CN114205200B - 一种实现vdes系统帧头捕获和载波同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的方法，属于海上无线通信技术领域，包括：获取输入信号，按照不同信道的载波频率，对采集信号经过混频和低通滤波处理对不同信道响应的I路、Q路正交基带信号分别进行延时处理；再进行帧头捕获和频偏估计，采用频偏估计结果作为第一级复数下频率控制字，对延时信号进行频偏校正；再进行匹配滤波以及定时同步，再进行第二级复数下变频和重采样，从变频和重采样后I路、Q路正交基带信号提取出载波相位误差，反馈到第二级复数下变频和重采样过程中，对载波相位误差进行跟踪，从而完成对输入信号的载波同步；可以保证在快速捕获帧头的同时，具有实现简单、运算快速、复杂度较低和同步精度较高的优点。

Description

一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的方法

技术领域

本发明涉及海上无线通信技术领域，尤其涉及一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的方法。该方法适用于通信方式为TDMA、频偏范围较大、同步速度和同步精度要求较高的信号捕获和载波同步。

背景技术

VDES系统是针对水上移动业务领域中船舶自动识别系统(AIS)的加强和升级版系统。VDES在集成了现有AIS功能的基础上，增加了特殊应用报文(ASM)和宽带甚高频数据交换(VDE)功能，从而增强了船舶通信的数据传输能力。在船岸通信过程中，通信双方易受噪声、干扰信号以及海上多径效应的影响，尤其是收发两端硬件特性的不一致以及相对运动而造成的多普勒频移，将给通信信号带来较大的频偏，从而对通信质量造成不良影响。所以如何实现有用信号的快速准确帧头捕获和载波同步，对整个通信系统的通信质量显得尤为重要。

传统的帧头捕获和载波同步方法是通过接收和解调调制信号中的I路和Q路码元数据，利用相关检测进行帧头捕获。当解调后的I路和Q路码元数据中，出现有与已知同步字只相差1比特或几比特的情况时，则认为捕获帧头的可能性极高，从而输出帧同步信号和捕获信号；然而这种方法易受噪声、干扰和其他因素影响，在海上无线信号通信时，往往检测效果较差，造成数据丢失，严重影响通信质量。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的方法，包括：获取输入信号，按照不同信道的载波频率，对采集信号经过混频和低通滤波处理后，得到不同信道相应的I路、Q路正交基带信号；

对所述不同信道响应的I路、Q路正交基带信号分别进行延时处理，得到延时信号；

对所述不同信道响应的I路、Q路正交基带信号进行帧头捕获和频偏估计，得到频偏估计结果；

采用所述频偏估计结果作为第一级复数下频率控制字，对延时信号进行频偏校正，得到去除频偏后的I路、Q路正交基带信号；

对所述去除频偏后的I路、Q路正交基带信号进行匹配滤波，得到匹配滤波后的I路、Q路正交基带信号；

对所述匹配滤波后的I路、Q路正交基带信号进行定时同步，得到定时同步后的I路、Q两路正交基带信号，同时所述定时同步后的I路、Q路正交基带信号提取出误差信号反馈到所述匹配滤波过程；

对所述定时同步后的I路、Q路正交基带信号进行第二级复数下变频和重采样，得到变频和重采样后I路、Q路正交基带信号；

从所述变频和重采样后I路、Q路正交基带信号提取出载波相位误差，反馈到所述第二级复数下变频和重采样过程中，对载波相位误差进行跟踪，从而完成对输入信号的载波同步。

进一步地，所述采用频偏估计结果作为第一级复数下频率控制字，对延时信号进行频偏校正，得到去除频偏后的I路、Q路正交基带信号的过程如下：

采用时分复用的方式，将多个版本的训练序列进行反调制，分别与相应信道的I路、Q路正交基带信号进行相关运算，同时与一组pn码进行相同的相关运算，得到相关运算后的信号，作为噪声通道；

根据通道选择状态，分离出ASM通道和VDE通道的信号相关值、频率索引号和噪声相关值，对相关运算后的信号的相关值进行峰值搜索和频率索引号寄存，对噪声相关值进行平滑滤波后的结果进行输出；

