CN110636021B - Ais体制下gmsk解调器大频偏校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法，其具体包括9个步骤，可以针对AIS接收与发射设备之间的频率误差进行估计和校正，确保接收设备正常的完成相干解调和Viterbi检测。

Description

AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法

技术领域

本发明涉及水上移动业务领域中的船舶自动识别系统(AIS)，以及甚高频数据交换系统(VDES)，具体涉及一种AＩS体制下GMSK解调器大频偏校正方法。

背景技术

船舶自动识别系统(AＩS)诞生于上世纪90年代，属于第二代海事通信技术，早在2003年国际海事组织已经对AＩS设备进行了强制推广，经过十多年的发展，AＩS已经广泛普及。AＩS技术的扩展应用给AIS频道带来了巨大的负荷，在一些繁忙的区域出现了很高的数据链路负载为了缓解AＩS系统现有频段内的压力以及保证正常功能的实现，IALA和国际海事组织(IMO)在2012年建议将原本交换数据中的应用信息(Application SpecificMessages，ASM)移入其他新的频段以缓解原有AＩS频段的压力。

针对上述提到的AＩS系统需要解决的问题，TU、IALA和IMO积极响应，分别从频点、应用和规则层面对现有AＩS系统进行“升级”的可行性进行研究，并在2013年由IALA首次提出了VDES的概念。

在已经普及应用的AＩS标准和即将发布的VDES标准中，物理信道工作在VHF频段。其中，AIS共有两个信道，分别是AIS 1(信道2087：161.975MHz)和AIS 2(信道2088：162.025MHz)。对AIS信道，船舶之间和船舶与岸站之间，查询和发送的电文主要内容为：位置数据、船舶静态和航行相关数据、UTC/日期响应、安全相关广播消息等。

AIS网络采用无中心自组网(SOTDMA)，其物理层调制解调器技术规格如下：

1)工作频率：

a)AIS 1：中心频点161.975MHz，带宽25kHz，

b)AIS 2：中心频点162.025MHz，带宽25kHz；

2)频率准确度：优于±500Hz；

3)双通道独立接收机可在两个单独的频道上同时接收；在两个独立的频道上一个发射机作为备用进行TDMA发射；

4)数据码型：NRZI；

5)调制方式：GMSK-FM，调制指数0.5，发射BT乘积0.4，接收BT乘积0.5；

6)传输速率：9.6kbps±10ppm；

根据标准可知，在发射和接收设备频率误差绝对值都是500Hz，且误差符号相反时，此时接收到的AIS信号频率误差绝对值f_{error_max}＝1kHz(＝500Hz+500Hz)。则最大频率误差归一化到符号速率f_{error_max_norm}＝1kHz÷9.6kHz≈10％。

在AWGN信道下，相干解调比非相干解调可以获得更好的误码性能。根据经验，相干解调比非相干解调的解调性能会好3dB左右。但是，10％的频率误差对相干解调到来了巨大的问题，因此，为了提高解调性能，必须对大频率误差进行估计和校正。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法，针对AIS接收与发射设备之间的频率误差进行估计和校正，确保接收设备正常的完成相干解调和Viterbi检测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法，具体包括以下步骤：

1)A/D转换器对低中频信号采样，得到数字中频信号；

2)通过DDS对步骤1)得到的数字中频信号进行数字下变频，得到复数基带信号；

3)对步骤2)得到的复数基带信号进行抽取，把复数基带信号的处理速率从A/D采样率，降低到码元速率的X倍；

4)对AIS的训练序列进行搜索，当满足一定门限后则认为有效突发起始，同时估计定时误差；

5)一旦突发检测有效，则对GMSK信号进行非线性运算，并对运算结果进行FFT运算，用以估计频率误差估计；

6)用估计的频率误差对延时后的缓存数据进行校正；

7)对频率校正后的信号进行定时误差校正，以恢复出每个码元的理想采样值；

8)对定时同步后的码元进行载波相位同步，恢复出与发射机同频同相的本地载波，以实现相干解调；

9)对相干解调后的码元进行Viterbi译码，得到基带帧比特流，从而完成在AWGN信道下的最优检测功能。

本发明步骤简单，操作便捷，可以有效实现误差估计和校正。

在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

作为优选的方案，步骤1)具体为：以T_s为周期用A/D采样得到数字中频信号r_IF(nT_s)。

作为优选的方案，步骤2)具体为：将步骤1)得到的数字中频信号r_IF(nT_s)与DDS产生离散复正弦信号

进行复共轭相乘，从而完成正交下变频处理，得到复数基带信号r_BB(nT_s)，也即

其中，f_IF为中频频率。

作为优选的方案，步骤3)具体为：对步骤2)得到的复数基带信号进行CIC和半带抽取，输出采样速率为X倍符号速率的基带信号，基带信号一路送到突发检测模块，另一路则以固定延时D进行缓存。

