CN103209143A - 数据辅助下的星载ais信号同步参数估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法：由天线接收地面船舶AIS系统发射的射频信号给接收机；接收机将接收到的射频信号解调成基带信号输入FPGA数据采集模块；FPGA数据采集模块将接收到的基带信号进行模数转换得到数字基带信号，输入信号处理模块；信号处理模块对接收到的数字基带信号进行处理，得到正确的AIS船舶信息输入数据存储模块；数据存储模块存储接收到的AIS船舶信息。优越性：在信号降采样下，通过引入自相关运算和最大似然运算，实现了对星载AIS信号的频偏估计范围大，估计误差小的性能；通过累加求幅角运算和累加求模值运算实现了准确度较高的定时估计、相移估计和幅度估计。

Description

数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法及系统

（一）技术领域：

本发明属于船舶自动识别系统（Automatic Identification System,AIS）通信技术领域，特别是一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法及系统。 

（二）背景技术：

在星载AIS接收机中往往出现多路信号混合的情况，在将混合信号进行分离的同时要保证其他信号不被破坏，需要在已知信号解码序列基础上，较精确的还原出该路信号，因此就要求精度较高的信号参数估计。这种估计方式属于数据辅助下的同步参数估计，星载AIS信号分离时，对于这一步的估计精度较盲估计要求更高。 

由于AIS信号采用高斯滤波最小频移键控（Gaussian Minimum Shift Keying,GMSK）调制，对于星载AIS接收机的信号的参数估计问题也就主要针对GMSK调制信号的相应参数估计。文献（Michael Rice，“Data-Aided Carrier Phase Estimation for GMSK”，IEEE International Conference on Communications[J].2003(5),3560-3564）中提出了一种数据辅助下的相移估计，该技术主要采用最大似然运算，但只能对相移进行估计，文献（Tuan Feng Wu，“New Data-Aided Frequency Estimation Algorithm Based on Discriminator for GMSK Signals”,Proceedings of the2003International Conference on[J].2003,12(2):1706-1709）用原有KAY工作方式和Fitz工作方式对GMSK信号频偏进行估计，运算精度较低，不能达到星载AIS接收机的要求，（MICHAEL RICE,“Estimation Techniques for GMSK using Linear Detectors in Satellite Communications”,IEEE Transactions on Aerospace &Electronics Systems[J].2007,4(43):1484-1495）和（Wenli Shen,“Data Aided Symbol Timing Estimation in Space-Time Coded CPM Systems over Rayleigh Fading Channels”，Vehicular Technology Conference[J].2007,9(66):556-560）分别用了自相关运算和最大似然运算，但是估计范围较小，只能估计1KHz以内的频偏。 

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计 方法及系统，它可以克服现有技术的不足，可以实现在星载AIS接收机上的同步参数精细估计。 

