CN114157545B - 一种vdes系统中的16qam解调系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种VDES系统中的16QAM解调系统和方法。该系统包括匹配滤波器、位同步模块、延迟处理模块、检测估计模块、解旋环模块、解模糊模块和寻找帧头模块，匹配滤波器对AD输出的零中频信号I和Q进行匹配滤波处理；位同步模块将滤波后的信号进行位同步处理；检测估计模块对同步后的信号做相关检测，进行频偏相偏估计；延迟处理模块对位同步后的信号进行延迟处理，当检测到频偏估计值捕获信号拉高后开关打开；解旋环模块进行旋转变化，得到消除多普勒频移后的信号；解模糊模块再将旋转变换后的信号进行解模糊；寻找帧头模块找帧头将信号解调出来。本发明通过充分利用整个信号信息，大大提高了信息传输的有效性，从而提高船舶之间的通信性能。

Description

一种VDES系统中的16QAM解调系统和方法
技术领域
本发明涉及海事通信技术领域，具体涉及VDES系统中的16QAM解调系统和方法。
背景技术
近年来，随着海上通信业务需求的不断扩展，AIS系统在一些繁忙区域出现了数据链路负载现象，会导致信息不能及时接收和接收错误等问题的发生，影响船舶的安全行驶。因此对AIS系统的升级至关重要。
VDES(甚高频数据交换系统)是一种船舶通信系统，是针对AIS的升级和加强系统。在VDES系统中，由于移动船舶之间通信的数据量比较大，会影响船舶之间的通信性能。
不同的调制方式都有对应的解调方式。三种基本的数字调制方式单独使用幅度、频率和相位携带的信息，不能充分的利用信号平面，且浪费频谱资源。16QAM是一种相位和振幅都携带的高效的数字调制方式，可以充分利用整个信号平面，从而大大提高了信息传输的有效性，同时具有很高的频谱利用率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种VDES系统中的16QAM解调系统和方法，通过充分利用整个信号信息，大大提高了信息传输的有效性，从而提高船舶之间的通信性能。
具体而言，本发明提供了的一种VDES系统中的16QAM解调系统，其特征在于，其包括匹配滤波器、位同步模块、延迟处理模块、检测估计模块、解旋环模块、解模糊模块和寻找帧头模块，
匹配滤波器对AD输出的零中频信号I和Q进行匹配滤波处理；
位同步模块将滤波后的信号采用Gardner算法进行位同步处理；
检测估计模块对同步后的信号做相关检测，并在检测到训练序列后，利用训练序列消除符号的影响进行频偏相偏估计；
延迟处理模块将位同步后的信号延迟用于训练序列检测、频偏相偏估计所消耗掉的数据长度，当检测到频偏估计值捕获信号拉高后开关打开，将延迟后的信号送至旋转模块；
解旋环模块在检测到频偏估计值捕获信号拉高后，旋转NCO进行频偏、相偏补偿，纠正较大的偏差，剩余微小的频相偏差由解旋环跟踪得到，解旋环打开，此时进入跟踪环路处理的信号为I(n-τ)和Q(n-τ)，τ为用于训练序列检测、频偏相偏估计所消耗掉的数据长度，然后进行旋转变化，得到消除多普勒频移后的信号；
解模糊模块再将旋转变换后的信号进行解模糊；
寻找帧头模块对解模糊后的信号进行判决用以寻找帧头，帧头后面的信号即是信息信号，将其作为输出送给外部模块，从而将信号解调出来。
进一步的是，其采用与VDES系统中的发送端成型滤波器频谱特性一致的匹配滤波器，都为滚降系数相同的根升余弦滤波器。
进一步的是，所述解旋环模块包括旋转模块、旋转NCO、环路滤波器模块和鉴相器，旋转模块旋转后的信号经过鉴相器，鉴相器采用对角线极性判决法和DD算法相结合的方法进行鉴相处理，并将鉴相误差经环路滤波器后送给旋转NCO，继续不断旋转，最终会达到解旋环锁定的状态，此时鉴相器输出在0附近。
本发明还提供了一种VDES系统中的16QAM解调方法，其特征在于，其包括下述步骤：
