一种星载AIS全数字接收方法技术

本发明专利技术提供一种星载AIS全数字接收方法，包括：对射频数字化后的信号与本地载波正交下变频后滤波获取混合基带信号并分离；将分离后的单路信号进行突发检测；检测到帧头之后，进行频偏估计，基于频偏估计的结果对基带信号进行频偏补偿；选择帧头序列作为输入信号进行符号定时同步，获得符号定时误差估计值，根据符号定时误差估计值内插出最佳采样点数据；对最佳采样点数据采用非相干维特比解调算法进行信息解调，并基于循环冗余校验码对比特信息序列进行校验对帧头符号周期的最佳采样点序列和经校验的比特序列的频偏、幅度和初相进行估计；基于频偏、幅度和初相估值对解调信号进行恢复；将分离后的混合基带信号减去恢复的强信号。

【技术实现步骤摘要】
一种星载AIS全数字接收方法
本专利技术涉及一种无线数字通信技术，特别是一种星载AIS全数字接收方法。
技术介绍
船舶自动识别系统(AIS)是一种基于自组织时分多址(SOTDMA)通信协议，发射和接收船舶动态、静态信息、航行信息和安全信息等的一种船舶导航设备。在船舶的航行过程中，通过接收相互间发布的AIS信号可以有效避免避碰。国际海事组织规定所有300总吨及以上的国际航行船舶，和500总吨及以上的非国际航行船舶，以及所有客船，都必须配备该系统。国际电信联盟(ITU)也在VHF频段分配给AIS两个频道，即CH87B(AIS1，161.975MHz)和CH88B(AIS2，162.025MHz)。星载AIS系统是从船载系统基础上发展而来。卫星在高度为600到1000公里轨道上接收船舶所发送的AIS信号，以实现大范围的海上船舶的探测、识别及跟踪。由于星载AIS系统同时覆盖多个SOTDMA通信区域，因此会面临着消息的碰撞、路径延迟、低信噪比和频率偏移等诸多问题。专利申请号为CN201510283617.3，专利技术名称为“一种基于FPGA的小卫星载AIS信号采集系统”的中国专利，该专利专利技术的AIS信号采集系统首先对于AIS信号进行射频处理，在中频进行采样数字化，然后进行一系列信号提取处理，最后将提取出的AIS数字信号经过数据编码后输出。专利申请号为CN201310595370.X，专利技术名称为“星载AIS信道化接收装置及接收方法”的中国专利，该专利专利技术的AIS信号接收装置将AIS信号首先在射频处理单元进行滤波放大，然后在中频处理单元进行信道分离，最后在基带处理单元的解调得到AIS报文。专利申请号为CN201410346319.X，专利技术名称为“一种频偏补偿下的星载AIS信号差分检测方法”的中国专利，该专利技术利用波形匹配的方法对AIS信号进行频偏估计，并对频偏进行补偿，然后对补偿后的信号进行差分检测。专利申请号为CN201410228651.6，专利技术名称为“一种可用于星载AIS系统的冲突信号处理方法”的中国专利，该专利技术首先对接收到的AIS信号进行检测，利用检测结果重构信号，然后用接收到的AIS信号减去重构信号来实现另外一路碰撞信号的解调。专利申请号为CN201310020698.9，专利技术名称为“一种星载AIS信号定时频偏联合估计方法及其实现系统”的中国专利，该专利技术通过引入自相关运算和加权相乘运算，提高了定时估计的精度，实现了对星载AIS信号的频偏估计。专利申请号为CN201310020324.7，专利技术名称为“数据辅助下的星载AIS信号同步参数估计方法及系统”的中国专利，该专利技术通过累加求幅角运算和累加求模值运算实现AIS信号的定时估计、相移估计和幅度估计。本专利专利技术的星载AIS全数字接收装置和方法是采用全数字化结构，直接对AIS射频信号进行数字化、利用基于帧头检测的突发检测算法和非相干维特比解调算法实现AIS信号的接收解调。相同类型的星载AIS接收装置和方法在已有专利中尚未找到。