减少了后端接收解调器的数量，减轻了接收系统的硬件压力，提高了系统综合处理能力，对VDE海空目标信号多通道接收具有十分重要的意义与十分广阔的应用前景。
具体的，所述突发能量检测模块，用于采用GPS的UTC帧头时间范围估计和双滑动窗口结合的处理方法，根据卫星到船的最大和最小距离，评估出卫星突发信号最大延时和最小延时的差值ΔT。其中，由于每个时隙的开始时刻都是和固定UTC时间对齐的，这里，只对每个时隙开始时刻的ΔT数据进行双滑动窗口法检测。首先对接收的多通道VDE中频信号并行进行下变频和滤波抽取，其中抽取后的信号采样速率选择为4倍符号速率，根据固定的时隙开始UTC时间，对每个时隙周期的前ΔT信号采用双滑动窗口法检测能量的上升沿，根据两个窗口的信号能力比值结果是否大于门限值，估算出突发信号的粗起始位置，并把抽取后的数据和突发信号粗起始位置信息传给所述的帧头合路存储FIFO模块。
帧头合路存储FIFO模块，用于对能量检测模块检测输出的存在信号输入的时隙进行帧头一段数据和突发信号粗起始位置的FIFO存储和合路，然后对合路以后的多路帧头信号依次进行分时高速输出，帧头输出间隔以后面的高速频率相关补偿模块的计算延时设置，并传给所述高速频率相关补偿模块。
所述高速频率相关补偿模块，用于根据能量检测通过和帧头合路存储输出的高速帧头信号和突发粗起始位置，用单路高速频率相关器分时进行帧头同步字的频率相关，根据相关峰值确定帧头信号补偿频率和帧头精确起始位置，然后把依次对每路帧头信号进行频率补偿和帧头精细起始位置输出，送给开环定时和相位检测模块；
所述开环定时与相位检测模块，包括开环符号定时器和相位检测器两部分，对前面频率补偿后的帧头信号进行简单快速的PI/4 QPSK解调，送给双正交译码和判决模块。
所述的双正交译码和判决模块，用于根据前面送来的解调数据和帧头精细起始位置用双正交(32，6)译码器进行译码，若译码校验失败或者译码后的连接配置ID号不在规定的范围内，则直接丢弃该帧突发信号，若译码后的连接配置ID号在接收帧格式范围内，则选择该帧信号送给后面的有效通道选择模块：
所述有效通道选择模块，用于根据译码后正确的VDE链路连接配置ID号选择对应通道的数据帧和数据长度，同时，启动前端的延时FIFO进行数据帧读取，并依次开启后端M个解调器模块中的一个，进行连接配置ID号对应的解调帧格式设置。
所述解调器组模块，用于对前面有效通道选择输出的数据帧进行并行解调，该解调器组的解调器个数M远小于多通道输入的路数N，节省了高性能解调器的数量和硬件资源，并行解调器组输出的数据送给了合路组包模块。
所述合路组包模块对多路并行的高性能解调输出进行数据合路和组包，通过接口送给后续VDE协议层模块。
详细的，如图1所示，本发明公开了一种基于VDE的多通道信道检测的处理系统，包括N路多通道突发能量检测模块、帧头合路存储模块、高速频率相关补偿模块、开环定时与相位检测模块、双正交译码和判决模块、有效通道选择模块、解调器组模块和合路组包输出模块。这里以一种卫星多波束系统为例，取波束数为128个(即输入通道数N＝128路)，解调器组解调器个数为16个(即M＝16)，其中：
所述突发能量检测模块采用GPS的UTC帧头时刻范围估计和双滑动窗口结合的处理方法，根据卫星到船的最大和最小距离，评估出卫星上行突发信号最大延时和最小延时的差值，如根据VDE建议书的最大时延差为8ms，每个时隙的开始时刻都是和固定UTC时间对齐的(UTC的每个分钟周期内有2250个VDE时隙)，这里，只对每个时隙开始时刻的8ms数据进行双滑动窗口法检测。首先对接收的128路多通道VDE中频信号并行进行下变频和滤波抽取，通过抽取使抽取后的信号采样速率为4倍符号速率，根据固定的时隙开始UTC时间，对每个时隙周期的前8ms信号采用双滑动窗口法检测能量的上升沿，例如根据VDE的《ITU-RM.2092-0+》建议书中卫星上行信号上升的要求是14个符号(4倍采样是56个采样点)，逐个采样点移动的双滑动窗口每个窗口的宽度可以取48，两个窗口之间的间隔可以取1个窗口宽度，根据VDE对物理层最低解调信噪比的要求，且能量检测结果不受信号能量绝对值大小的影响，判断两个窗口的信号能量比值是否大于门限值来估算突发信号的粗起始位置，并对抽取后4倍符号速率的数据和突发信号粗起始位置信息传给所述的帧头合路存储FIFO模块。