步骤1：通过匹配滤波器对AD输出的零中频信号I和Q进行匹配滤波处理；
步骤2：将滤波后的信号进行位同步处理；
步骤3：对位同步后的信号做相关检测，并在检测到训练序列后，利用训练序列消除符号的影响进行频偏估计和相偏估计，得到频偏相偏估计值，在得到频偏相偏估计值后，将频偏相偏估计值送给解旋环中的旋转NCO作为其频率控制字、相位控制字的初始值，同时拉高频偏估计值捕获信号；
步骤4：在检测到频偏估计值捕获信号拉高后，旋转NCO进行频偏、相偏补偿，纠正较大的偏差，剩余微小的频相偏差由解旋环跟踪得到，解旋环打开，此时进入跟踪环路处理的信号为I(n-τ)和Q(n-τ)，τ为用于训练序列检测、频偏相偏估计所消耗掉的数据长度，然后进行旋转变化，得到消除多普勒频移后的信号；
步骤5：将旋转变换后的信号进行解模糊；
步骤6：对解模糊后的信号进行判决用以寻找帧头，帧头后面的信号即是信息信号，将其作为输出送给外部模块，从而将信号解调出来。
进一步的是，步骤1所述匹配滤波器与VDES系统中的发射端的成型滤波器的频谱特性一致，都采用滚降系数相同的根升余弦滤波器。
进一步的是，步骤2进行位同步处理时，采用Gardner算法的码元同步方案。
进一步的是，步骤3采用基于相邻差分的L&W算法进行频偏估计和相偏估计。
进一步的是，步骤4中跟踪环路采用对角线极性判决法和DD算法进行鉴相处理，并将鉴相误差经环路滤波器后送给旋转NCO。
进一步的是，步骤5中将部分长度的旋转后的数据进行模糊值的求取，得到模糊值后，拉高模糊值捕获信号，并利用求得的模糊值得到解模糊后的信号。
进一步的是，步骤5中，部分长度为8，从第36个符号开始取8个长度的符号数据。
本发明的技术优势在于：通过充分利用整个信号信息，大大提高了信息传输的有效性，从而提高船舶之间的通信性能。
附图说明
图1为本发明的VDES系统中的16QAM解调系统的结构框图。
图2为本发明的VDES系统中的16QAM解调系统和方法的关键信号时序图。
图3为本发明的VDES系统中16QAM解调方法的自适应门限检测结构。
图4为本发明的VDES系统中的16QAM解调系统和方法的解模糊模块的流程图。
图5为本发明的VDES系统中的16QAM解调系统和方法的寻找帧头中判决输出模块的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种VDES系统中的16QAM解调系统和方法，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本方案的总体结构框图见图1。图1为本发明的VDES系统中的16QAM 解调系统的结构框图。如图1所示，本发明的本发明提供了一种VDES系统中的16QAM解调系统，其包括匹配滤波器、位同步模块、延迟处理模块、检测估计模块、解旋环模块、解模糊模块和寻找帧头模块。
因为VDES系统中的AD芯片完成了正交下变频的工作，所以进入带有本发明的16QAM解调系统的数字接收机的是两路零中频信号I和Q。本系统设计采用与VDES系统中的发送端成型滤波器频谱特性一致的匹配滤波器，都为滚降系数相同的根升余弦滤波器。
匹配滤波器对AD输出的零中频信号I和Q进行匹配滤波处理；
位同步模块将滤波后的信号采用Gardner算法进行位同步处理；
检测估计模块对同步后的信号做相关检测，并在检测到训练序列后，利用训练序列消除符号的影响进行频偏相偏估计，在得到频偏相偏估计值后，将频偏相偏估计值送给解旋环中的旋转NCO作为其频率控制字、相位控制字的初始值，由于相偏估计值捕获信号滞后于频偏估计值捕获信号，所以同时拉高频偏估计值捕获信号；
延迟处理模块将位同步后的信号延迟用于训练序列检测、频偏相偏估计所消耗掉的数据长度，当检测到频偏估计值捕获信号拉高后开关打开，将延迟后的信号送至旋转模块；