当相关峰值大于判决门限时，利用对应通道两段巴克码的相关结果计算小数频偏，得到除频偏后的I路、Q路正交基带信号。

进一步地，所述对匹配滤波后的I、Q两路正交基带信号进行定时同步，得到定时同步后的I路、Q两路正交基带信号的过程如下：

由匹配滤波器输出的信号以N倍符号速率进入移位寄存器；

从移位寄存器中提取延迟半个符号周期的早码信号、一个符号周期的中码信号和一个半符号周期的晚码信号；

根据定时误差鉴相公式计算定时误差；

将定时误差反馈给匹配滤波器，同时将晚码信号作为同步输出，用做载波同步及后续解调处理，得到定时同步后的I路、Q两路正交基带信号。

进一步地：所述定时同步后的I路、Q两路正交基带信号偏移π/4QPSK符号进行第二级复数下变频。

进一步地：所述从所述变频和重采样后I路、Q路正交基带信号提取出载波相位误差，反馈到所述第二级复数下变频和重采样过程中，对载波相位误差进行跟踪，从而完成对输入信号的载波同步的过程如下：

根据变频和重采样后I路、Q路正交基带信号中符号的奇偶顺序将其旋转为普通的QPSK符号；

利用16个训练序列符号与相位旋转后普通QPSK符号进行共轭复数相乘，计算出接收信号的初始相位误差，对完成定时误差后的信号再做一次相位旋转，将相位误差纠正到比较小的范围内；

相位旋转后的符号做解调；同时进行误差鉴相；

将鉴相得到瞬时载波相位误差直接反馈给第二级复数下变频和重采样，完成对接收信号的频率补偿和相位补偿。

一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的装置，包括：

第一滤波模块：用于获取输入信号，按照不同信道的载波频率，对采集信号经过混频和低通滤波处理后，得到不同信道相应的I路、Q路正交基带信号；

延时模块：用于对所述不同信道响应的I路、Q两路正交基带信号分别进行延时处理，得到延时信号；

捕获模块：用于对所述不同信道响应的I路、Q路正交基带信号进行帧头捕获和频偏估计，得到频偏估计结果；

第一变频模块：用于采用所述频偏估计结果作为第一级复数下频率控制字，对延时信号进行频偏校正，得到除频偏后的I路、Q路正交基带信号；

第二滤波模块：用于对所述除频偏后的I路、Q路正交基带信号进行匹配滤波，得到匹配滤波后的I、Q两路正交基带信号；

定时同步模块：用于对所述匹配滤波后的I路、Q路正交基带信号进行定时同步，得到定时同步后的I、Q两路正交基带信号；

第二变频模块：用于对所述定时同步后的I路、Q路正交基带信号进行第二级复数下变频和重采样，得到变频和重采样后I路、Q路正交基带信号；

载波同步模块：用于从所述变频和重采样后I路、Q路正交基带信号提取出载波相位误差，反馈到所述第二级复数下变频和重采样过程中，对载波相位误差进行跟踪，从而完成对输入信号的载波同步。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的方法，该方法利用ASM信号和VDE信号同步训练序列的双巴克码自身相关性能够实现对接收信号的快速捕获，能够及时感知信号到来，为数据解调做好准备，同时该方法基于已知同步训练序列利用多组本地训练序列进行相关运算，对接收信号的频率估计范围有较大提高，利用峰值检测判决的方法，解决了在低信噪比情况下，单纯由门限检测判决造成容易误判的缺陷，有效提高了对接收信号正确捕获的概率，将同步序列检测和Gardner定时同步环路进行联合，将整个同步过程分为了频率粗同步阶段、频率细同步阶段和相位同步阶段，该可以保证在快速捕获帧头的同时，仍然保持着较高的同步精度，具有实现简单、运算快速、复杂度较低和同步精度较高的优点。并且通过分段补偿的方式，增大了射频信号的频偏捕获范围，同时将定时同步环路与载波同步环路进行联合，对Gardner定时估计算法进行修正，利用载波锁相环对其频率偏差和相位偏差进行精细化补偿，从而提高其同步精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1为本发明的接收信号帧头捕获和载波同步实现方法的原理框图；

图2为同步捕获过程的原理框图；

图3为定时同步过程的原理框图；

图4为载波同步过程的原理框图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的方法，该方法提供了一种针对VDES系统ASM体制和VDE体制信号的帧头捕获和载波同步的方法。该方法在接收端根据信号帧中的同步训练比特序列，利用相关运算进行粗频偏估计，以完成对接收信号的定时粗同步和载波粗同步，从而达到帧头捕获的目的。此外又与Gardner定时同步环路进行了有机结合，将完成定时粗同步和载波粗同步的信号进行匹配滤波和降采样率处理，利用Gardner定时同步环路，进一步完成接收信号的定时同步与载波相位同步，该方法包括以下步骤：

