CN105407067A - 一种突发模式gmsk的相干载波和定时的恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种突发模式GMSK的相干载波和定时的恢复方法，包括：在接收机的平方环反馈环路中对相同的GMSK信号交替进行正向运算和反向运算；所述的平方环反馈环路包括依次相连的相位误差检测模块、环路滤波器、数控振荡器，数控振荡器的输出还连接相位误差检测模块；所述的正向运算是对按接收时间顺序排列的GMSK信号流进行运算，所述的反向运算是对按接收时间逆序排列的GMSK信号流进行运算。本发明方法通过对有限长度的突发包数据交替进行正向运算和反向运算来逐渐逼近真实值，从而提高载波频率和相位的估计精度。本发明方法用于AIS接收机中，可提升信号的载波和定时的恢复性能，改善接收性能，并简化接收机结构。

Description

一种突发模式GMSK的相干载波和定时的恢复方法

技术领域

本发明属于船舶通信技术领域，尤其涉及一种突发模式GMSK(高斯滤波最小频移键控)的相干载波和定时的恢复方法。

背景技术

随着海运事业的发展，船舶大型化、高速化趋势明显，船舶数量及其载重量的不断增加，海上交通日趋密集繁忙。而船载自动识别系统(AIS)用来建立基站和船舶之间以及船舶与船舶之间的有效通信，由此提高航海的安全性和效率，同时保护海上贸易环境。所有AIS装备的船只定期发送信息，包括船只的识别、位置、航向、速度等信息，来实现信息的交互。而基于卫星的AIS系统(SAT-AIS)可以提高覆盖范围，安全性更高，这样可以创建一个全球性的关于海上船舶位置的实时性数据库，进而建立更好的航海监控。

船载自动识别系统属于突发通信，它的调制方式为高斯滤波最小频移键控(GMSK)。基本工作原理是将基带信号先通过高斯滤波器成形，再进行最小频移键控调制，它是一种二进制调制方法，成形后的高斯脉冲包络无陡峭边缘，亦无拐点，频谱特性优良，且有良好的功率谱密度和较好的抗干扰特性，特别适用于无线通信和卫星通信。采用时分多址技术，将不同用户划分到不同小区，在同一小区中不同用户可以互不干扰的进行通信，而接收设备在接收这些信息时，由于接收范围覆盖多个小区，不可避免的会接收到互相重叠的突发信号。因此在船舶通信系统的接收算法中最关键的就是从频域和时域上有重叠的其他干扰信号中准确提取相应信号的相干载波和定时信号。

由于船舶通信所采用的调制方式为突发GMSK，每个突发包长度有限(256比特，9.6K波特率)。对于GMSK调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种方式，相干解调最大的难度是载波恢复。现有算法都是直接对突发包数据进行FFT变换或估计，由于突发包长度有限，使得相位和频率估计精度有限，大大低于连续模式GMSK的载波和定时恢复精度，因而很难采用相干解调方式。故现有的解调多采用非相干解调：鉴相法和差分解调法。鉴相法即对GMSK信号进行正交变换，然后进行鉴相鉴频，进行非相干解调。中频信号经过下变频变成零中频信号，然后使用算法实现鉴相，再采用差分结构得到瞬时频率基带信号，对基带信号进行同步判决即可解调出原始信号。而差分解调法是将中频信号经正交数字下变频后得到复数形式，经低通滤波后，离散化，从而得到GMSK差分解调的通用结构。这两种解调方法实质上是一样，两者效果差别不大，差分结构更易于实现。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种可提高载波频率和相位的估计精度的、突发模式GMSK的相干载波和定时的恢复方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一、一种突发模式GMSK的相干载波的恢复方法，包括：

(1)在接收机的平方环反馈环路中对相同的GMSK信号交替进行正向运算和反向运算；

所述的平方环反馈环路包括依次相连的相位误差检测模块、环路滤波器、数控振荡器，数控振荡器的输出还连接相位误差检测模块；

所述的正向运算是对按接收时间顺序排列的GMSK信号流进行运算，具体为：

相位误差检测模块中，GMSK信号的平方s²(t)和数控振荡器输出的本地载波相乘后进行相位误差检测，检测的相位误差经环路滤波器后进入数控振荡器中进行累加，输出相干载波矫正后的频率值，以矫正后的频率值作为下次反向运算时数控振荡器的NCO初始值；

