一種星載AIS全數字接收方法技術

本發明專利技術提供一種星載AIS全數字接收方法，包括：對射頻數字化后的信號與本地載波正交下變頻后濾波獲取混合基帶信號并分離；將分離后的單路信號進行突發檢測；檢測到幀頭之后，進行頻偏估計，基于頻偏估計的結果對基帶信號進行頻偏補償；選擇幀頭序列作為輸入信號進行符號定時同步，獲得符號定時誤差估計值，根據符號定時誤差估計值內插出最佳采樣點數據；對最佳采樣點數據采用非相干維特比解調算法進行信息解調，并基于循環冗余校驗碼對比特信息序列進行校驗對幀頭符號周期的最佳采樣點序列和經校驗的比特序列的頻偏、幅度和初相進行估計；基于頻偏、幅度和初相估值對解調信號進行恢復；將分離后的混合基帶信號減去恢復的強信號。

【技術實現步驟摘要】
一種星載AIS全數字接收方法
本專利技術涉及一種無線數字通信技術，特別是一種星載AIS全數字接收方法。
技術介紹
船舶自動識別系統(AIS)是一種基于自組織時分多址(SOTDMA)通信協議，發射和接收船舶動態、靜態信息、航行信息和安全信息等的一種船舶導航設備。在船舶的航行過程中，通過接收相互間發布的AIS信號可以有效避免避碰。國際海事組織規定所有300總噸及以上的國際航行船舶，和500總噸及以上的非國際航行船舶，以及所有客船，都必須配備該系統。國際電信聯盟(ITU)也在VHF頻段分配給AIS兩個頻道，即CH87B(AIS1，161.975MHz)和CH88B(AIS2，162.025MHz)。星載AIS系統是從船載系統基礎上發展而來。衛星在高度為600到1000公里軌道上接收船舶所發送的AIS信號，以實現大范圍的海上船舶的探測、識別及跟蹤。由于星載AIS系統同時覆蓋多個SOTDMA通信區域，因此會面臨著消息的碰撞、路徑延遲、低信噪比和頻率偏移等諸多問題。專利申請號為CN201510283617.3，專利技術名稱為“一種基于FPGA的小衛星載AIS信號采集系統”的中國專利，該專利專利技術的AIS信號采集系統首先對于AIS信號進行射頻處理，在中頻進行采樣數字化，然后進行一系列信號提取處理，最后將提取出的AIS數字信號經過數據編碼后輸出。專利申請號為CN201310595370.X，專利技術名稱為“星載AIS信道化接收裝置及接收方法”的中國專利，該專利專利技術的AIS信號接收裝置將AIS信號首先在射頻處理單元進行濾波放大，然后在中頻處理單元進行信道分離，最后在基帶處理單元的解調得到AIS報文。專利申請號為CN201410346319.X，專利技術名稱為“一種頻偏補償下的星載AIS信號差分檢測方法”的中國專利，該專利技術利用波形匹配的方法對AIS信號進行頻偏估計，并對頻偏進行補償，然后對補償后的信號進行差分檢測。專利申請號為CN201410228651.6，專利技術名稱為“一種可用于星載AIS系統的沖突信號處理方法”的中國專利，該專利技術首先對接收到的AIS信號進行檢測，利用檢測結果重構信號，然后用接收到的AIS信號減去重構信號來實現另外一路碰撞信號的解調。專利申請號為CN201310020698.9，專利技術名稱為“一種星載AIS信號定時頻偏聯合估計方法及其實現系統”的中國專利，該專利技術通過引入自相關運算和加權相乘運算，提高了定時估計的精度，實現了對星載AIS信號的頻偏估計。專利申請號為CN201310020324.7，專利技術名稱為“數據輔助下的星載AIS信號同步參數估計方法及系統”的中國專利，該專利技術通過累加求幅角運算和累加求模值運算實現AIS信號的定時估計、相移估計和幅度估計。本專利專利技術的星載AIS全數字接收裝置和方法是采用全數字化結構，直接對AIS射頻信號進行數字化、利用基于幀頭檢測的突發檢測算法和非相干維特比解調算法實現AIS信號的接收解調。相同類型的星載AIS接收裝置和方法在已有專利中尚未找到。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種星載AIS全數字接收方法，基于射頻直接數字化技術和突發檢測技術及非相干維特比譯碼技術，采用現場可編程門陣列(FPGA)實現全數字接收。