步骤1:确定输入信号S(k)，并按照不同信道的载波频率，将采集信号经过混频和低通滤波处理后，得到相应信道的I路、Q路正交基带信号I(k)和Q(k)；

输入信号S(k)可由下式表示：

S(k)＝M₁(k)cos(ω_ck+θ)+M₂(k)sin(ω_ck+θ) (1)

其中S(k)为输入信号；M₁(k)为支路I的调制数据；M₂(k)为支路Q的调制数据；ω_c为各信道的载波频率；θ为输入信号载波的相位。

相互正交的两路基带信号I(n)和Q(n)由下式表示：

其中I(k)表示正交支路的基带信号；Q(k)表示同交支路的基带信号；△ω表示输入信号具有的载波频率偏差；△θ表示输入信号具有的载波相位偏差。

步骤2：将不同信道的I路、Q路正交基带信号分别进行延时处理，主要依据一个双端口RAM进行实现，其作用是将滤波后的信号进行缓存，综合考虑ASM信道和VDE信道的同步训练比特特性，延时32个符号周期再输出，得到延时后的信号，能够对延时后的信号进行去除频偏和解调操作；

同时直接将不同信道的I路、Q路正交基带信号作为直通信号，进行帧头捕获和频偏估计，得到频偏估计结果；帧头捕获的目的是完成定时粗同步和载波粗同步，初步估计出合适的采样位置，计算接收信号的频率偏差；帧头捕获是利用物理帧中的训练序列完成的；所述同步捕获的过程如图2所示；

ASM和VDE同步训练序列长度为27符号，具体格式为(111111001101010000011001010)2，第1比特为填充位，第2至14符号为长度为13的巴克码序列，第15至27符号为前面巴克码的反码序列。此序列的相关性较好，可以采用互相关的方法来检测帧的到来，并利用对两段巴克码的相关结果计算频偏，最后可得到捕获标志和总的捕获频偏。

步骤3:根据得到的频偏估计结果，作为的频率控制字，从而对输出的延时信号进行初步的频偏校正(此频偏补偿仅为粗补偿)，得到除频偏后的I路、Q正交基带信号；

步骤4：对去除频偏后的I、Q两路正交基带信号进行匹配滤波，得到匹配滤波后的I路、Q路正交基带信号；使得滤波后的I路、Q正交基带信号在抽样时刻信噪比最高；其中ASM信道的匹配滤波采用滚降系数为0.35的平方根升余弦滤波器，VDE信道的匹配滤波采用滚降系数为0.3的平方根升余弦滤波器；

步骤5：对匹配滤波后的I、Q两路正交基带信号进行定时同步，得到定时同步后的I路、Q两路正交基带信号，采用一种修正的Gardner定时估计算法；从匹配滤波后的I、Q两路正交基带信号中提取出定时误差信号，反馈给匹配滤波器构成定时同步环路，并将同步符号输出。定时同步的过程如图3所示；

定时误差鉴相公式如下：

t_ε＝Real{[y_k-y_(k-1)]×[y_(k-1/2)-β(y_k+y_(k-1))]} (4)

其中，β取0.6；

步骤6：对定时同步后的I路、Q路正交基带信号进行第二级复数下变频(DDC2)和重采样，得到变频和重采样后I路、Q路正交基带信号；并将其送入载波同步过程中，第二级复数下变频(DDC2)的载波频率由载波同步过程反馈提供；

步骤7：从变频和重采样后I路、Q路正交基带信号提取出载波相位误差，反馈到所述第二级复数下变频和重采样过程中，对载波相位误差进行跟踪，从而完成对输入信号的载波同步。载波同步过程的目的是从完成定时同步后的符号流中提取出载波相位误差，反馈到复数DDC2中，构成载波跟踪锁相环，对载波相位误差进行跟踪，从而完成对接收信号的载波同步。载波同步的过程如图4所示；

载波误差鉴相公式为：

error(k)＝SIGN{I(k)}×Q(k)-SIGN{Q(k)}×I(k) (5)

进一步地，所述采用频偏估计结果作为第一级复数下频率控制字，对延时信号进行频偏校正，得到除频偏后的I路、Q路正交基带信号的过程如下：

步骤3.1：为了克服频偏对互相关的影响，在接收机本地存储多个版本的同步训练序列，每个版本对应一种频偏。采用8个通道进行搜索，每个通道预设本地载波频率间隔为300Hz，总的搜索范围为±1200Hz；此处搜索的内容应是多个版本的训练序列的相关峰值，最终选择最大的一个，并将对应的频率索引号对应；

步骤3.2：采用时分复用的方式，将8个版本的训练序列进行反调制，分别与相应信道的I路、Q路正交基带信号进行相关运算，同时与1组pn码也进行相同的相关运算，得到相关运算后的信号，作为噪声通道；