所述的反向运算是对按接收时间逆序排列的GMSK信号流进行运算，具体为：

相位误差检测模块中，GMSK信号的平方s²(t)和数控振荡器输出的本地载波相乘后进行相位误差检测，检测的相位误差经环路滤波器后进入数控振荡器中进行累减，输出相干载波矫正后的频率值，以矫正后的频率值作为下次正向运算时数控振荡器的NCO初始值；

首次运算前，采用快速傅里叶变化检测GMSK信号s(t)的前导字进行估计所获得的预估频率值初始化数控振荡器的NCO初始值；

(2)根据平方环反馈环路输出的矫正后的频率值恢复相干载波。

二、一种突发模式GMSK的定时恢复方法，包括：

将恢复的相干载波的虚部和实部分别作差和作和，得载波φ_I(t)和φ_Q(t)，载波φ_I(t)和φ_Q(t)相乘后经低通滤波器获得时钟信号。

和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

基于卫星的船舶通信系统(SAT-AIS)接收机的信号处理方法和结构中，关键之处在于从频域和时域上有重叠的其他干扰信号中准确提取相应信号的相干载波和定时信号。由于船舶通信所采用的调制方式为突发GMSK，各突发包长度有限，现有技术都是直接对突发包数据进行FFT变换或估计。受限于突发包长度而使得相位和频率的估计精度有限，大大低于连续模式GMSK的载波和定时的恢复精度，因而也很难采用相干解调方式。

本发明通过对有限长度的突发包数据交替进行正向运算和反向运算来逐渐逼近真实值，从而提高载波频率和相位的估计精度，可使突发包的频差估计精度提高30倍，相位误差精度也大大提高。因此，本发明方法用于AIS接收机中，可提升信号的载波和定时的恢复性能，改善接收性能，并简化接收机结构。

附图说明

图1为GMSK前馈式载波和定时恢复法示意图；

图2为f+和f-的提取流程示意图；

图3为平方环反馈法载波同步示意图，其中，图(a)为正向运算示意图，图(b)为反向运算示意图；

图4为实施例采用的Simulink仿真程序框图；

图5为实施例中频差估计结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案进行详细说明。

GMSK信号是基带信号经高斯滤波器成形、再进行最小频移键控(MSK)调制获得。GMSK信号s(t)可表示为如下形式：

$s\left(t\right)=\sqrt{\frac{2E_b}{T_b}}cos\[2{\mathrm{\πf}}_{c}t+\frac{{\mathrm{\πa}}_k}{2T_b}t+{\mathrm{\φ}}_k\]---\left(1\right)$

式(1)中：E_b表示符号能量；T_b是符号间隔；a_k是第k个码元中数据，其取值为1或-1；当a_k＝+1时，信号频率当a_k＝-1时，载波频率φ_k是第k个码元中相位常数；t表示时刻。

利用快速傅里叶变化(FFT)检测GMSK信号s(t)的前导字进行同步估计，获取频偏估计值、时偏估计值和初始相位估计值。GMSK信号s(t)本身虽然没有载波分量，然而经过平方变换却能产生载波倍频分量，用窄带滤波器或者等效的锁相环提取载波倍频分量，经分频获得相干载波，实现相干载波的恢复。

将载波恢复输入的GMSK信号s(t)表示如下：

$s\left(t\right)=m\left(t\right)\sqrt{2P_s}cos(w_{c}t+{\mathrm{\θ}}_1)---\left(2\right)$

式(2)中：P_s是GMSK信号s(t)的功率；m(t)代表原始数据信号，等价于式(1)中的ω_c表示载波频率；θ₁是待估相位；t表示时刻。

GMSK信号s(t)经平方后，得到：

s²(t)＝P_s[m(t)]²+P_s[m(t)]²cos(2w_ct+2θ₁)(3)