一種星載AIS全數字接收方法，對射頻數字化后的信號進行以下步驟處理：步驟1，對射頻數字化后的信號與本地載波正交下變頻后濾波獲取混合基帶信號，并對混合基帶信號進行分離；步驟2，將分離后的單路信號進行突發檢測，突發檢測選擇幀頭中固定且具有周期性的訓練序列作為檢測目標；步驟3，檢測到幀頭之后，選擇幀頭位置前后一定符號周期的序列進行頻偏估計，基于頻偏估計的結果對基帶信號進行頻偏補償；步驟4，選擇幀頭序列作為輸入信號進行符號定時同步，獲得符號定時誤差估計值，根據符號定時誤差估計值內插出最佳采樣點數據；步驟5，對最佳采樣點數據采用非相干維特比解調算法進行信息解調，并基于循環冗余校驗碼對比特信息序列進行校驗；正確，執行步驟6；否則，停止執行；步驟6，對幀頭符號周期的最佳采樣點序列和經校驗的比特序列的頻偏、幅度和初相進行估計；步驟7，基于頻偏、幅度和初相估值對解調信號進行恢復；步驟8，將分離后的混合基帶信號減去恢復的強信號，所得的弱信號重新執行步驟2至步驟5。本專利技術與現有星載AIS設備相比，其顯著優點：(1)采用射頻直接數字化的全數字接收機結構，可以提升系統設計的靈活性，并且避免了由于模擬器件的非線性、不一致性等因素所造成I、Q通道失衡；(2)采用了先進的基于幀頭檢測的突發檢測技術，大幅提升了系統對于AIS信號的檢測概率；(3)采用了非相干維特比譯碼技術，提升了在強噪聲干擾環境下的AIS信號的解調性能。附圖說明圖1是本專利技術硬件組成框圖。圖2是本專利技術AIS信號處理及解調程序流程圖。圖3是射頻直接數字化后的下變頻與信道分離流程圖。圖4是非相干維特比解調流程圖。圖5是維特比譯碼狀態轉換圖。具體實施方式本專利技術基于FPGA的星載AIS接收裝置包括FPGA硬件系統1和AIS信號處理與解調程序2。FPGA硬件系統1是完成AIS信息處理并解調的硬件平臺，其主要由FPGA芯片和外圍時鐘、電源、存儲及通信接口等器件構成。AIS信號處理與解調程序2是運行于FPGA硬件系統1之上的程序，主要控制星載AIS接收裝置處理并解調船載AIS發射機發射的AIS信號。該接收裝置對AIS射頻模擬信號直接進行高速采樣，再根據軟件無線電相關理論，采用數字正交下變頻和抽取濾波器，將AIS1和AIS2兩路混合的射頻數字信號下變頻到基帶，并利用數字混頻技術最終將兩路信號分離。從船舶傳輸到衛星上，AIS信號的特性已經不再滿足SOTDMA通信協議，因此該接收裝置采用的是突發通信方式。信號檢測由突發檢測模塊完成，即以AIS信號幀中的訓練序列(24bit的“0101……01”)為檢測目標，對輸入數據先后進行鑒頻和FFT運算，實現AIS信號幀頭到來時刻的大致判定。基于維特比算法的最大似然序列估計(MLSE)檢測是GMSK的最佳接收算法，本設計采用非相干維特比解調算法，對于AIS數據信號進行解調。圖1為FPGA硬件系統1的組成框圖。該系統采用Altera公司CycloneIV系列的EP4CE115F23I7N作為核心芯片。周圍配上1片ADI公司的型號為AD9266的ADC，4片MT公司的型號為MT25QL02GCBA8E12的Flash，2片ISSI公司的型號為IS65WV10248EBLL的SRAM，USB與SD卡接口和Enpirion公司的EN5312與EN5366兩種電源等芯片。AD9266對AIS射頻信號進行50MSPS速率的帶通采樣，采樣數據進入FPGA進行信號處理與解調。Flash和SRAM是對硬件系統存儲空間的拓展，用來存儲信號處理過程中的中間數據。AIS信號處理與解調程序2為完成AIS信號接收解調的FPGA程序，其對射頻數字化后的信號依次進行數字下變頻(DDC)與信道分離、突發檢測、頻偏估計與幀頭定位、符號定時同步、維特比解調與CRC校驗、參數估計和信號恢復等處理，實現AIS信號的接收、解調和碰撞分離，處理流程如圖2所示。具體工作過程如下：(1)數字下變頻(DDC)與信道分離模塊的工作原理如圖3所示。