解旋环模块在检测到频偏估计值捕获信号拉高后，旋转NCO进行频偏、相偏补偿，纠正较大的偏差，剩余微小的频相偏差由解旋环跟踪得到，解旋环打开，此时进入跟踪环路处理的信号为I(n-τ)和Q(n-τ)，τ为用于训练序列检测、频偏相偏估计所消耗掉的数据长度，然后进行旋转变化，得到消除多普勒频移后的信号；
解模糊模块再将旋转变换后的信号进行解模糊；
寻找帧头模块对解模糊后的信号进行判决用以寻找帧头，帧头后面的信号即是信息信号，将其作为输出送给外部模块，从而将信号解调出来。
解旋环模块如图1中的虚线部分，包括旋转模块、旋转NCO、环路滤波器模块和鉴相器。旋转模块旋转后的信号经过鉴相器，鉴相器采用对角线极性判决法和DD算法相结合的方法进行鉴相处理，并将鉴相误差经环路滤波器后送给旋转NCO，继续不断旋转，最终会达到解旋环锁定的状态(此时鉴相器输出在0附近)。旋转模块就是跟踪接收信号的偏移值并将其逆向旋转的过程。
本发明还提供了一种VDES系统中的16QAM解调方法，其包括下述步骤：
步骤1：通过匹配滤波器对AD输出的零中频信号I和Q进行匹配滤波处理。可以的是，匹配滤波器与VDES系统中的发射端的成型滤波器的频谱特性一致，都采用滚降系数相同的根升余弦滤波器。
步骤2：将滤波后的信号进行位同步处理。在一个实施方式当中，对经匹配滤波后的两路基带信号进行位同步处理，采用Gardner算法，将输入速率为 4倍符号速率的基带数据转化为输出速率为符号速率的最佳采样点数据。
步骤3：对位同步后的信号做相关检测，并在检测到训练序列后，利用训练序列消除符号的影响进行频偏估计和相偏估计，在得到频偏相偏估计值后，将频偏相偏估计值送给解旋环中的旋转NCO作为其频率控制字、相位控制字的初始值，同时拉高频偏估计值捕获信号。
上述相关检测的方法可以是通过将接收序列与本地滤波器系数(本地滤波器系数对应训练序列的共轭)做相关匹配来检测帧头。由于训练序列的调制方式为BPSK，参照BPSK的符号映射规则，本地滤波器系数只有0(1-j) 和1(-1+j)两种，因此每个输入的接收数据与本地滤波器系数的乘法运算可以由加减运算来代替，从而可以节省乘法器核资源。。
将该方法得到的相关检测器输出模值的平方作为判决量与门限值进行判决，当相关检测器输出模值的平方大于门限值时认为检测到对应训练序列的帧头。实际接收系统中，信号的动态范围很大，因此采用固定门限来检测相关结果的方法是不科学的，本发明采用雷达领域恒虚警检测的结构来得到自适应门限，其自适应门限检测结构见附图3。
图3为本发明的VDES系统中16QAM解调方法的自适应门限检测结构。参见附图3，将相关检测器输出模值的平方送至缓冲器中，假设当前需要与门限判决的值存放在ZR单元(被检测单元)里，则此时的自适应门限由被测单元之前的R-1个参考单元值与被测单元之后的R-1个参考单元值共同计算得出，本发明采用取均值的方法来得到基底功率。将得到的基底功率乘以一个门限因子p即可得到自适应门限值，门限因子p的选取可以通过实际仿得到。
在一个实施方式当中，可以采用基于相邻点差分的L&W估计算法进行频偏估计和相偏估计。
步骤4：图2为本发明的VDES系统中的16QAM解调系统和方法的关键信号时序图，参见图2，当检测到频偏估计值捕获信号拉高后，旋转NCO进行频偏、相偏补偿，纠正较大的偏差，剩余微小的频相偏差由解旋转环跟踪得到，解旋环打开，此时进入跟踪环路处理的信号为I(n-τ)和Q(n-τ)。τ为用于训练序列检测、频偏相偏估计所消耗掉的数据长度，然后进行旋转变化，得到消除多普勒频移后的信号。在一个实施方式当中，跟踪环路的处理为采用对角线极性判决法和DD算法相结合的方法进行鉴相处理(先采用对角线极性判决法进行载波的捕获，然后转为采用DD算法进行载波的跟踪)，并将行鉴相误差经环路滤波器后送给旋转NCO。