本发明的技术方案：一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法，其特征在于它包括以下步骤： 

①由天线接收地面船舶AIS系统发射的射频信号给接收机； 

②接收机将接收到的射频信号解调成基带信号输入FPGA数据采集模块； 

③FPGA数据采集模块将接收到的基带信号进行模数转换，得到数字基带信号，输入信号处理模块； 

④信号处理模块对接收到的数字基带信号进行处理，得到正确的AIS船舶信息输入数据存储模块； 

⑤数据存储模块存储接收到的AIS船舶信息。 

所述步骤④中数据处理模块对数字基带信号的处理方法由以下步骤构成： 

⑴首先，解码模块对接收到的数字基带信号进行解码，解码后得到的二进制码元信息送入CRC校验模块进行校验； 

⑵CRC校验模块对步骤⑴解码后的二进制信息进行校验，校验后的二进制信息一路输入到数据辅助下的同步参数估计模块，另一路输入到报文解析模块； 

⑶数据辅助下的同步参数估计模块利用接收到的二进制码元信息和数字基带信号估计数字基带信号中的同步参数，估计的同步参数输入多用户分离模块； 

⑷报文解析模块对接收到的二进制码元信息解析处理，得到AIS船舶信息输入到存储模块； 

⑸多用户分离模块利用接收到的数字基带信号同步参数对信号分离，分离后的信号输入解码模块； 

⑹解码模块对接收到的分离信号再次解码，并重复步骤⑴。 

所述步骤⑶中的数据辅助下的同步参数估计方法包括以下步骤： 

（a）数据辅助下的同步参数估计模块接收到的数字基带信号按如下要求降采样，得到降采样序列： 

将在加性白高斯噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道下接收到信号的复包络可以表示为 

x(t)＝Ae^j(2πvt+θ)S(t-τ)+n(t) 

其中，A为幅度，v是载波频偏，θ为相移，n(t)为加性噪声，s(t)为对应的GMSK基带调制信号，τ为时延；对于数字基带信号以码元速率降采样后得到降采样序列，记为{x(k)}； 

(b)数据辅助下的同步参数估计模块利用接收到的二进制码元信息，按如下方式构造出洛朗级数的系数： 

以正确码元序列对应调制信号的洛朗级数展开形式： 

$s(t;a)\≈\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{b}_{0,i}{c}_0(t-\mathrm{iT})$

计算洛朗级数的系数为

其中T为码元周期，a＝{a_n}为码元信息序列，取值为{1,-1}；h是调制指数，此处

(c)数据辅助下的同步参数估计模块对降采样序列按如下方式用共轭相乘运算的方法构造辅助序列z(k): 

$z\left(k\right)=x\left(k\right)b_{0,k-1}^{*};$

(d)数据辅助下的同步参数估计模块对步骤(c)中构造的辅助序列按如下方式进行自相关运算，得到自相关序列： 

$R\left(m\right)=\frac{1}{L_0-m}\underset{k=m}{\overset{L_0-1}{\mathrm{\Σ}}}z\left(k\right)z^{*}(k-m)$

其中，1≤m≤L₀-1，L₀为码元个数； 

(e)数据辅助下的同步参数估计模块利用步骤(c)中构造的辅助序列z(k)和步骤d中得到的自相关序列，按如下方式得到频偏估计值： 

$\hat{v}=\frac{1}{2T{L}_0}\left[\frac{1}{\mathrm{\π}}\arg \right\{R(L_0/2)\}+\underset{\hat{v}}{\arg \max }\{\mathrm{DFT}\left(z\left(k\right)\right)\left\}\right];$

(f)数据辅助下的同步参数估计模块根据步骤(e)中得到的频偏估计值，按照如下方式采用最大似然运算得到定时估计值： 

其中， $\mathrm{\ψ}(k{T}_s-\mathrm{\τ};a)=\mathrm{\π}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i}q(k{T}_s-\mathrm{iT}-\mathrm{\τ});$

(g)数据辅助下的同步参数估计模块根据步骤(e)中得到的频偏估计值，按照如下方式采用累加求幅角运算得到相移估计值： 

(h)根据步骤(e)中得到的频偏估计值，数据辅助下的同步参数估计模块按照如下方式采用累加求模值运算得到幅度估计值： 

一种实现上述方法的系统，由AIS接收机构成，其特征在于它包括天线、接收机、FPGA数据采集模块、信号处理模块和数据存储模块；其中，所述天线接收地面船舶AIS系统发射的射频信号数据并送入接收机中；所述接收机输出端连接FPGA数据采集模块的输入端。 

所述信号处理模块是由DSP单元、FLASH单元、RS232单元和RAM单元组成；其中所述DSP单元分别与FLASH单元以及RAM单元呈双相连接。 

所述DSP单元是由解码模块、CRC校验模块、报文解析模块、数据辅助下的同步参数估计模块以及多用户分离模块组成；其中，所述解码模块的输入端接收数字基带信号，其输出端连接CRC校验模块的输入端；所述报文解析模块的输入端接收CRC校验模块的输出信号，其输出端输出AIS船舶信息给RS232单元；所述数据辅助下的同步参数估计模块的输入端接收CRC校验模块的输出信号以及数字基带信号，其输出端连接多用户分离模块的输入端。 

