CN113242199A - 自动识别系统载波恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自动识别系统载波恢复方法，现有相干解调方法应用于突发通信时，存在载波恢复精度不足的缺陷。本发明设计如下：首先对采样后的导频序列进行平方后分别进行带通滤波；接着对滤波之后的两个序列分别进行鉴相，将鉴相输出经环路滤波器之后送到各自数控振荡器中以调整各自本振相位；而后将带通滤波之后的两个序列再倒序排列，利用调整后的相位再次构造本振并对倒序后的序列重新鉴相后继续调整本振相位，如此重复多次；最终将两路调整后的本振经过二分频后进行加减组合，完成I/Q两路载波的恢复。

Description

自动识别系统载波恢复方法
技术领域
本发明属通信技术领域，具体涉及一种自动识别系统(AIS)的通信载波恢复方法。
背景技术
AIS系统是一种突发通信方式，信号是非连续且非周期性的，采用GMSK调制方式。由于GMSK的包络既没有尖锐的边缘也没有拐点，因此具有很好的抗干扰特性和较高的频带利用率。
传统的GMSK解调方式分为非相干解调和相干解调。非相干解调实现方法简单，无需载波恢复即可完成信号解调，但其抗干扰能力与相干解调方式相比，存在较大差距，特别是在船舶通信领域，需要较长时间工作在低信噪比条件下，而传统的GMSK解调方式却不适用于在低信噪比条件下工作的通信系统。相干解调性能优良，但难点在于载波恢复。常用的载波恢复方法因锁定时间较长，不适合突发通信，从而在应用于突发通信时会存在载波频率及相位恢复精度不足的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于解决上述方法的缺点和不足，提出一种适用于AIS突发通信方式下高精度的载波恢复方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自动识别系统载波恢复方法，包括以下步骤：
步骤一、设AIS系统接收信号中导频部分x(t)的表达式如式(1)所示；
x(t)＝cos[2πfct+φ(t)+θ0] (1)；
式(1)中，fc为载波频率，t为通信时间，φ(t)为GMSK调制相位函数，θ0为载波初始相位；将x(t)以Ts为采样周期进行采样，得到x(t)的时间离散形式如下：
x(i)＝cos[2πfciTs+φ(i)+θ0] (2)；
式(2)中，i＝1,2,3…N，N为导频部分的采样点数，Ts满足Ts＝Tb/P，P为过采样倍数，Tb为码元周期；
步骤二、将x(i)平方后得到y(i)；
Figure BDA0003048401170000021
步骤三、将y(i)分别通过中心频率为fl和fh，带宽为1/Tb的带通滤波器，滤波输出分别得到yl(i)和yh(i)；其中fl＝2fc-1/(2Tb)，fh＝2fc+1/(2Tb)；
步骤四、将fl作为接收机本地数控振荡器的初始值，按照式(4)构造本振输出的同相分量ulI(i)和正交分量ulQ(i)，并设置符号系数S＝1；
Figure BDA0003048401170000022
式(4)中，
Figure BDA0003048401170000023
表示本振信号的初始随机相位；
步骤五、将yl(i)与ulQ(i)相乘后通过低通滤波器滤除2fc+fl分量后得到误差信号err(i)；
步骤六、将err(i)送入环路滤波器和数控振荡器调整本地相位；K1和K2为滤波器参数，Z-1为单位时间延迟；K1，K2计算公式如式(5)所示；
Figure BDA0003048401170000024
式(5)中，ξ为环路阻尼系数，ωn为环路的自然角频率，Ts为采样周期；通常情况下，阻尼系数ξ取0.25<ξ<1；ξ越大，系统越稳定，但ξ的增大将增加过渡时间，降低系统的跟踪速度；环路自然角频率ωn由环路噪声带宽Bb和阻尼系数ξ决定，Bb＝1/Tb，ωn计算公式如式(6)所示；
Figure BDA0003048401170000025
按式(7)计算环路滤波后的输出A(i)，B(i)为计算过程的中间变量，设B(0)＝0；
Figure BDA0003048401170000031
步骤七、完成相位更新：
Figure BDA0003048401170000032
步骤八、将y(i)序列进行倒序排列，并将符号系数S极性取反，按式(9)重新构造本振信号，返回至步骤五；如此反复m次后进入步骤九，m取值范围为6～10，具体数值由载波恢复的精度要求和处理时间决定；
Figure BDA0003048401170000033
步骤九、将环路滤波器和数控振荡器的输出结果ulI(i)经过二分频得到