數字化后的AIS射頻信號首先與本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種星載AIS全數字接收方法，其特征在于，對射頻數字化后的信號進行以下步驟處理：步驟1，對射頻數字化后的信號與本地載波正交下變頻后濾波獲取混合基帶信號，并對混合基帶信號進行分離；步驟2，將分離后的單路信號進行突發檢測，突發檢測選擇幀頭中固定且具有周期性的訓練序列作為檢測目標；步驟3，檢測到幀頭之后，選擇幀頭位置前后一定符號周期的序列進行頻偏估計，基于頻偏估計的結果對基帶信號進行頻偏補償；步驟4，選擇幀頭序列作為輸入信號進行符號定時同步，獲得符號定時誤差估計值，根據符號定時誤差估計值內插出最佳采樣點數據；步驟5，對最佳采樣點數據采用非相干維特比解調算法進行信息解調，并基于循環冗余校驗碼對比特信息序列進行校驗；正確，執行步驟6；否則，停止執行；步驟6，對幀頭符號周期的最佳采樣點序列和經校驗的比特序列的頻偏、幅度和初相進行估計；步驟7，基于頻偏、幅度和初相估值對解調信號進行恢復；步驟8，將分離后的混合基帶信號減去恢復的強信號，所得的弱信號重新執行步驟2至步驟5。

【技術特征摘要】
1.一種星載AIS全數字接收方法，其特征在于，對射頻數字化后的信號進行以下步驟處理：步驟1，對射頻數字化后的信號與本地載波正交下變頻后濾波獲取混合基帶信號，并對混合基帶信號進行分離；步驟2，將分離后的單路信號進行突發檢測，突發檢測選擇幀頭中固定且具有周期性的訓練序列作為檢測目標；步驟3，檢測到幀頭之后，選擇幀頭位置前后一定符號周期的序列進行頻偏估計，基于頻偏估計的結果對基帶信號進行頻偏補償；步驟4，選擇幀頭序列作為輸入信號進行符號定時同步，獲得符號定時誤差估計值，根據符號定時誤差估計值內插出最佳采樣點數據；步驟5，對最佳采樣點數據采用非相干維特比解調算法進行信息解調，并基于循環冗余校驗碼對比特信息序列進行校驗；正確，執行步驟6；否則，停止執行；步驟6，對幀頭符號周期的最佳采樣點序列和經校驗的比特序列的頻偏、幅度和初相進行估計；步驟7，基于頻偏、幅度和初相估值對解調信號進行恢復；步驟8，將分離后的混合基帶信號減去恢復的強信號，所得的弱信號重新執行步驟2至步驟5；所述步驟1具體過程包括：步驟1.1，射頻數字化后的信號與12MHz本地載波進行正交下變頻；步驟1.2，采用62倍抽取的3階CIC抽取濾波器和3倍抽取FIR濾波器對下變頻信號進行抽取低通濾波，得到基帶信號；步驟1.3，利用25kHz參考載頻與基帶信號進行混頻，并通過7倍抽取FIR濾波器將信號分離為兩路。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2的具體過程為：步驟2.1，對分離后的信號進行頻率鑒別，對鑒別后的信號φ(t)以Ts為間隔進行采樣得到φ[n]，對φ[n]序列做FFT運算得到ψ[k]；步驟2.2，設定一自適應門限值Th對ψ[k]中n0處進行峰值判斷，若ψ[n0]大于Th時，則表明n0處出現了峰值；步驟2.3，若連續三次出現峰值時，則判定為信號幀頭到來；其中，μ為ψ[k]的n0后面8個點的均值，M是門限系數。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3的具體過程為：步驟3.1，對發生頻率偏移的信號r(t)和本地調制信號s(t)分別經過1比特差分后獲得Δs(t)和Δr(t)，其中A為信號幅度，Δf為載波頻率偏移，為發射載波的調制相位，為本地調制信號初相；步驟3.2，對Δs(t)和Δr(t)進行共軛相關后得RΔrΔs(t)，并以Ts為間隔對RΔrΔs(t)采樣得Δs[n]與Δr[n]完全相關時，RΔrΔs[n]的模最...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李鵬，鄒正，芮義斌，謝仁宏，郭山紅，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32