CN111130703A

CN111130703A - 一种asm信号的相干解调方法及装置

Info

Publication number: CN111130703A
Application number: CN202010002839.4A
Authority: CN
Inventors: 周昊苏; 左惠文; 刘真富; 刘柳; 周雷; 王进; 秦夷
Original assignee: Shanghai Aerospace Electronic Communication Equipment Research Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace Electronic Communication Equipment Research Institute
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-01-02
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2040-01-02
Also published as: CN111130703B

Abstract

本发明公开了一种ASM信号的相干解调方法及装置，该方法包括步骤：检测ASM信号；对ASM信号进行同步操作并抽取码元；基于循环冗余校验纠错解码ASM信号。本发明具有误帧率低的技术特点，适合甚高频数据交换系统中未进行前向纠错编码的ASM信号解调解码，有利于进行空中非协调通信ASM信号侦察。

Description

一种ASM信号的相干解调方法及装置

技术领域

本申请涉及船舶通信技术领域，特别涉及一种ASM信号的相干解调方法及装置。

背景技术

随着船舶自动识别系统(AIS)应用的巨大成功以及AIS功能不断被开发，AIS的网络负载越来越大以至于损害AIS最初的避碰理念。为了保障AIS的性能，国际电信联盟WP5B组与国际助航设备和航标协会E-NAV小组举行会议讨论下一代AIS—甚高频数据交换系统(VDES)的技术方案以及发展方向。在保障AIS最高优先级的基础上，国际海事组织、国际电信联盟等组织将AIS中的应用专用消息(ASM)分离出来并为其分配新的信道(CH2027与CH2028)与调制方式(π/4QPSK)。

根据IALA G1139文件，目前ASM有七种调制编码方式，其中三种没有采用前向纠错编码。为了对远海船舶进行监管与保护，监管部门可以利用无人机搭载相关接收机对远海船舶广播信息进行监听。无人机接收远海船舶ASM信号会面临如下技术问题：无人机只是侦察并没有参与自组织时分复用区域内的通信，因而无法知道各个船舶发送ASM信号的时间以及相应的调制编码方式。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种ASM信号的相干解调方法及装置，误帧率低，适合甚高频数据交换系统中未进行前向纠错编码的ASM信号解调解码，有利于进行空中非协调通信ASM信号侦察。

为了解决上述问题，本发明提供了一种ASM信号的相干解调方法，包括如下步骤：检测ASM信号；对ASM信号进行同步操作并抽取码元；基于循环冗余校验纠错解码ASM信号。

较佳地，所述检测ASM信号包括如下步骤：截取一定长度接收信号，并确定本地调制补偿信号，将截取信号与所述本地调制补偿信号按位相乘得到第一信号，其中，信号截取长度根据ASM信号帧头结构特性确定；生成本地信号，将本地信号与所述第一信号进行相关得到第二信号；确定所述第二信号中的最高峰与次高峰的位置并进行判断：若最高峰与次高峰间隔13个码元长度，则计算最高峰和次高峰之间的信号的平均功率P1和最高峰的峰值功率P2，若P2/P1>T，则认为检测到ASM信号，T为预设阈值；否则，认为未检测到ASM信号。

较佳地，所述对ASM信号进行同步操作并抽取码元包括如下步骤：ASM帧同步；ASM信号载频估计及补偿；码元同步抽取。

较佳地，所述ASM帧同步包括如下步骤：使用已知的同步字比特重构本地同步字信号；将重构的本地同步字信号与接收信号进行差分相关运算，获取峰值位置，从而确定数据结构的起始位置。

较佳地，所述ASM信号载频估计及补偿包括如下步骤：ASM信号的载频估计；根据载频估计结果进行载频补偿，将ASM信号搬移至0频附近；对载频同步后的ASM信号进行相位估计与补偿。

较佳地，所述基于循环冗余校验纠错解码ASM信号包括如下步骤：构建循环冗余校验移位寄存器状态表及其状态转移表；初始化路径信息表与路径度量表，其中，路径信息表用于存储解码过程中状态转入的情况，路径度量表用于存储解码过程中幸存路径的度量值；设计分支度量公式和路径度量公式，求取每个状态所有可能的转出路径的分支度量及其路径度量，同时，根据状态转移表，选取每个状态的幸存转入路径，存储路径信息以及路径度量；从全‘0’状态出发，根据路径信息表回溯，获取解码序列。