本发明的优越性在于：①基于已知序列的星载AIS信号频偏、时延、相移以及幅度的精细估计；②在信号降采样下，通过引入白相关运算和最大似然运算，实现了对星载AIS信号的频偏估计范围大，估计误差小的性能；③通过累加求幅角运算和累加求模值运算实现了准确度较高的定时估计、相移估计和幅度估计；④扩大了参数估计范围，降低信噪比门限，提高估计的精确度。 

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法的整体实现系统的结构示意图。 

图2为本发明所涉一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法实现系统的数据处理模块中DSP单元的结构示意图。 

图3为本发明所涉一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法实现系统的DSP单元中数据辅助下的同步参数估计模块的流程示意图。 

图4为本发明所涉一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法中频偏估计的效果图。 

图5为本发明所涉一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法中定时估计的效果图。 

图6为本发明所涉一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法中幅度估计的效果图。 

图7为本发明所涉一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法中相移估计的效果图。 

（五）具体实施方式：

实施例：一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法，其特征在于它包括以下步骤： 

①由天线接收地面船舶AIS系统发射的射频信号给接收机； 

②接收机将接收到的射频信号解调成基带信号输入FPGA数据采集模块； 

③FPGA数据采集模块将接收到的基带信号进行模数转换，得到数字基带信号，输入信号处理模块； 

④信号处理模块对接收到的数字基带信号进行处理，得到正确的AIS船舶信息输入数据存储模块； 

⑤数据存储模块存储接收到的AIS船舶信息。 

所述步骤④中数据处理模块对数字基带信号的处理方法由以下步骤构成： 

⑴首先，解码模块对接收到的数字基带信号进行解码，解码后得到的二进制码元信息送入CRC校验模块进行校验； 

⑵CRC校验模块对步骤⑴解码后的二进制信息进行校验，校验后的二进制信息一路输入到数据辅助下的同步参数估计模块，另一路输入到报文解析模块； 

⑶数据辅助下的同步参数估计模块利用接收到的二进制码元信息和数字基带信号估计数字基带信号中的同步参数，估计的同步参数输入多用户分离模块； 

⑷报文解析模块对接收到的二进制码元信息解析处理，得到AIS船舶信息输入到存储模块； 

⑸多用户分离模块利用接收到的数字基带信号同步参数对信号分离，分离后的信号输入解码模块； 

⑹解码模块对接收到的分离信号再次解码，并重复步骤⑴。 

所述步骤⑶中的数据辅助下的同步参数估计方法包括以下步骤（见图3）： 

（a）数据辅助下的同步参数估计模块接收到的数字基带信号按如下要求降采样，得到降采样序列： 

将在加性白高斯噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道下接收到信号的复包络可以表示为 

x(t)＝Ae^j(2πvt+θ)S(t-τ)+n(t) 

其中，A为幅度，v是载波频偏，θ为相移，n(t)为加性噪声，s(t)为对应的GMSK基带调制信号，τ为时延；对于数字基带信号以码元速率降采样后得到降采样序列，记为{x(k)}； 

(b)数据辅助下的同步参数估计模块利用接收到的二进制码元信息，按如下方式构造出洛朗级数的系数： 

以正确码元序列对应调制信号的洛朗级数展开形式： 

$s(t;a)\≈\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{b}_{0,i}{c}_0(t-\mathrm{iT})$

计算洛朗级数的系数为

其中T为码元周期，a＝{a_n}为码元信息序列，取值为{1,-1}；h是调制指数，此处

(c)数据辅助下的同步参数估计模块对降采样序列按如下方式用共轭相乘运算的方法构造辅助序列z(k): 

