CN106302283A - 一种低复杂度的星载ais信号非相干序列检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低复杂度的星载AIS信号非相干序列检测方法，针对星载AIS信号，在保证性能的前提下，通过简化判决算式及viterbi搜索流程，实现了低复杂度的序列检测。本发明的方法包括Laurent滤波模块和基于简化算法的序列检测模块，Laurent滤波模块实现对非线性调制信号的线性转换，使之能应用于序列检测算法，基于简化算法的序列检测模块完成对线性信号的解调和译码。本发明首先简化了判决表达式，只保留其中一项算式；其次在网格路径搜索过程中，只保留两条幸存路径，极大的简化了序列检测算法复杂度，同时方法的检测性能也有一定程度的提升。

Description

一种低复杂度的星载AIS信号非相干序列检测方法

技术领域

本发明涉及非线性调制信号的非相干检测，属于通信信号处理领域。

背景技术

在星载AIS(自动识别系统)接收系统中，受较远距离和空中电磁的干扰，电磁波衰减较大，卫星上接收到的AIS信号信噪比较低；同时卫星与船之间高速相对运动引起的大范围时延和多普勒频移，显著影响着实际信号带宽只有几千赫兹的AIS信号；此外，星载AIS接收系统能同时接收到多个海上自组织区域内的船舶信号，多个接收信号在时域和频域上都发生了重叠，因而时频重叠的信号更加大了信号检测的难度。

AIS信号采用GMSK(最小高斯频移键控)调制方式，GMSK是一种非线性调制方式，信号的频谱利用率高，但信号的检测难度也较大，为了最大限度的提高星载AIS接收信号的检测性能，星载AIS接收系统一般采用基于viterbi的非相干检测算法完成对星载AIS接收信号的检测，基于viterbi的非相干检测算法虽然能取得较好的检测性能，但是算法复杂度较高，当前研究中的降低算法复杂度的主要方法包括：一是减少匹配滤波器的数量；二是通过判决结果对状态路径进行融合，减少幸存路径数。研究中均未对度量计算表达式进行简化处理，而在对网格图的路径搜索进行简化的过程中，也没有将路径状态降到最低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对星载AIS信号非相干序列检测复杂度较高的问题，提供了一种低复杂度的星载AIS信号非相干序列检测方法，降低算法复杂度的同时也在一定程度上提高了算法的检测性能，极大的降低了硬件消耗，具有更强的工程可实现性。

本发明的技术解决方案是：一种低复杂度的星载AIS信号非相干序列检测方法，包括如下步骤：

步骤一、利用Laurent匹配滤波对星载AIS信号线性分解分量中能量最大的一个分量c₀(t)进行匹配滤波，使得匹配滤波后的采样信号的信噪比达到最大，星载AIS信号的线性分解的表达式为：获得星载AIS信号的线性调制信号：经过Laurent匹配滤波后将下采样信号输出给非相干序列检测模块；

其中，表示卷积；b_i是分量c₀(t)对应的伪符号：a_m为接收符号值；T是符号周期，j为复数的虚部，h为信号调制指数，m＝0,1,2,…,i，i＝0,1,2,3…；为c₀(t)的共轭；

步骤二、对步骤一中获得的下采样信号进行非相干序列解调，当接收到匹配滤波后的星载AIS信号的第N个符号时，计算2^N个状态的状态路径值，比较选出其中最大状态路径值对应的状态路径，输出第N个符合的符号值并存储最大状态路径值取模前的值采样后的线性调制信号的非相干序列检测的判决式为其中，为状态路径值，为n个伪符号的向量，x_n为下采样后的信号值；n为正整数；N为正整数；

步骤三、以步骤二中的最大状态路径值对应的状态为初始状态，接收第N+1个符号后，分别计算初始状态延伸出的两条状态路径的状态路径值和其中，λ_-1,N+1是第N+1个符号为-1时的状态路径值，λ_1,N+1是第N+1个符号为1时的状态路径值，是第N+1个符号为-1时对应的伪符号值，是第N+1个符号为1时对应的伪符号值；比较状态路径值λ_-1,N+1、λ_1,N+1，选出其中状态路径值较大的状态，并输出第N+1个符号的符号值，存储该较大状态路径值取模前的值记为

步骤四、以步骤三选出的状态路径值较大的状态作为第N+1个符号起始状态，重复步骤三，直至所有接收符号输出完毕。

所述步骤一中Laurent匹配滤波器的系数由确定。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对“星载AIS信号的Laurent分解包含多个线性分量，对其非相干序列检测需要匹配多个分量，AIS信号的能量主要集中在其中一个分量上”这一分解特性，只对星载AIS信号的线性分解信号中的最大能量分量进行匹配滤波，性能损失不大的前提下，降低了信号处理难度。