较佳地，所述分支度量公式为：转移比特为1时，λ_n＝r_n；转移比特为0时，λ_n＝-r_n，其中，λ_n表示n时刻的分支度量，r_n表示n时刻的接收信号，n表示时刻n。。

较佳地，路径度量公式为：

另一方面，本发明还提供了一种ASM信号的相干解调装置，包括：ASM信号检测模块，用于检测ASM信号；ASM信号同步模块，对ASM信号进行同步操作并抽取码元；ASM信号解码模块，用于基于循环冗余校验纠错解码ASM信号。

较佳地，所述ASM信号同步模块包括：帧结构同步模块，用于对ASM信号进行帧同步操作；载频同步模块，用于对ASM信号进行载频估计及补偿；码元同步抽取模块，用于码元同步并抽取最佳采样点。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

本发明实施例将循环冗余校验纠错算法应用于ASM信号解调解码，提高了ASM信号解调解码的性能。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1为船-船之间和船-岸之间通信的ASM信号帧结构示意图；

图2为CRC-32移位寄存器结构示意图；

图3为π/4QPSK调制符号映射关系图；

图4为本发明实施例ASM信号相干解调方法流程图；

图5为本发明实施例检测ASM信号流程示意图；

图6为本发明实施例ASM信号相干解调结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的一种ASM信号的相干解调方法及装置进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

请参考图1，VDES系统中船-船之间和船-岸之间通信的ASM信号帧结构。

根据IALAG1139文件，1min被划分为2250个时隙，每个时隙约为26.67ms，由于ASM消息的符号速率为9.6kbps，因此，每个时隙的数据长度为256符号。ASM消息传输可以占用连续K个时隙。

ASM信号采用CRC-32生成多项式进行循环冗余校验，CRC-32的循环冗余校验移位寄存器结构如图2所示，其生成多项式为G(x)＝x³²+x²⁶+x²³+x²²+x¹⁶+x¹²+x¹¹+x¹⁰+x⁸+x⁹+x⁵+x⁴+x²+x+1。ASM信号采用π/4QPSK调制，其符号映射关系如图3所示，定义为：第一个符号采用的星座图为

第二个符号采用的星座图为{1+0j,0+j,-1+0j,0-j}，第三个符号采用的星座图与第一个符号一样，第四个符号采用的星座图与第二个符号一样，其他符号一直交替下去。

本实施例还提供了一种ASM信号的相干解调方法，请参考图4和图5，包括如下步骤：

S1：检测ASM信号；

ASM信号帧头结构中的同步字由Barker13和反Barker13组成，本实施例中，利用同步字的双峰特性对ASM信号进行信号检测，具体包括如下步骤：

S11：截取一定长度接收信号，并确定本地调制补偿信号，将截取信号与所述本地调制补偿信号按位相乘得到第一信号，其中，信号截取长度根据ASM信号帧头结构特性确定，本地调制补偿信号依据ASM信号调制特性确定，其长度与截取信号长度相同；

S12：根据ASM信号帧头结构生成本地信号，将本地信号与所述第一信号进行相关得到第二信号；

S13：确定所述第二信号中的最高峰与次高峰的位置并进行判断：若最高峰与次高峰间隔13个码元长度，则计算最高峰和次高峰之间的信号的平均功率P1和最高峰的峰值功率P2，若P2/P1>T，则认为检测到ASM信号，T为预设阈值；否则，认为未检测到ASM信号。

本实施例中，为了抑制虚警概率，只有连续检测到ASM信号若干次，才认为有ASM信号存在，具体次数可配置。

S2：对ASM信号进行同步操作及码元抽取，具体包括：

S21：ASM帧同步；具体地，利用同步字段的本地信号进行ASM帧同步，以确定数据结构的起始位置。本发明实施例ASM信号相干解调方法是针对ASM信号帧结构中循环冗余校验编码字段设计的，因而，需要进行ASM帧同步操作。当步骤S1中检测到ASM信号存在时，使用已知的同步字比特重构本地同步字信号并与接收信号进行差分相关运算，获取峰值位置，从而确定数据结构的起始位置，具体包括如下步骤：