步骤5：将旋转变换后的信号进行解模糊。在一个实施方式当中，将部分长度的旋转后的数据进行模糊值的求取，得到模糊值后，拉高模糊值捕获信号，并利用求得的模糊值得到解模糊后的信号。在一个实施方式当中，部分长度为8，由于基于对角线极性判决算法的捕获速度很快，可以认为54个训练序列中从第36个训练符号开始载波已经跟踪稳定，因此从第36个符号开始取8个长度的符号数据。
图4为本发明的VDES系统中的16QAM解调系统和方法的解模糊模块的流程图。如图4所示，解模糊模块的流程如下：
(1)模块工作在初始状态，同时在模块内部设置一个计数器(初值为0)，当检测到训练序列起始信号拉高后，计数器开始计数，同时进入等待状态。
(2)当计数器值大于36时，进入相关处理状态。基带16QAM信号和与其对应的训练序列值的共轭进行相关累加处理，当相关处理的长度达到8时，此时对应的计数器的值为44，可输出累加器的结果，并跳入输出状态。
(3)在输出状态中，对累加器的结果进行判决即可得到模糊值。
(4)输出完成后，回到初始状态。
步骤6：对解模糊后的信号进行判决用以寻找帧头，帧头后面的信号即是信息信号，将其作为输出送给外部模块，从而将信号解调出来。由于训练符号的调制方式为BPSK，因此若星座点信息在第一象限，则将该符号判决为 BPSK符号的0；若星座点信息在第三象限，则将符号判决为BPSK符号的1。将得到的判决符号与帧头序列进行比较，若其与帧头序列一致，则认为帧头后面的星座点信息即为数据信息。
图5为本发明的VDES系统中的16QAM解调系统和方法的寻找帧头中判决输出模块的流程图。如图5所示，判决输出模块的流程如下：
(1)系统最初工作在初始状态下。初始状态时，判决后的BPSK符号信息将被存入寄存器，同时寄存器的值与帧头序列进行比较，当两者相同时，认为检测到帧头，并进入写数据状态，否则一直处于初始状态下。若长时间未检测到帧头，将跳入清零状态。
(2)在写数据状态下，将星座信息值写入与外部模块联系的fifo中，直到所有的符号写完后，进入清零状态。
(3)在清零状态下，判决输出模块中相应寄存器变量都将清零，并输出一个脉冲信号用来表示此帧的解调过程已结束。
(4)回到初始状态开始新一帧数据的处理。
实施例
步骤1：通过匹配滤波器对AD输出的零中频信号I和Q进行匹配滤波处理。这个匹配滤波器与VDES系统中的发射端成型滤波器频谱特性一致，均采用滚降系数一致的根升余弦滤波器。
步骤2：对匹配滤波后的信号进行位同步处理，得到位同步信号。进行位同步处理时，采用Gardner算法的码元同步方案。
步骤3：对位同步后的信号做相关检测，找到接收信号中的训练序列，之后利用训练序列消除符号的影响进行频偏估计和相偏估计，得到频偏相偏估计值。在得到频偏相偏估计值后，将估计值送给解旋环中的旋转NCO作为其频率控制字、相位控制字的初始值，同时拉高频偏估计值捕获信号。采用基于相邻差分的L&W算法进行频偏估计和相偏估计。
步骤4：当检测到频偏估计值捕获信号拉高后，旋转NCO进行频偏、相偏补偿，纠正较大的偏差，剩余微小的频相偏差由解旋转环跟踪得到，跟踪环(解旋环)打开，此时进入跟踪环路处理的信号为I(n-τ)和Q(n-τ)。τ为用于训练序列检测、频偏相偏估计所消耗掉的数据长度。然后进行旋转变化，得到消除多普勒频偏后的信号。这里的跟踪环路采用对角线极性判决法和DD算法进行鉴相处理，并将鉴相误差经环路滤波器后送给旋转NCO。
步骤5：将部分长度的旋转后的数据进行模糊值的求取，得到模糊值后，拉高模糊值捕获信号，并利用求得的模糊值得到解模糊后的信号。
步骤6：对解模糊后的信号进行判决用以寻找帧头，帧头后面的信号即是信息信号，将其作为输出送给外部模块。
需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种VDES系统中的16QAM解调系统，其特征在于，其包括匹配滤波器、位同步模块、延迟处理模块、检测估计模块、解旋环模块、解模糊模块和寻找帧头模块，