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种星载AIS全数字接收方法，基于射频直接数字化技术和突发检测技术及非相干维特比译码技术，采用现场可编程门阵列(FPGA)实现全数字接收。一种星载AIS全数字接收方法，对射频数字化后的信号进行以下步骤处理：步骤1，对射频数字化后的信号与本地载波正交下变频后滤波获取混合基带信号，并对混合基带信号进行分离；步骤2，将分离后的单路信号进行突发检测，突发检测选择帧头中固定且具有周期性的训练序列作为检测目标；步骤3，检测到帧头之后，选择帧头位置前后一定符号周期的序列进行频偏估计，基于频偏估计的结果对基带信号进行频偏补偿；步骤4，选择帧头序列作为输入信号进行符号定时同步，获得符号定时误差估计值，根据符号定时误差估计值内插出最佳采样点数据；步骤5，对最佳采样点数据采用非相干维特比解调算法进行信息解调，并基于循环冗余校验码对比特信息序列进行校验；正确，执行步骤6；否则，停止执行；步骤6，对帧头符号周期的最佳采样点序列和经校验的比特序列的频偏、幅度和初相进行估计；步骤7，基于频偏、幅度和初相估值对解调信号进行恢复；步骤8，将分离后的混合基带信号减去恢复的强信号，所得的弱信号重新执行步骤2至步骤5。本专利技术与现有星载AIS设备相比，其显著优点：(1)采用射频直接数字化的全数字接收机结构，可以提升系统设计的灵活性，并且避免了由于模拟器件的非线性、不一致性等因素所造成I、Q通道失衡；(2)采用了先进的基于帧头检测的突发检测技术，大幅提升了系统对于AIS信号的检测概率；(3)采用了非相干维特比译码技术，提升了在强噪声干扰环境下的AIS信号的解调性能。附图说明图1是本专利技术硬件组成框图。图2是本专利技术AIS信号处理及解调程序流程图。图3是射频直接数字化后的下变频与信道分离流程图。图4是非相干维特比解调流程图。图5是维特比译码状态转换图。具体实施方式本专利技术基于FPGA的星载AIS接收装置包括FPGA硬件系统1和AIS信号处理与解调程序2。FPGA硬件系统1是完成AIS信息处理并解调的硬件平台，其主要由FPGA芯片和外围时钟、电源、存储及通信接口等器件构成。AIS信号处理与解调程序2是运行于FPGA硬件系统1之上的程序，主要控制星载AIS接收装置处理并解调船载AIS发射机发射的AIS信号。该接收装置对AIS射频模拟信号直接进行高速采样，再根据软件无线电相关理论，采用数字正交下变频和抽取滤波器，将AIS1和AIS2两路混合的射频数字信号下变频到基带，并利用数字混频技术最终将两路信号分离。从船舶传输到卫星上，AIS信号的特性已经不再满足SOTDMA通信协议，因此该接收装置采用的是突发通信方式。信号检测由突发检测模块完成，即以AIS信号帧中的训练序列(24bit的“0101……01”)为检测目标，对输入数据先后进行鉴频和FFT运算，实现AIS信号帧头到来时刻的大致判定。基于维特比算法的最大似然序列估计(MLSE)检测是GMSK的最佳接收算法，本设计采用非相干维特比解调算法，对于AIS数据信号进行解调。图1为FPGA硬件系统1的组成框图。该系统采用Altera公司CycloneIV系列的EP4CE115F23I7N作为核心芯片。周围配上1片ADI公司的型号为AD9266的ADC，4片MT公司的型号为MT25QL02GCBA8E12的Flash，2片ISSI公司的型号为IS65WV10248EBLL的SRAM，USB与SD卡接口和Enpirion公司的EN5312与EN5366两种电源等芯片。AD9266对AIS射频信号进行50MSPS速率的带通采样，采样数据进入FPGA进行信号处理与解调。Flash和SRAM是对硬件系统存储空间的拓展，用来存储信号处理过程中的中间数据。