S211:使用已知的同步字比特重构本地同步字信号；

S212:将重构的本地同步字信号与接收信号进行差分相关运算，获取峰值位置，从而确定数据结构的起始位置。

S22：ASM信号载频估计及补偿，本实施例中，利用同步字段的本地信号进行ASM信号载频估计并进行补偿，包括如下步骤：

S221：利用同步字进行ASM信号的载频估计；将重构的本地同步字信号、ASM接收信号以及帧结构同步结果送入载频同步模块，载频同步模块利用辅助数据进行ASM信号的载频估计；

S222：根据载频估计结果进行载频补偿，将ASM信号搬移至0频附近。

S223：对载频同步后的ASM信号进行相位估计与补偿。由于载频同步后的ASM信号仍然留有少许频偏，而相干解调需要严格的相位同步，因此，需要对载频同步后的ASM信号进行相位估计与补偿，本实施例中，采用利用锁相环电路跟踪补偿相位残差。

S23：码元同步抽取，对锁相环电路的输出信号进行码元同步，抽取最佳采样点，根据ASM信号调制特性对偶数符号进行修正，再送入基于循环冗余校验纠错的ASM信号解码模块进行解码。

S3：基于循环冗余校验纠错解码ASM信号。本实施例中，ASM信号解码模块对步骤S2输入的ASM信号进行解码：首先，根据IALAG1139文件，ASM信号采用CRC-32生成多项式进行循环冗余校验，因此，利用CRC-32循环冗余校验移位寄存器构建状态表及其状态转移表；然后，初始化路径信息表与路径度量表，将全‘1’状态的路径度量值设置为0，其余状态的路径度量值设置为负无穷大；接着，根据分支度量计算公式求取每个状态所有可能的转出路径的分支度量及其路径度量，根据状态转移表，选取每个状态的幸存转入路径，存储路径信息以及路径度量；最后，从全‘0’状态出发，根据路径信息表回溯解码。

具体地，包括以下步骤：

S31:构建循环冗余校验移位寄存器状态表及其状态转移表；根据IALA G1139文件，ASM信号采用CRC-32生成多项式进行循环冗余校验，CRC-32的生成多项式为G(x)＝x³²+x²⁶+x²³+x²²+x¹⁶+x¹²+x¹¹+x¹⁰+x⁸+x⁹+x⁵+x⁴+x²+x+1。ASM信号采用π/4QPSK调制方式，而QPSK调制信号可以分解为两路BPSK调制信号，进而，步骤S23中的最佳采样点可以分解为同相与正交两路BPSK信号进行解码。因此，只需要根据生成多项式确定一个比特(0/1)输入下，各个循环冗余校验移位寄存器状态的转移情况，构建状态表及其状态转移表。

S32:初始化路径信息表与路径度量表，其中，路径信息表用于存储解码过程中状态转入的情况；路径度量表用于存储解码过程中幸存路径的度量值；将初始时刻各个状态的度量值设置为负无穷大或者负极大值(如，-100000)。根据IALA G1139文件，CRC-32移位寄存器初始状态为0xFFFF FFFF，因而将0xFFFF FFFF状态的初始时刻度量值设置为0。

S33:设计分支度量公式和路径度量公式，求取每个状态所有可能的转出路径的分支度量及其路径度量，同时，根据状态转移表，选取每个状态的幸存转入路径，存储路径信息以及路径度量；

本实施例中，所述分支度量公式为：当转移比特为1时，λ_n＝r_n；当转移比特为0时，λ_n＝-r_n；路径度量公式为：

其中，λ_n表示n时刻的分支度量，r_n表示n时刻的接收信号，n表示时刻n。前一时刻，计算各个CRC状态可能的转移路径度量值；当前时刻，根据状态转移表确定各个CRC状态可能的转入路径，选取路径度量值最优的路径作为各个CRC状态的幸存路径，更新当前时刻各个CRC状态的路径信息表与路径度量表。

S34:从全‘0’状态出发，根据路径信息表回溯，获取解码序列。由于循环冗余校验满足如下特性：CRC([Data,CRC(Data)])＝0x00000000，因而，从CRC状态0x00000000出发，根据路径信息表回溯，获取解码序列。

请参考图6，一种ASM信号的相干解调装置，包括：

ASM信号检测模块1，用于检测ASM信号；

ASM信号同步模块2，对ASM信号进行同步操作并抽取码元；具体地，帧结构同步模块21，用于对ASM信号进行帧同步操作；载频同步模块22，用于对ASM信号进行载频估计及补偿；码元同步抽取模块23，用于码元同步并抽取最佳采样点。