$z\left(k\right)=x\left(k\right)b_{0,k-1}^{*};$

(d)数据辅助下的同步参数估计模块对步骤(c)中构造的辅助序列按如下方式进行自相关运算，得到自相关序列： 

$R\left(m\right)=\frac{1}{L_0-m}\underset{k=m}{\overset{L_0-1}{\mathrm{\Σ}}}z\left(k\right)z^{*}(k-m)$

其中，1≤m≤L₀-1，L₀为码元个数； 

(e)数据辅助下的同步参数估计模块利用步骤(c)中构造的辅助序列z(k)和步骤d中得到的自相关序列，按如下方式得到频偏估计值： 

$\hat{v}=\frac{1}{2{\mathrm{TL}}_0}\left[\frac{1}{\mathrm{\π}}\arg \right\{R(L_0/2)\}+\underset{\hat{v}}{\arg \max }\{\mathrm{DFT}\left(z\left(k\right)\right)\left\}\right];$

(f)数据辅助下的同步参数估计模块根据步骤(e)中得到的频偏估计值，按照如下方式采用最大似然运算得到定时估计值： 

其中， $\mathrm{\ψ}({\mathrm{kT}}_s-\mathrm{\τ};a)=\mathrm{\π}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i}q({\mathrm{kT}}_s-\mathrm{iT}-\mathrm{\τ});$

(g)数据辅助下的同步参数估计模块根据步骤(e)中得到的频偏估计值，按照如下方式采用累加求幅角运算得到相移估计值： 

(h)根据步骤(e)中得到的频偏估计值，数据辅助下的同步参数估计模块按照如下方式采用累加求模值运算得到幅度估计值： 

一种实现上述方法的系统（见图1），由AIS接收机构成，其特征在于它包括天线、接收机、FPGA数据采集模块、信号处理模块和数据存储模块；其中，所述天线接收地面船舶AIS系统发射的射频信号数据并送入接收机中；所述接收机输出端连接FPGA数据采集模块的输入端。 

所述信号处理模块(见图1)是由DSP单元、FLASH单元、RS232单元和RAM单元组成；其中所述DSP单元分别与FLASH单元以及RAM单元呈双相连接。 

所述DSP单元(见图2)是由解码模块、CRC校验模块、报文解析模块、数据辅助下的同步参数估计模块以及多用户分离模块组成；其中，所述解码模块的输入端接收数字基带信号，其输出端连接CRC校验模块的输入端；所述报文解析模块的输入端接收CRC校验模块的输出信号，其输出端输出AIS船舶信息给RS232单元；所述数据辅助下的同步参数估计模块的输入端接收CRC校验模块的输出信号以及数字基带信号，其输出端连接多用户分离模块的输入端。 

附图4为本发明的频偏估计性能的效果图，其中，横坐标为信噪比 E_b/N₀(dB),纵坐标为频偏估计均方误差，定义为其中d为运算次数； 

附图5为本发明的定时估计性能的效果图，其中横坐标为信噪比E_b/N₀(dB)，纵坐标为定时估计均方误差，定义为

其中d为运算次数； 

附图6为本发明的幅度估计性能的效果图，其中横坐标为信噪比E_b/N₀(dB),纵坐标为幅度估计均方误差，定义为其中d为运算次数； 

附图7为本发明的相移估计性能的效果图，其中横坐标为信噪比E_b/N₀(dB)，纵坐标为相移估计均方误差，定义为

其中d为运算次数。 

Claims (6)

1.一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法，其特征在于它包括以下步骤： 

①由天线接收地面船舶AIS系统发射的射频信号给接收机； 

②接收机将接收到的射频信号解调成基带信号输入FPGA数据采集模块； 

③FPGA数据采集模块将接收到的基带信号进行模数转换，得到数字基带信号，输入信号处理模块； 

④信号处理模块对接收到的数字基带信号进行处理，得到正确的AIS船舶信息输入数据存储模块； 

⑤数据存储模块存储接收到的AIS船舶信息。 

2.根据权利要求1所述一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法，其特征在于所述步骤④中数据处理模块对数字基带信号的处理方法由以下步骤构成： 