Figure BDA0003048401170000034
步骤十、将频率fh作为本地数控振荡器的初始值，输入的信号改为yh(i)，并按式(10)构造本振输出的同相分量uhI(i)和正交分量uhQ(i)，其中，
Figure BDA0003048401170000035
表示本振信号的初始随机相位；然后将yh(i)按照步骤五至步骤九中的参数yl(i)的处理方法进行计算，得到
Figure BDA0003048401170000036
Figure BDA0003048401170000037
步骤十一、xI(i)和xQ(i)相加得到恢复的I路载波，如式(11)所示：
Figure BDA0003048401170000038
xI(i)和xQ(i)相减得到恢复的Q路载波，如式(12)所示：
Figure BDA0003048401170000039
自动识别系统载波恢复方法执行完成。
本发明具有的有益效果是：本发明针对突发通信体制，本发明所提的载波恢复方法具有恢复精度高的优点，能够完成对载波频率与相位的精确同步和跟踪，解决了相干解调方法用于突发通信所带来的处理效果不佳的缺陷。
附图说明
图1为数字环路滤波器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
一种自动识别系统载波恢复方法，适用于如说明书附图所述的数字环路滤波器，包括以下步骤：
步骤一、设AIS系统接收信号中导频部分x(t)的表达式如式(1)所示；
x(t)＝cos[2πfct+φ(t)+θ0] (1)；
式(1)中，fc为载波频率，t为通信时间，φ(t)为GMSK调制相位函数，θ0为载波初始相位；将x(t)以Ts为采样周期进行采样，得到x(t)的时间离散形式如下：
x(i)＝cos[2πfciTs+φ(i)+θ0] (2)；
式(2)中，i＝1,2,3…N，N为导频部分的采样点数，Ts满足Ts＝Tb/P，P为过采样倍数，Tb为码元周期；
步骤二、将x(i)平方后得到y(i)；
Figure BDA0003048401170000041
步骤三、将y(i)分别通过中心频率为fl和fh，带宽为1/Tb的带通滤波器，滤波输出分别得到yl(i)和yh(i)；其中fl＝2fc-1/(2Tb)，fh＝2fc+1/(2Tb)；
步骤四、将fl作为接收机本地数控振荡器的初始值，按照式(4)构造本振输出的同相分量ulI(i)和正交分量ulQ(i)，并设置符号系数S＝1；
Figure BDA0003048401170000051
式(4)中，
Figure BDA0003048401170000052
表示本振信号的初始随机相位；
步骤五、将yl(i)与ulQ(i)相乘后通过低通滤波器滤除2fc+fl分量后得到误差信号err(i)；
步骤六、将err(i)送入环路滤波器和数控振荡器调整本地相位；K1和K2为滤波器参数，Z-1为单位时间延迟；K1，K2计算公式如式(5)所示；
Figure BDA0003048401170000053
式(5)中，ξ为环路阻尼系数，ωn为环路的自然角频率，Ts为采样周期；通常情况下，阻尼系数ξ取0.25<ξ<1；ξ越大，系统越稳定，但ξ的增大将增加过渡时间，降低系统的跟踪速度；环路自然角频率ωn由环路噪声带宽Bb和阻尼系数ξ决定，Bb＝1/Tb，ωn计算公式如式(6)所示；
Figure BDA0003048401170000054
按式(7)计算环路滤波后的输出A(i)，B(i)为计算过程的中间变量，设B(0)＝0；
Figure BDA0003048401170000055
步骤七、完成相位更新：
Figure BDA0003048401170000056
步骤八、将y(i)序列进行倒序排列，并将符号系数S极性取反，按式(9)重新构造本振信号，返回至步骤五；如此反复m次后进入步骤九，m取值范围为6～10，具体数值由载波恢复的精度要求和处理时间决定；
Figure BDA0003048401170000061
步骤九、将环路滤波器和数控振荡器的输出结果ulI(i)经过二分频得到
Figure BDA0003048401170000062
步骤十、将频率fh作为本地数控振荡器的初始值，输入的信号改为yh(i)，并按式(10)构造本振输出的同相分量uhI(i)和正交分量uhQ(i)，其中，
Figure BDA0003048401170000063
表示本振信号的初始随机相位；然后将yh(i)按照步骤五至步骤九中的参数yl(i)的处理方法进行计算，得到
Figure BDA0003048401170000064