ASM信号解码模块3，用于基于循环冗余校验纠错解码ASM信号。

ASM信号的相干解调装置的各模块按照上述ASM信号的相干解调方法的具体步骤对ASM信号进行解码。

本发明实施例ASM信号的相干解调装置/方法具有误帧率低的技术特点，适合甚高频数据交换系统中未进行前向纠错编码的ASM信号解调解码，有利于进行空中非协调通信ASM信号侦察。

本实施例ASM信号的相干解调方法/装置可提高ASM信号解调解码的性能。经验证，在误帧率为1×10^-2时，本实施例ASM信号的相干解调方法/装置与采用无CRC纠错的相干解调算法相比，比特信噪比至少有3dB的性能增益。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims

1.一种ASM信号的相干解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

检测ASM信号；

对ASM信号进行同步操作并抽取码元；

基于循环冗余校验纠错解码ASM信号。

2.根据权利要求1所述的ASM信号的相干解调方法，其特征在于，所述检测ASM信号包括如下步骤：

截取一定长度接收信号，并确定本地调制补偿信号，将截取信号与所述本地调制补偿信号按位相乘得到第一信号，其中，信号截取长度根据ASM信号帧头结构特性确定；

生成本地信号，将本地信号与所述第一信号进行相关得到第二信号；

确定所述第二信号中的最高峰与次高峰的位置并进行判断：若最高峰与次高峰间隔13个码元长度，则计算最高峰和次高峰之间的信号的平均功率P1和最高峰的峰值功率P2，若P2/P1>T，则认为检测到ASM信号，T为预设阈值；否则，认为未检测到ASM信号。

3.根据权利要求1所述的ASM信号的相干解调方法，其特征在于，所述对ASM信号进行同步操作并抽取码元包括如下步骤：

ASM帧同步；

ASM信号载频估计及补偿；

码元同步抽取。

4.根据权利要求3所述的ASM信号的相干解调方法，其特征在于，所述ASM帧同步包括如下步骤：

使用已知的同步字比特重构本地同步字信号；

将重构的本地同步字信号与接收信号进行差分相关运算，获取峰值位置，从而确定数据结构的起始位置。

5.根据权利要求3所述的ASM信号的相干解调方法，其特征在于，所述ASM信号载频估计及补偿包括如下步骤：

ASM信号的载频估计；

根据载频估计结果进行载频补偿，将ASM信号搬移至0频附近；

对载频同步后的ASM信号进行相位估计与补偿。

6.根据权利要求1所述的ASM信号的相干解调方法，其特征在于，所述基于循环冗余校验纠错解码ASM信号包括如下步骤：

构建循环冗余校验移位寄存器状态表及其状态转移表；

初始化路径信息表与路径度量表，其中，路径信息表用于存储解码过程中状态转入的情况，路径度量表用于存储解码过程中幸存路径的度量值；

设计分支度量公式和路径度量公式，求取每个状态所有可能的转出路径的分支度量及其路径度量，同时，根据状态转移表，选取每个状态的幸存转入路径，存储路径信息以及路径度量

从全‘0’状态出发，根据路径信息表回溯，获取解码序列。

7.根据权利要求6所述的ASM信号的相干解调方法，其特征在于，所述分支度量公式为：转移比特为1时，λ_n＝r_n；转移比特为0时，λ_n＝-r_n，其中，λ_n表示n时刻的分支度量，r_n表示n时刻的接收信号，n表示时刻n。

8.根据权利要求6所述的ASM信号的相干解调方法，其特征在于，路径度量公式为：

9.一种ASM信号的相干解调装置，其特征在于，包括：

ASM信号检测模块，用于检测ASM信号；

ASM信号同步模块，对ASM信号进行同步操作并抽取码元；

ASM信号解码模块，用于基于循环冗余校验纠错解码ASM信号。

10.根据权利要求9所述的ASM信号的相干解调装置，其特征在于，所述ASM信号同步模块包括：

帧结构同步模块，用于对ASM信号进行帧同步操作；

载频同步模块，用于对ASM信号进行载频估计及补偿；

码元同步抽取模块，用于码元同步并抽取最佳采样点。