采用α来表示[m(t)]²中直流分量，则：

[m(t)]²＝α+{[m(t)]²-α}＝α+N_m(t)(4)

结合公式(3)和(4)有：

s²(t)＝αP_s+P_sN_m(t)+αP_scos(2w_ct+2θ₁)+N_m(t)P_scos(2w_ct+2θ₁)(5)

式(5)中，右边第一项αP_s表示直流分量，第二项P_sN_m(t)表示低频分量，第三项αP_scos(2w_ct+2θ₁)表示频率为2w_c的离散谱分量，第四项N_m(t)P_scos(2w_ct+2θ₁)是对称的分布在2w_c两侧的边带分量。

s²(t)经中心频率为2w_c的窄带滤波器后，可滤出本发明所需要的频率为2w_c的离散谱分量αP_scos(2w_ct+2θ₁)，经二分频就可得到所需的相干载波。

图1所示为已有的前馈式相干载波和定时的恢复法流程图，接收的GMSK信号s(t)经平方后，产生载波的倍频分量，分别提取f₊和f_-，得到载波的实部s_I(t)＝cos2πf₊t和载波的虚部s_Q(t)＝cos2πf_-t。将s_I(t)和s_Q(t)作和得载波φ_I(t)，将s_I(t)和s_Q(t)作差得载波φ_Q(t)。载波φ_I(t)和φ_Q(t)相乘后通过低通滤波器获得时钟信号。

f₊和f_-的具体提取流程见图2，f₊和f_-的提取流程是平方环反馈法提取载波频率的常规过程。以GMSK信号s(t)的平方为输入，依次经相位误差检测模块、环形滤波器、数控振荡器，输出相干载波。采用平方环反馈法进行载波同步过程中，本发明采用对相同的GMSK信号进行多次处理来逐次接近真实值的方法，即对GMSK信号先进行一次正向运算，再进行一次反向运算。正向运算即对正向数据流进行处理，正向数据流即按照接收时间顺序排列的GMSK信号，最先处理最先接收的数据，最后处理最晚接收的数据。反向运算即对反向数据流进行处理，反向数据流即按照信号接收的时间逆序排列的GMSK信号，即最先处理最晚接收的数据，最后处理最先接收的数据。多次交替进行正向运算和反向运算，逐渐对准相位和频率。

图3(a)是正向运算示意图。平方环反馈环路输入为正向数据流中GMSK信号的平方s²(t)，假设GMSK信号为cos(w_ct+θ_e)，则平方后的有用部分为cos(2w_ct+2θ_e)。鉴相器中，将s²(t)和数控振荡器输出的本地载波sin(2wct)相乘：

$\cos \left(2w_c+2{\mathrm{\θ}}_e\right)\×\[-\sin \left(2w_{c}t\right)\]=\frac{1}{2}\sin 2{\mathrm{\θ}}_e-\frac{1}{2}\sin 4w_{c}t\cos 2{\mathrm{\θ}}_e-\frac{1}{2}\cos 4w_{c}t\sin 2{\mathrm{\θ}}_e---\left(6\right)$

经低通滤波器滤除高频部分，得相位误差经环路滤波器滤除噪声和无用高频部分后将相位误差送入数控振荡器，将相位误差和NCO初始值相加，经相位累加器便可输出相干载波矫正后的频率值。矫正后的频率值乘以2π，即恢复出相干载波，根据恢复的相干载波获得其相位预估值。

经一次正向运算后，将正向运算最后获得的矫正后的频率值作为反向运算中NCO初始值。反向运算过程见图3(b)，输入为反向数据流中GMSK信号的平方s²(t)，经与正向运算相同的处理过程，输出相干载波矫正后的频率值。反向运算中环路滤波部分和正向计算相比，具有更窄的带宽，这样可在低噪声环境下获得更为精准的结果。另外，由于是反向数据流，在相位累加部分，前一个相位量化值是由后一个相位量化值减去相位误差得到的，这正是正向运算和反向运算的不同之处。同样的，将本次反向运算最后获得的矫正后的频率值作为下次正向运算的NCO初始值。正向运算和反向运算交替进行，逐渐对准相干载波的频率和相位，实现载波同步。正向运算和反向运算交替进行的过程是逐渐逼近相干载波真实值的过程，运算次数越多精确度越高，本发明正向运算和反向运算的次数根据实际精度要求进行人为设定。