帧头合路存储FIFO模块把前面经过128路并行能量检测后，对检测出存在输入信号的时隙进行帧头数据和突发信号粗起始位置的FIFO存储和合路，这里根据VDE的《ITU-RM.2092-0+》建议书中所述卫星物理层帧格式的帧头同步字有48个符号(扩频)和27个符号(非扩频)两种，连接配置ID号有16个符号，4倍符号速率采样，考虑粗起始位置的误差容错，范围前后各扩大8个符号，这里每个突发帧需要存取的帧头数据可以取最大的(48+16+8+8)×4＝320个采样点。然后对合路以后的多路帧头信号逐帧依次分时高速输出，输出的帧头间隔以后面的高速频率相关补偿模块的计算延时设置，这里VDE上行的符号速率为33.6Ksps，FIFO输入的4倍符号采样为134.4KHz，FIFO高速输出的数据频率可以根据硬件实际情况选取，如这里选取高速输出处理时钟33.6MHz，为134.4KHz的250倍，即以33.6MHz的速率传给所述高速频率相关补偿模块。
所述高速频率相关补偿模块根据帧头合路存储输出的逐帧高速帧头信号，采用单路高速频率相关器分时进行帧头同步字的频率相关，这里由于VDE卫星的多普勒频移较大，加上本地晶振的频率稳定度偏差，需要达到的频率相关范围达到±4KHz，考虑到帧头320个采样点的数据长度和后面开环同步频率锁定的能力，这里频率相关步进需达到0.5KHz，即每个±4KHz范围的帧头都需要进行16次0.5KHz的分时相关计算，根据16次相关计算的最大相关峰值确定帧头信号补偿频率并进行帧头频率补偿，例如见附图2的高速频率相关的FPGA在线测试波形(此时频偏设为-1KHz)，记录最大相关峰值所在相关中的帧头精细起始位置，然后依次把每路频率补偿帧头信号和帧头精细起始位置输出，送给开环定时与相位检测模块；
所述的开环定时与相位检测模块包括开环符号定时和相位检测两部分，对前面频率补偿后的帧头信号进行简单快速的PI/4 QPSK解调，这里因为需要像高速频率相关补偿一样，用单路高速开环定时和相位检测器对逐个帧头信号进行解调，需要解调算法有较高的吞吐率和计算速度，且实现简单，本发明中开环符号定时选择基于最大似然的前馈非数据辅助O&M(Oerder and Meyr)算法，输入数据4倍过采样，长度为320，O&M估计器的算法公式如下：
Figure BDA0001882275400000081
O&M符号定时估计器组成框图如图2所示。
相位检测的算法也需选择快速简单，且具有较优信噪比性能的开环算法，经过前面O&M估计器定时估计后的单倍速率符号定时信号送给相位检测进行相位恢复，此时需要相位恢复的单倍速率帧头长度为80个符号，例如这里选择M-power相位恢复算法进行快速的开环相位检测，算法公式如下：
Figure BDA0001882275400000091
M-power相位检测组成框图如图3所示。
经过定时和相位检测后的解调信号送给所述的双正交译码和判决模块。
所述的双正交译码和判决模块根据前面送来的解调数据和帧头精确起始位置用双正交(32，6)译码器进行译码，若译码校验失败或者译码后的连接配置ID号不在规定的范围内，则直接丢弃该帧突发信号，若译码后的连接配置ID号在接收帧格式范围内，则选择该帧信号送给后面的有效通道选择模块；
所述有效通道选择模块根据译码后正确的VDE链路连接配置ID号选择对应通道的数据帧和对应的数据长度，同时，启动前端的延时FIFO进行数据帧读取，这里，因为帧头前导码扫描和计算都是采用快速同步的开环算法，且高速处理，所以帧头前导码的计算延时很小，即所需的FIFO延时很小，减少了FIFO存储器的资源占用。最后依次开启后面16个解调器模块中的一个，并进行连接配置ID号对应的解调帧格式设置。