(2)本发明针对非相干序列检测算法的判决度量式，分析其特征，减少判决度量式的计算项，从而减少了信号的相关或平方处理过程，大大降低了判决度量式的计算对硬件的消耗。

(3)现有的Viterbi算法需要计算2^N条路径的状态增量，本发明只需计算2条路径的状态增量，路径搜索流程及搜索难度相比现有技术大幅降低；同时，本发明提出的度量增量算式包含了当前接收到的所有符号，而Viterbi算法只包含了截短的N个符号，因而本发明的检测性能相比现有技术也有一定的提升。

附图说明

图1为一种低复杂度的星载AIS信号非相干序列检测方法原理框图；

图2(a)为经过Lauren滤波前的星载AIS信号图；

图2(b)为经过Lauren滤波后的星载AIS信号图；

图3为本发明的简化算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

非相干序列检测降低算法复杂度的主要方法包括：一是减少匹配滤波器的数量；二是通过判决结果对状态路径进行融合，减少幸存路径数。目前的算法均未对度量计算表达式进行简化处理，而在对网格图的路径搜索进行简化的过程中，也没有将路径状态降到最低。需要提出一种算法，针对非线性调制信号的特性对判决表达式进行简化处理，同时将幸存路径数降到最低。

如图1所示，本发明提出的一种低复杂度的星载AIS信号非相干序列检测方法，包括：Laurent匹配滤波模块和基于简化算法的网格路径搜索模块，其中：

Laurent匹配滤波模块，在非相干序列检测之前，必须经过Laurent匹配滤波将信号转换为相应线性调制信号，非线性调制信号可以通过Laurent分解的方式改写为线性调制信号，由于非线性调制信号经过Laurent分解后的线性分量通常会有很多个，如果对每个分量进行匹配滤波势必大幅增加接收机的复杂度，因此需从性能及复杂度的综合角度上选取部分线性分量进行匹配滤波。对于星载AIS信号，由于其经过Laurent分解后，其中的一个分量能量较大，其它分量的能量相对可以忽略不计，因而滤波模块只需对该分量进行匹配滤波，滤波模块各抽头系数可以通过GMSK信号的Laurent分解式中计算得出。

基于简化算法的网格路径搜索模块，在信号经过Laurent匹配滤波后，通常的viterbi算法会将接收信号进行截短，根据截短长度N计算出2^N个状态的状态增量，以这2^N个状态为路径起点，延伸出2^N+1条路径，每个状态延伸出两条路径，通过比较保留状态路径值较大的那条路径，即保留了2^N条幸存路径。在此过程当中，由于进行了截短，每次路径状态的比较只考虑了N个符号，符号估计性能与N的大小有关，N较小时，算法性能较差；同时，由于保留了2^N条幸存路径，算法复杂度也较高。本发明在起始接收到N个符号并找出最大状态后，只保留该最大状态，并记忆该状态值，由该状态延伸出两条路径，计算这两条路径的状态增量值时，将记忆的前一状态值与新的状态值结合到一起，路径计算考虑了当前接收到了所有符号，算法性能显然会随着接收符号的增多而提高，同时算法复杂度并未提高；在此过程中，由于只保留了两条幸存路径，路径搜索的复杂度也降到了最低。

如图2(a)、图2(b)所示，以星载AIS信号为例说明了GMSK信号经过Laurent匹配滤波的变化情况。经过Laurent匹配滤波后的信号近似幅度调制信号。

本发明的具体实现步骤如图3所示。本发明中，每次判决只比较两条路径的状态值大小，因而其判决错误概率由这两条状态路径与接收信号的相关距离决定，显然随着搜索深度的增大，两条路径与接收信号的相关距离会逐渐增大，噪声对它们的影响逐渐降低，判决错误概率会逐渐降低，算法性能也会逐步提升。而且，由于两条状态转移经过若干次转移后都会发生会聚，因而即使某次判决发生错误，错误路径也会在有限次转移后回到正确路径上，当接收符号足够多时，某次的判决错误对总体性能影响不大。

如图3所示，一种低复杂度的星载AIS信号非相干序列检测方法，包括如下步骤：

步骤一、星载AIS信号的线性表达式可以近似表示为：

$s\left(t\right)=\underset{i}{\Σ}{b}_i{c}_0(t-iT)$

式中，c₀(t)是AIS信号线性分解分量中能量最大的一个分量，b_i是该分量对应的伪符号，可由下式计算得出。

$b_i=e^{jh\mathrm{\π}\underset{m=0}{\overset{i}{\Σ}}{a}_m}$

式中，a_m为接收符号值；T是符号周期，j为复数的虚部，h为信号调制指数，m＝0,1,2,…,i；

Laurent匹配滤波的功能即是对该分量匹配滤波，以使得匹配滤波后的采样信号的信噪比达到最大，星载AIS信号经过Laurent匹配滤波后的信号表达式为：

$x\left(t\right)=\underset{i}{\Σ}{b}_{i}g(t-iT)$

式中，确定，其中表示卷积，Laurent匹配滤波器的系数由确定，为c₀(t)的共轭；i＝0,1,2,3…；信号近似为线性调制信号，采样后即可进行非相干序列解调。经过Laurent匹配滤波后将信号下采样输出给非相干序列检测模块。