步骤3.3：相关器根据通道选择状态，分离出ASM通道和VDE通道的信号相关值、频率索引号和噪声相关值，对ASM通道和VDE通道信号相关值进行峰值搜索和频率索引号寄存，对噪声相关值进行平滑滤波后一起将结果一起输出；；

步骤3.4：当训练序列的相关峰值大于判决门限时，利用对应通道两段巴克码的相关结果计算小数频偏，可得到捕获标志和总的捕获频偏，即得到除频偏后的I路、Q路正交基带信号。而训练序列的相关峰值小于等于判决门限时，则认为接收到的信号并非有用信号，不用做任何处理。

进一步地，所述对匹配滤波后的I、Q两路正交基带信号进行定时同步，得到定时同步后的I路、Q两路正交基带信号的过程如下：

步骤5.1：由匹配滤波器输出的信号以2倍符号速率进入移位寄存器；

步骤5.2：以1倍符号速率从移位寄存器中提取延迟半个符号周期的早码信号、一个符号周期的中码信号和一个半符号周期的晚码信号；

步骤5.3：按照定时误差鉴相公式计算定时误差，采用定时误差鉴相公式(4)进行计算；

步骤5.4：将定时误差直接(一阶环路滤波器，系数为1)反馈给匹配滤波器。同时将晚码信号作为同步输出，送去做载波同步及后续解调处理；

进一步地，所述步骤7：从变频和重采样后I路、Q路正交基带信号提取出载波相位误差，反馈到所述第二级复数下变频和重采样过程中，对载波相位误差进行跟踪，从而完成对输入信号的载波同步，具体过程为：定时同步后的偏移π/4QPSK符号进行第二级复数下变频(DDC2)后进入载波同步过程中，

步骤7.1：首先根据变频和重采样后I路、Q路正交基带信号的符号的奇偶顺序将其旋转为普通的QPSK符号；

步骤7.2：利用16个训练序列符号与相位旋转后普通QPSK符号进行共轭复数相乘，计算出初始相位误差，对完成定时同步后的信号再做一次相位旋转，将相位误差纠正到比较小的范围内；

步骤7.3：相位旋转后的符号一方面作为输出，进行解调；按照公式(5)进行误差鉴相；

步骤7.4：将鉴相得到瞬时载波相位误差直接(一阶环路滤波器，系数为1)反馈给第二级复数下变频过程，从而完成整个接收链路对接收信号的频率补偿和相位补偿。

一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的装置，包括：

第一滤波模块：用于获取输入信号S(k)，按照不同信道的载波频率，对采集信号经过混频和低通滤波处理后，得到不同信道相应的I路、Q路正交基带信号I(k)和Q(k)；

延时模块：用于对所述不同信道响应的I路、Q两路正交基带信号分别进行延时处理，得到延时信号；

捕获模块：用于对所述不同信道响应的I路、Q路正交基带信号进行帧头捕获和频偏估计，得到频偏估计结果；

第一变频模块：用于采用频偏估计结果作为第一级复数下频率控制字，对延时信号进行频偏校正，得到除频偏后的I路、Q路正交基带信号；

第二滤波模块：用于对除频偏后的I路、Q路正交基带信号进行匹配滤波，得到匹配滤波后的I、Q两路正交基带信号；

定时同步模块：用于对匹配滤波后的I路、Q路正交基带信号进行定时同步，得到定时同步后的I、Q两路正交基带信号；

第二变频模块：用于对定时同步后的I路、Q路正交基带信号进行第二级复数下变频和重采样，得到变频和重采样后I路、Q路正交基带信号；

载波同步模块：用于从变频和重采样后I路、Q路正交基带信号提取出载波相位误差，反馈到所述第二级复数下变频和重采样过程中，对载波相位误差进行跟踪，从而完成对输入信号的载波同步。所述载波同步模块的结构如图4所示。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的方法，其特征在于，包括

获取输入信号，按照不同信道的载波频率，对采集信号经过混频和低通滤波处理后，得到不同信道相应的I路、Q路正交基带信号；

对所述不同信道响应的I路、Q路正交基带信号分别进行延时处理，得到延时信号；

对所述不同信道响应的I路、Q路正交基带信号进行帧头捕获和频偏估计，得到频偏估计结果；

采用所述频偏估计结果作为第一级复数下频率控制字，对延时信号进行频偏校正，得到去除频偏后的I路、Q路正交基带信号；

对所述去除频偏后的I路、Q路正交基带信号进行匹配滤波，得到匹配滤波后的I路、Q路正交基带信号；

对所述匹配滤波后的I路、Q路正交基带信号进行定时同步，得到定时同步后的I路、Q两路正交基带信号，同时所述定时同步后的I路、Q路正交基带信号提取出误差信号反馈到所述匹配滤波过程；