匹配滤波器对AD输出的零中频信号I和Q进行匹配滤波处理；
位同步模块将滤波后的信号采用Gardner算法进行位同步处理；
检测估计模块对同步后的信号做相关检测，并在检测到训练序列后，利用训练序列消除符号的影响进行频偏相偏估计；
延迟处理模块将位同步后的信号延迟用于训练序列检测、频偏相偏估计所消耗掉的数据长度，当检测到频偏估计值捕获信号拉高后开关打开，将延迟后的信号送至旋转模块；
解旋环模块在检测到频偏估计值捕获信号拉高后，旋转NCO进行频偏、相偏补偿，纠正较大的偏差，剩余微小的频相偏差由解旋环跟踪得到，解旋环打开，此时进入跟踪环路处理的信号为I(n-τ)和Q(n-τ)，τ为用于训练序列检测、频偏相偏估计所消耗掉的数据长度，然后进行旋转变化，得到消除多普勒频移后的信号；
解模糊模块再将旋转变换后的信号进行解模糊；
寻找帧头模块对解模糊后的信号进行判决用以寻找帧头，帧头后面的信号即是信息信号，将其作为输出送给外部模块，从而将信号解调出来。
2.如权利要求1所述的VDES系统中的16QAM解调系统，其特征在于，其采用与VDES系统中的发送端成型滤波器频谱特性一致的匹配滤波器，都为滚降系数相同的根升余弦滤波器。
3.如权利要求1所述的VDES系统中的16QAM解调系统，其特征在于，所述解旋环模块包括旋转模块、旋转NCO、环路滤波器模块和鉴相器，旋转模块旋转后的信号经过鉴相器，鉴相器采用对角线极性判决法和DD算法相结合的方法进行鉴相处理，并将鉴相误差经环路滤波器后送给旋转NCO，继续不断旋转，最终会达到解旋环锁定的状态，此时鉴相器输出在0附近。
4.一种VDES系统中的16QAM解调方法，其特征在于，其包括下述步骤：
步骤1：通过匹配滤波器对AD输出的零中频信号I和Q进行匹配滤波处理；
步骤2：将滤波后的信号进行位同步处理；
步骤3：对位同步后的信号做相关检测，并在检测到训练序列后，利用训练序列消除符号的影响进行频偏估计和相偏估计，得到频偏相偏估计值，在得到频偏相偏估计值后，将频偏相偏估计值送给解旋环中的旋转NCO作为其频率控制字、相位控制字的初始值，同时拉高频偏估计值捕获信号；
步骤4：在检测到频偏估计值捕获信号拉高后，旋转NCO进行频偏、相偏补偿，纠正较大的偏差，剩余微小的频相偏差由解旋环跟踪得到，解旋环打开，此时进入跟踪环路处理的信号为I(n-τ)和Q(n-τ)，τ为用于训练序列检测、频偏相偏估计所消耗掉的数据长度，然后进行旋转变化，得到消除多普勒频移后的信号；
步骤5：将旋转变换后的信号进行解模糊；
步骤6：对解模糊后的信号进行判决用以寻找帧头，帧头后面的信号即是信息信号，将其作为输出送给外部模块，从而将信号解调出来。
5.如权利要求4所述的VDES系统中的16QAM解调方法，其特征在于，步骤1所述匹配滤波器与VDES系统中的发射端的成型滤波器的频谱特性一致，都采用滚降系数相同的根升余弦滤波器。
6.如权利要求4所述的VDES系统中的16QAM解调方法，其特征在于，步骤2进行位同步处理时，采用Gardner算法的码元同步方案。
7.如权利要求4所述的VDES系统中的16QAM解调方法，其特征在于，步骤3采用基于相邻差分的L&W算法进行频偏估计和相偏估计。
8.如权利要求4所述的VDES系统中的16QAM解调方法，其特征在于，步骤4中跟踪环路采用对角线极性判决法和DD算法进行鉴相处理，并将鉴相误差经环路滤波器后送给旋转NCO。
9.如权利要求4所述的VDES系统中的16QAM解调方法，其特征在于，步骤5中将部分长度的旋转后的数据进行模糊值的求取，得到模糊值后，拉高模糊值捕获信号，并利用求得的模糊值得到解模糊后的信号。
10.如权利要求9所述的VDES系统中的16QAM解调方法，其特征在于，步骤5中，部分长度为8，从第36个符号开始取8个长度的符号数据。
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