⑴首先，解码模块对接收到的数字基带信号进行解码，解码后得到的二进制码元信息送入CRC校验模块进行校验； 

⑵CRC校验模块对步骤⑴解码后的二进制信息进行校验，校验后的二进制信息一路输入到数据辅助下的同步参数估计模块，另一路输入到报文解析模块； 

⑶数据辅助下的同步参数估计模块利用接收到的二进制码元信息和数字基带信号估计数字基带信号中的同步参数，估计的同步参数输入多用户分离模块； 

⑷报文解析模块对接收到的二进制码元信息解析处理，得到AIS船舶信息输入到存储模块； 

⑸多用户分离模块利用接收到的数字基带信号同步参数对信号分离，分离后的信号输入解码模块； 

⑹解码模块对接收到的分离信号再次解码，并重复步骤⑴。 

3.根据权利要求2所述一种数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法，其特征在于所述步骤⑶中的数据辅助下的同步参数估计方法包括以下步骤： 

（a）数据辅助下的同步参数估计模块接收到的数字基带信号按如下要求降采样，得到降采样序列： 

将在加性白高斯噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道下接收到信号的复包络可以表示为 

x(t)=Ae^j(2πvt+θ)S(t-τ)+n(t) 

其中，A为幅度，v是载波频偏，θ为相移，n(t)为加性噪声，s(t)为对应的GMSK基带调制信号，τ为时延；对于数字基带信号以码元速率降采样后得到降采样序列，记为{x(k)}； 

(b)数据辅助下的同步参数估计模块利用接收到的二进制码元信息，按如下方式构造出洛朗级数的系数： 

以正确码元序列对应调制信号的洛朗级数展开形式： 

计算洛朗级数的系数为

其中T为码元周期，a={a_n}为码元信息序列，取值为{1,-1}；h是调制指数，此处

(c)数据辅助下的同步参数估计模块对降采样序列按如下方式用共轭相乘运算的方法构造辅助序列z(k): 

(d)数据辅助下的同步参数估计模块对步骤(c)中构造的辅助序列按如下方式进行自相关运算，得到自相关序列： 

其中，1≤m≤L₀-1，L₀为码元个数； 

(e)数据辅助下的同步参数估计模块利用步骤(c)中构造的辅助序列z(k)和步骤d中得到的自相关序列，按如下方式得到频偏估计值： 

(f)数据辅助下的同步参数估计模块根据步骤(e)中得到的频偏估计值，按照如下方式采用最大似然运算得到定时估计值： 

其中， 

(g)数据辅助下的同步参数估计模块根据步骤(e)中得到的频偏估计值，按照如下方式采用累加求幅角运算得到相移估计值： 

(h)根据步骤(e)中得到的频偏估计值，数据辅助下的同步参数估计模块按照如下方式采用累加求模值运算得到幅度估计值： 

4.一种实现数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法的系统，由AIS接收机构成，其特征在于它包括天线、接收机、FPGA数据采集模块、信号处理模块和数据存储模块；其中，所述天线接收地面船舶AIS系统发射的射频信号数据并送入接收机中；所述接收机输出端连接FPGA数据采集模块的输入端。 

5.根据权利要求4一种实现数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法的系统，其特征在于所述信号处理模块是由DSP单元、FLASH单元、RS232单元和RAM单元组成；其中所述DSP单元分别与FLASH单元以及RAM单元呈双相连接。 

6.根据权利要求5一种实现数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法的系统，其特征在于所述DSP单元是由解码模块、CRC校验模块、报文解析模块、数据辅助下的同步参数估计模块以及多用户分离模块组成；其中，所述解码模块的输入端接收数字基带信号，其输出端连接CRC校验模块的输入端；所述报文解析模块的输入端接收CRC校验模块的输出信号，其输出端输出AIS船舶信息给RS232单元；所述数据辅助下的同步参数估计模块的输入端接收CRC校验模块的 输出信号以及数字基带信号，其输出端连接多用户分离模块的输入端。 

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