在采用正向运算和反向运算交替处理GMSK信号前，采用预估频率值两倍的频率控制字初始化NCO初始值，预估频率值采用快速傅里叶变化检测GMSK信号s(t)的前导字进行估计获得

实施例

图4所示为Simulink仿真程序框图，输入信源包括一个主信号和两个干扰信号，干扰信号分别为主信号强度的1/2和2/15，高斯白噪声(AWGN)信道的信噪比(SNR)为5dB，载波频率f_c＝161.971MHz，主信号相对频差为1e^-5，干扰信号的相对频差分别为-2e^-5和2e^-5，初始相位各不相同，采样速率为614400Hz。

采用快速傅里叶变化法检测输入信号的前导字进行初步同步估计，经初步同步估计，2f₊和2f_-分别为2150/8192、2022/8192，分别作为相应的NCO初始值，经多次交替的正向运算和反向运算后，2f₊的结果见图5中的图(a)～(c)，图(a)为第一次运算的频差估计结果，图(b)为第四次运算的频差估计结果，图(c)为第六次运算的频差估计结果，图(a)～(c)中自上而下依次为频差估计曲线、平滑处理后的频差估计曲线、信噪比估计曲线，图(a)～(c)中曲线横坐标均表示时刻。

从图5可以看出，多次运算得到的信噪比逐步增大，精度逐次提高。经计算，第一次运算的相对误差为-6.977e^-5，经五次运算后，相对误差达到-7.2e^-5，经多次运算后，相对误差低于2.3e^-6。经多次运算后，整个突发包的频差估计精度提高了约30倍，达到614400*2150/8192*2.3e-6＝0.37Hz。同样地，多次运算后相位误差精度也大大提高。因此，本发明可在AIS接收机中用以提升相应信号的载波和定时恢复性能，改善接收性能，从而简化接收机的实现结构。

由于AIS比特速率为9.6K，采样速率614400*125＝76.8M，因而可通过提高处理速度来增加处理次数，从而在基本不增加硬件规模的前提下改善载波和定时恢复性能。

Claims (2)

1.突发模式GMSK的相干载波恢复方法，其特征是，包括：

(1)在接收机的平方环反馈环路中对相同的GMSK信号交替进行正向运算和反向运算；

所述的平方环反馈环路包括依次相连的相位误差检测模块、环路滤波器、数控振荡器，数控振荡器的输出还连接相位误差检测模块；

所述的正向运算是对按接收时间顺序排列的GMSK信号流进行运算，具体为：

相位误差检测模块中，GMSK信号的平方s²(t)和数控振荡器输出的本地载波相乘后进行相位误差检测，检测的相位误差经环路滤波器后进入数控振荡器中进行累加，输出相干载波矫正后的频率值，以矫正后的频率值作为下次反向运算时数控振荡器的NCO初始值；

所述的反向运算是对按接收时间逆序排列的GMSK信号流进行运算，具体为：

相位误差检测模块中，GMSK信号的平方s²(t)和数控振荡器输出的本地载波相乘后进行相位误差检测，检测的相位误差经环路滤波器后进入数控振荡器中进行累减，输出相干载波矫正后的频率值，以矫正后的频率值作为下次正向运算时数控振荡器的NCO初始值；

首次运算前，采用快速傅里叶变化检测GMSK信号s(t)的前导字进行估计所获得的预估频率值初始化数控振荡器的NCO初始值；

(2)根据平方环反馈环路输出的矫正后的频率值恢复相干载波。

2.突发模式GMSK的定时恢复方法，其特征是：

将权利要求1恢复的相干载波的虚部和实部分别作差和作和，得载波φ_I(t)和φ_Q(t)，载波φ_I(t)和φ_Q(t)相乘后经低通滤波器获得时钟信号。