对所述定时同步后的I路、Q路正交基带信号进行第二级复数下变频和重采样，得到变频和重采样后I路、Q路正交基带信号；

从所述变频和重采样后I路、Q路正交基带信号提取出载波相位误差，反馈到所述第二级复数下变频和重采样过程中，对载波相位误差进行跟踪，从而完成对输入信号的载波同步。

2.根据权利要求1所述的一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的方法，其特征在于，所述采用频偏估计结果作为第一级复数下频率控制字，对延时信号进行频偏校正，得到去除频偏后的I路、Q路正交基带信号的过程如下：

采用时分复用的方式，将多个版本的训练序列进行反调制，分别与相应信道的I路、Q路正交基带信号进行相关运算，同时与一组pn码进行相同的相关运算，得到相关运算后的信号，作为噪声通道；

根据通道选择状态，分离出ASM通道和VDE通道的信号相关值、频率索引号和噪声相关值，对相关运算后的信号的相关值进行峰值搜索和频率索引号寄存，对噪声相关值进行平滑滤波后的结果进行输出；

当相关峰值大于判决门限时，利用对应通道两段巴克码的相关结果计算小数频偏，得到除频偏后的I路、Q路正交基带信号。

3.根据权利要求1所述的一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的方法，其特征在于，所述对匹配滤波后的I、Q两路正交基带信号进行定时同步，得到定时同步后的I路、Q两路正交基带信号的过程如下：

由匹配滤波器输出的信号以N倍符号速率进入移位寄存器；

从移位寄存器中提取延迟半个符号周期的早码信号、一个符号周期的中码信号和一个半符号周期的晚码信号；

根据定时误差鉴相公式计算定时误差；

将定时误差反馈给匹配滤波器，同时将晚码信号作为同步输出，用做载波同步及后续解调处理，得到定时同步后的I路、Q两路正交基带信号。

4.根据权利要求1所述的一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的方法，其特征在于：所述定时同步后的I路、Q两路正交基带信号偏移π/4QPSK符号进行第二级复数下变频。

5.根据权利要求1所述的一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的方法，其特征在于：所述从所述变频和重采样后I路、Q路正交基带信号提取出载波相位误差，反馈到所述第二级复数下变频和重采样过程中，对载波相位误差进行跟踪，从而完成对输入信号的载波同步的过程如下：

根据变频和重采样后I路、Q路正交基带信号中符号的奇偶顺序将其旋转为普通的QPSK符号；

利用16个训练序列符号与相位旋转后普通QPSK符号进行共轭复数相乘，计算出接收信号的初始相位误差，对完成定时误差后的信号再做一次相位旋转，将相位误差纠正到比较小的范围内；

相位旋转后的符号做解调；同时进行误差鉴相；

将鉴相得到瞬时载波相位误差直接反馈给第二级复数下变频和重采样，完成对接收信号的频率补偿和相位补偿。

6.一种实现VDES系统帧头捕获和载波同步的装置，其特征在于，包括：

第一滤波模块：用于获取输入信号，按照不同信道的载波频率，对采集信号经过混频和低通滤波处理后，得到不同信道相应的I路、Q路正交基带信号；

延时模块：用于对所述不同信道响应的I路、Q两路正交基带信号分别进行延时处理，得到延时信号；

捕获模块：用于对所述不同信道响应的I路、Q路正交基带信号进行帧头捕获和频偏估计，得到频偏估计结果；

第一变频模块：用于采用所述频偏估计结果作为第一级复数下频率控制字，对延时信号进行频偏校正，得到除频偏后的I路、Q路正交基带信号；

第二滤波模块：用于对所述除频偏后的I路、Q路正交基带信号进行匹配滤波，得到匹配滤波后的I、Q两路正交基带信号；

定时同步模块：用于对所述匹配滤波后的I路、Q路正交基带信号进行定时同步，得到定时同步后的I、Q两路正交基带信号；

第二变频模块：用于对所述定时同步后的I路、Q路正交基带信号进行第二级复数下变频和重采样，得到变频和重采样后I路、Q路正交基带信号；

载波同步模块：用于从所述变频和重采样后I路、Q路正交基带信号提取出载波相位误差，反馈到所述第二级复数下变频和重采样过程中，对载波相位误差进行跟踪，从而完成对输入信号的载波同步。