步骤二、抽样后的线性信号的非相干序列检测的判决式为式中即为状态路径值。每接收到一个符号按该判决式计算所有可能的状态路径值，找出其中最大的值即可判决出当前接收到的符号值。显然，根据该判决式可以看出，随着接收到符号的增多，需要计算的状态路径的数量以接收符号的长度指数增大，以二进制符号为例，接收到符号为n时，需要计算的状态数量当n增大一定程度，状态路径的计算将极大占用硬件资源，算法效率也将急剧下降。为了降低算法复杂度，在开始接收到匹配滤波后的星载AIS信号的第N个码元时，计算2^N个状态的状态路径值，比较选出其中路径值最大的状态路径的，输出该N个码元的符号值。记忆最大状态路径取模前的值为n个伪符号的向量，n为正整数；x_n为下采样后的信号值。N为正整数。

步骤三、以步骤二中的最大状态为初始状态，接收下一码元后，分别只计算由步骤二选出的初始状态延伸出的两条状态路径值和式中，λ_-1,N+1和λ_1,N+1分别是下一码元为-1和1时的状态路径值，和是对应的伪符号值。比较它们的大小，选出其中状态路径值较大的状态作为下一码元起始状态，并输出当前码元值，存储该较大状态路径值取模前的值记为

步骤四、以步骤三中的较大状态为初始状态，重复步骤三和输出该接收码元值，直至所有接收符号输出完毕。

实施例

星载AIS信号BT值为0.5，调制指数h为0.5，设定符号采样数为8。

步骤一、确定Laurent匹配滤波系数：

$\begin{array}{c}{c}_0^{*}(-t)=\[1.1926e-04,9.5065e-04,0.0114,0.0286,0.0619,0.1174,0.1989,0.3055,\\ 0.4313,0.5650,0.6930,0.8021,0.8833,0.9326,0.9498,0.9498,0.9326,0.8833,0.8021\\ 0.6930,0.5650,0.4313,0.3055,0.1989,0.1174,0.0619,0.0286,0.0114,0.0038,9.5065e-04,\\ 1.1926e-04\]\end{array},$

将8倍采样的星载AIS信号进行Laurent匹配滤波，下采样后输入给非相干序列检测模块。

步骤二、接收步骤一的下采样信号，当接收到第4个符号时，按式计算16个状态路径值，16个状态分别如下表所示。

表1符号状态表

比较选出其中最大状态路径值对应的状态路径，输出这4个符合的符号值并存储最大状态路径值取模前的值

步骤三、以步骤二中的最大状态路径值对应的状态为初始状态，假定该最大状态是状态号为1的状态，接收第5个符号后，分别计算初始状态延伸出的两条状态路径的状态路径值和比较状态路径值λ_-1,5、λ_1,5，选出其中状态路径值较大的状态，并输出第5个符号的符号值，存储该较大状态路径值取模前的值记为

步骤四、以步骤三选出的状态路径值较大的状态作为第5个符号起始状态，重复步骤三，直至所有接收符号输出完毕。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种低复杂度的星载AIS信号非相干序列检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、利用Laurent匹配滤波对星载AIS信号线性分解分量中能量最大的一个分量c₀(t)进行匹配滤波，使得匹配滤波后的采样信号的信噪比达到最大，星载AIS信号的线性分解的表达式为：获得星载AIS信号的线性调制信号：经过Laurent匹配滤波后将下采样信号输出给非相干序列检测模块；

其中， 表示卷积；b_i是分量c₀(t)对应的伪符号：a_m为接收符号值；T是符号周期，j为复数的虚部，h为信号调制指数，m＝0,1,2,…,i，i＝0,1,2,3…；为c₀(t)的共轭；

步骤二、对步骤一中获得的下采样信号进行非相干序列解调，当接收到匹配滤波后的星载AIS信号的第N个符号时，计算2^N个状态的状态路径值，比较选出其中最大状态路径值对应的状态路径，输出第N个符合的符号值并存储最大状态路径值取模前的值采样后的线性调制信号的非相干序列检测的判决式为其中，为状态路径值，为n个伪符号的向量，x_n为下采样后的信号值；n为正整数；N为正整数；

步骤三、以步骤二中的最大状态路径值对应的状态为初始状态，接收第N+1个符号后，分别计算初始状态延伸出的两条状态路径的状态路径值和其中，λ_-1,N+1是第N+1个符号为-1时的状态路径值，λ_1,N+1是第N+1个符号为1时的状态路径值，是第N+1个符号为-1时对应的伪符号值，是第N+1个符号为1时对应的伪符号值；比较状态路径值λ_-1,N+1、λ_1,N+1，选出其中状态路径值较大的状态，并输出第N+1个符号的符号值，存储该较大状态路径值取模前的值记为

步骤四、以步骤三选出的状态路径值较大的状态作为第N+1个符号起始状态，重复步骤三，直至所有接收符号输出完毕。

2.根据权利要求1所述的一种低复杂度的星载AIS信号非相干序列检测方法，其特征在于：所述步骤一中Laurent匹配滤波器的系数由确定。