作为优选的方案，步骤4)具体为：利用本地存储的AIS训练序列，对X倍符号速率的基带信号进行相关搜索，一旦相关值超过预设门限则认为有效突发。

作为优选的方案，步骤5)具体为：利用突发检测的定时相位，对基带信号进行4次方非线性运算，得到y(mT)数字信号，对y(mT)进行N点FFT运算，得到其频域离散谱

搜索

离散谱，在±10％的频偏范围内搜索局部最大峰值，该峰值即为频率误差的4倍。

作为优选的方案，步骤6)具体为：把局部最大峰值除以4倍，得到频率控制字去控制DDS，DDS输出复正弦信号与步骤3)缓存的基带信号进行复共轭相乘，即可完成频率偏差的校正。

作为优选的方案，X为4、8、16中的任一数值。

附图说明

图1为AIS全数字解调器逻辑框图。

图2为AIS大频偏估计与校正实现框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，一种AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法的其中一些实施例中，如图1所示，一种AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法，具体包括以下步骤：

1)首先，A/D转换器对低中频信号采样，得到数字中频信号；

2)通过DDS(直接数字频率合成器)对步骤1)得到的数字中频信号进行数字下变频，得到I(同相)、Q(正交)复数基带信号；

3)对步骤2)得到的I、Q复数基带信号进行抽取，把复数基带信号的处理速率从A/D采样率，降低到码元速率的4倍(通常采用4倍过采样)；

4)对AIS的训练序列进行搜索，当满足一定门限后则认为有效突发起始，同时估计定时误差；

5)一旦突发检测有效，则对GMSK信号进行非线性运算，并对运算结果进行FFT运算，用以估计频率误差估计；

6)用估计的频率误差对延时后的缓存数据进行校正；

7)对频率校正后的信号进行定时误差校正，以恢复出每个码元的理想采样值；

8)对定时同步后的码元进行载波相位同步，恢复出与发射机同频同相的本地载波，以实现相干解调；

9)对相干解调后的码元进行Viterbi译码，得到基带帧比特流，从而完成在AWGN信道下的最优检测功能。

本发明步骤3)对复数基带信号进行抽取，把复数基带信号的处理速率从A/D采样率，降低到码元速率的4倍，一方面可以改善FIR滤波器的矩形系数，另一方面提高基带信号处理的吞吐率。

本发明一种AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法，针对AIS接收与发射设备之间的频率误差进行估计和校正，确保接收设备正常的完成相干解调和Viterbi检测。

为了更好的理解本发明，下面进行简单的描述。为了在接收机AIS机中，对最大10％载波频率误差进行校正，首先需要实现频率误差的估计，然后才能进行校正。

首先，接收机频率估计算法原理，说明如下。

GMSK(高斯最小频移键控)先做高斯预滤波，再做FSK(频移键控)调制，属于MSK(最小频移键控)的一种特例，并且都属于CPM(连续相位调制)大类。因此，GMSK的调制指数h＝0.5，并且FSK频率集最小间隔情况下，满足频率集的正交性。经过高斯成型滤波后，GMSK的频谱效率大大优于MSK。

根据CPM原理，调制器输出第n个码元的相位矢量表达式为：

其中，h为调制指数，对于GMSK来说h＝0.5；I_k为待调制的第k个信息比特，I_k∈{+1，-1}；q(t)为相位成型脉冲，由频率成型脉冲g(t)积分得到，关系如下：

频率成型脉冲g(t)为

其中，B为高斯滤波器的3-dB带宽；T_b为比特持续时间；L为BT_b决定的脉冲的持续长度。

因为

所以，第n+1与n时刻的相位差

也即，当比特流经过GMSK调制后，相邻码元之间的相位差始终为

在接收机，对GMSK正交解调后的复数基带信号为：

其中，f_ε为发射与接收机之间的频率误差；φ(t；I)为GMSK调制对应的相位矢量；φ₀为发射与接收机之间的相位差。

对接收到的复信号进行4次方非线性运算，得到：

若在码元理想采样时刻mT计算y(t)的相位矢量，则有：

Φ(mT)＝2π(4f_s)mT+2πm+φ′₀，m＝0，1，2...