所述的16个解调器组对前面有效通道选择输出的数据帧进行并行解调，该解调器组的解调器个数16远小于多通道输入的路数128，节省了高性能解调器的数量和硬件资源，并行解调器组输出的数据送给了合路组包模块。
所述合路组包模块对多路并行的高性能解调输出进行数据合路和组包，通过接口送给后续VDE协议层模块。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明提供了一种可应用于卫星接收或者地面岸站网关接收的处理系统，该系统能够在多通道中频输入的条件下，采用快速高效的频率相关和开环同步信道检测技术快速扫描各路通道的帧头前导码，迅速提取出有效的突发帧数据，从而减少了VDE接收处理延时和后端解调器的数量，即减少了所需的硬件需求和功耗，提升了多通道接收系统的综合处理能力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于VDE的多通道信道检测的处理系统，其特征在于，包括：突发能量检测模块、帧头合路存储模块、高速频率相关补偿模块、开环定时与相位检测模块、双正交译码和判决模块、有效通道选择模块、解调器组模块和合路组包输出模块，其中：
所述突发能量检测模块，用于接收多通道VDE中频下变频和滤波抽取后的信号，用双滑动窗口法检测能量，估算突发信号的粗起始位置，并传给所述帧头合路存储模块，其中，所述突发能量检测模块，用于采用GPS的UTC帧头时刻范围估计和双滑动窗口结合的处理方法，根据卫星到船的最大和最小距离，评估出卫星上行突发信号最大延时和最小延时的差值ΔT，只对每个时隙开始时刻的ΔT数据进行双滑动窗口法检测；
所述帧头合路存储模块，用于根据所述粗起始位置截取帧头信号，进行FIFO存储和合路，然后依次传给所述高速频率相关补偿模块；
所述高速频率相关补偿模块，用于采用单路高速频率相关器分时进行帧头同步字的频率相关，进行频率补偿，并记录帧头精确起始位置，送给开环定时与相位检测模块；
所述开环定时与相位检测模块，用于对所述高速频率相关补偿模块输出的频率补偿后的帧头信号进行快速PI/4QPSK解调，送给双正交译码和判决模块；
所述双正交译码和判决模块，用于对解调数据进行双正交译码，根据译码结果判断是否选择该帧信号送给所述有效通道选择模块；
所述有效通道选择模块，用于根据译码后正确的连接配置ID号选择对应通道的数据帧和数据长度，并开启所述解调器组模块中的一个；
所述解调器组模块，用于对送入的数据帧进行并行解调，并行解调器组输出的数据送给了合路组包输出模块进行合路和组包，通过接口送给后续VDE协议层模块。
2.如权利要求1所述的基于VDE的多通道信道检测的处理系统，其特征在于，所述高速频率相关补偿模块，用于采用单路高速频率相关器分时对多路信号的帧头进行帧头同步字频率相关，根据相关峰值确定帧头信号补偿频率和帧头精细起始位置，然后依次对每路帧头信号进行频率补偿和帧头精细起始位置输出，送给开环定时和相位检测模块。
3.如权利要求1所述的基于VDE的多通道信道检测的处理系统，其特征在于，所述开环定时与相位检测模块，包括开环符号定时器和相位检测器两部分，用于对所述高速频率相关补偿模块输出的频率补偿后的帧头信号进行PI/4QPSK解调。
4.如权利要求3所述的基于VDE的多通道信道检测的处理系统，其特征在于，所述开环符号定时器采用开环O&M估计器进行定时，所述相位检测器采用开环M-power相位检测器进行相位检测，经快速定时和相位检测后的信号送给所述双正交译码和判决模块。
5.如权利要求1所述的基于VDE的多通道信道检测的处理系统，其特征在于，所述解调器组模块，用于根据有效通道选择输出的有效数据帧依次进行并行解调，该解调器组的解调器个数M根据评估的覆盖区域通信机制和容量选择，其值远小于多通道输入的路数N。
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