Figure BDA0003048401170000065
步骤十一、xI(i)和xQ(i)相加得到恢复的I路载波，如式(11)所示：
Figure BDA0003048401170000066
xI(i)和xQ(i)相减得到恢复的Q路载波，如式(12)所示：
Figure BDA0003048401170000067
自动识别系统载波恢复方法执行完成。
本实施例针对突发通信体制，本发明所提的载波恢复方法具有恢复精度高的优点，能够完成对载波频率与相位的精确同步和跟踪，解决了相干解调方法用于突发通信所带来的处理效果不佳的缺陷。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (1)

1.一种自动识别系统载波恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设AIS系统接收信号中导频部分x(t)的表达式如式(1)所示；
x(t)＝cos[2πfct+φ(t)+θ0] (1)；
式(1)中，fc为载波频率，t为通信时间，φ(t)为GMSK调制相位函数，θ0为载波初始相位；将x(t)以Ts为采样周期进行采样，得到x(t)的时间离散形式如下：
x(i)＝cos[2πfciTs+φ(i)+θ0] (2)；
式(2)中，i＝1,2,3…N，N为导频部分的采样点数，Ts满足Ts＝Tb/P，P为过采样倍数，Tb为码元周期；
步骤二、将x(i)平方后得到y(i)；
Figure FDA0003048401160000011
步骤三、将y(i)分别通过中心频率为fl和fh，带宽为1/Tb的带通滤波器，滤波输出分别得到yl(i)和yh(i)；其中fl＝2fc-1/(2Tb)，fh＝2fc+1/(2Tb)；
步骤四、将fl作为接收机本地数控振荡器的初始值，按照式(4)构造本振输出的同相分量ulI(i)和正交分量ulQ(i)，并设置符号系数S＝1；
Figure FDA0003048401160000012
式(4)中，
Figure FDA0003048401160000013
表示本振信号的初始随机相位；
步骤五、将yl(i)与ulQ(i)相乘后通过低通滤波器滤除2fc+fl分量后得到误差信号err(i)；
步骤六、将err(i)送入环路滤波器和数控振荡器调整本地相位；K1和K2为滤波器参数，Z-1为单位时间延迟；K1，K2计算公式如式(5)所示；
Figure FDA0003048401160000021
式(5)中，ξ为环路阻尼系数，ωn为环路的自然角频率，Ts为采样周期；通常情况下，阻尼系数ξ取0.25<ξ<1；ξ越大，系统越稳定，但ξ的增大将增加过渡时间，降低系统的跟踪速度；环路自然角频率ωn由环路噪声带宽Bb和阻尼系数ξ决定，Bb＝1/Tb，ωn计算公式如式(6)所示；
Figure FDA0003048401160000022
按式(7)计算环路滤波后的输出A(i)，B(i)为计算过程的中间变量，设B(0)＝0；
Figure FDA0003048401160000023
步骤七、完成相位更新：
Figure FDA0003048401160000024
步骤八、将y(i)序列进行倒序排列，并将符号系数S极性取反，按式(9)重新构造本振信号，返回至步骤五；如此反复m次后进入步骤九，m取值范围为6～10，具体数值由载波恢复的精度要求和处理时间决定；
Figure FDA0003048401160000025
步骤九、将环路滤波器和数控振荡器的输出结果ulI(i)经过二分频得到
Figure FDA0003048401160000026
步骤十、将频率fh作为本地数控振荡器的初始值，输入的信号改为yh(i)，并按式(10)构造本振输出的同相分量uhI(i)和正交分量uhQ(i)，其中，
Figure FDA0003048401160000027
表示本振信号的初始随机相位；然后将yh(i)按照步骤五至步骤九中的参数yl(i)的处理方法进行计算，得到
Figure FDA0003048401160000031
Figure FDA0003048401160000032
步骤十一、xI(i)和xQ(i)相加得到恢复的I路载波，如式(11)所示：
Figure FDA0003048401160000033
xI(i)和xQ(i)相减得到恢复的Q路载波，如式(12)所示：
Figure FDA0003048401160000034
自动识别系统载波恢复方法执行完成。
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