上式中等号右边的第二项为2π的整数倍，第三项φ′₀为常数，因此对中(mT)的变换可以忽略。由等号右边的第一项2π(4f_s)mT可知，其相邻码元都以固定的2π(4f_s)T相位增加，可以认为信号的归一化频率为：

f_s为码元速率的正弦信号。由此可见，归一化频率为频率误差的4倍。因此，以理想码元采样后的信号4次方非线性运算后，得到的信号含有固定频率分量的成分，该频率分量是归一化频率误差的4倍。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，步骤1)具体为：以T_s为周期用A/D采样得到数字中频信号r_IF(nT_s)。

进一步，步骤2)具体为：将步骤1)得到的数字中频信号r_IF(nT_s)与DDS产生离散复正弦信号

进行复共轭相乘，从而完成正交下变频处理，得到复数基带信号r_BB(nT_s)，也即

其中，f_IF为中频频率。

进一步，步骤3)具体为：对步骤2)得到的复数基带信号进行CIC和半带抽取，输出采样速率为4倍符号速率的基带信号，基带信号一路送到突发检测模块，另一路则以固定延时D进行缓存

采用上述实施方案，可以有效提高基带信号处理的效率。

进一步，步骤4)具体为：利用本地存储的AIS训练序列，对4倍符号速率的基带信号进行相关搜索，一旦相关值超过预设门限则认为有效突发。

进一步，步骤5)具体为：利用突发检测的定时相位，对基带信号进行4次方非线性运算，得到y(mT)数字信号，对y(mT)进行N点FFT运算，得到其频域离散谱

搜索

离散谱，在±10％的频偏范围内搜索局部最大峰值，该峰值即为频率误差的4倍。

进一步，步骤6)具体为：把局部最大峰值除以4倍，得到频率控制字去控制DDS(直接数字频率合成器)，DDS输出复正弦信号与步骤3)缓存的基带信号进行复共轭相乘，即可完成频率偏差的校正。

本专利涉及的AIS接收基带信号处理运行在可编程逻辑器件(FPGA)上，利用FPGA丰富的逻辑资源和DSP乘法器资源优势，实现相干解调和Viterbi译码，带来了软件通用性和可移植性。

对于本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)A/D转换器对低中频信号采样，得到数字中频信号；

2)通过DDS对所述步骤1)得到的数字中频信号进行数字下变频，得到复数基带信号；

3)对所述步骤2)得到的复数基带信号进行抽取，把复数基带信号的处理速率从A/D采样率，降低到码元速率的X倍；所述步骤3)具体为：对所述步骤2)得到的复数基带信号进行CIC和半带抽取，输出采样速率为X倍符号速率的基带信号，基带信号一路送到突发检测模块，另一路则以固定延时D进行缓存；

4)对AIS的训练序列进行搜索，当满足一定门限后则认为有效突发起始，同时估计定时误差，所述步骤4)具体为：利用本地存储的AIS训练序列，对X倍符号速率的基带信号进行相关搜索，一旦相关值超过预设门限则认为有效突发；

5)一旦突发检测有效，则对GMSK信号进行非线性运算，并对运算结果进行FFT运算，用以估计频率误差估计；所述步骤5)具体为：利用突发检测的定时相位，对基带信号进行4次方非线性运算，得到y(mT)数字信号，对y(mT)进行N点FFT运算，得到其频域离散谱

搜索

离散谱，在±10％的频偏范围内搜索局部最大峰值，该峰值即为频率误差的4倍；

6)用估计的频率误差对延时后的缓存数据进行校正；

7)对频率校正后的信号进行定时误差校正，以恢复出每个码元的理想采样值；

8)对定时同步后的码元进行载波相位同步，恢复出与发射机同频同相的本地载波，以实现相干解调；

9)对相干解调后的码元进行Viterbi译码，得到基带帧比特流，从而完成在AWGN信道下的最优检测功能。

2.根据权利要求1所述的AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：以T_s为周期用A/D采样得到数字中频信号r_IF(nT_s)。

3.根据权利要求2所述的AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：将所述步骤1)得到的数字中频信号r_IF(nT_s)与DDS产生离散复正弦信号

进行复共轭相乘，从而完成正交下变频处理，得到复数基带信号r_BB(nT_s)，也即

其中，f_IF为中频频率。

4.根据权利要求1所述的AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法，其特征在于，所述步骤6)具体为：把局部最大峰值除以4倍，得到频率控制字去控制DDS，DDS输出复正弦信号与所述步骤3)缓存的基带信号进行复共轭相乘，即可完成频率偏差的校正。

5.根据权利要求1-4任一项所述的AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法，其特征在于，所述X可为4、8、16中的任一数值。

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