AIS信号处理与解调程序2为完成AIS信号接收解调的FPGA程序，其对射频数字化后的信号依次进行数字下变频(DDC)与信道分离、突发检测、频偏估计与帧头定位、符号定时同步、维特比解调与CRC校验、参数估计和信号恢复等处理，实现AIS信号的接收、解调和碰撞分离，处理流程如图2所示。具体工作过程如下：(1)数字下变频(DDC)与信道分离模块的工作原理如图3所示。数字化后的AIS射频信号首先与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星载AIS全数字接收方法，其特征在于，对射频数字化后的信号进行以下步骤处理：步骤1，对射频数字化后的信号与本地载波正交下变频后滤波获取混合基带信号，并对混合基带信号进行分离；步骤2，将分离后的单路信号进行突发检测，突发检测选择帧头中固定且具有周期性的训练序列作为检测目标；步骤3，检测到帧头之后，选择帧头位置前后一定符号周期的序列进行频偏估计，基于频偏估计的结果对基带信号进行频偏补偿；步骤4，选择帧头序列作为输入信号进行符号定时同步，获得符号定时误差估计值，根据符号定时误差估计值内插出最佳采样点数据；步骤5，对最佳采样点数据采用非相干维特比解调算法进行信息解调，并基于循环冗余校验码对比特信息序列进行校验；正确，执行步骤6；否则，停止执行；步骤6，对帧头符号周期的最佳采样点序列和经校验的比特序列的频偏、幅度和初相进行估计；步骤7，基于频偏、幅度和初相估值对解调信号进行恢复；步骤8，将分离后的混合基带信号减去恢复的强信号，所得的弱信号重新执行步骤2至步骤5。

【技术特征摘要】
1.一种星载AIS全数字接收方法，其特征在于，对射频数字化后的信号进行以下步骤处理：步骤1，对射频数字化后的信号与本地载波正交下变频后滤波获取混合基带信号，并对混合基带信号进行分离；步骤2，将分离后的单路信号进行突发检测，突发检测选择帧头中固定且具有周期性的训练序列作为检测目标；步骤3，检测到帧头之后，选择帧头位置前后一定符号周期的序列进行频偏估计，基于频偏估计的结果对基带信号进行频偏补偿；步骤4，选择帧头序列作为输入信号进行符号定时同步，获得符号定时误差估计值，根据符号定时误差估计值内插出最佳采样点数据；步骤5，对最佳采样点数据采用非相干维特比解调算法进行信息解调，并基于循环冗余校验码对比特信息序列进行校验；正确，执行步骤6；否则，停止执行；步骤6，对帧头符号周期的最佳采样点序列和经校验的比特序列的频偏、幅度和初相进行估计；步骤7，基于频偏、幅度和初相估值对解调信号进行恢复；步骤8，将分离后的混合基带信号减去恢复的强信号，所得的弱信号重新执行步骤2至步骤5；所述步骤1具体过程包括：步骤1.1，射频数字化后的信号与12MHz本地载波进行正交下变频；步骤1.2，采用62倍抽取的3阶CIC抽取滤波器和3倍抽取FIR滤波器对下变频信号进行抽取低通滤波，得到基带信号；步骤1.3，利用25kHz参考载频与基带信号进行混频，并通过7倍抽取FIR滤波器将信号分离为两路。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：步骤2.1，对分离后的信号进行频率鉴别，对鉴别后的信号φ(t)以Ts为间隔进行采样得到φ[n]，对φ[n]序列做FFT运算得到ψ[k]；步骤2.2，设定一自适应门限值Th对ψ[k]中n0处进行峰值判断，若ψ[n0]大于Th时，则表明n0处出现了峰值；步骤2.3，若连续三次出现峰值时，则判定为信号帧头到来；其中，μ为ψ[k]的n0后面8个点的均值，M是门限系数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：步骤3.1，对发生频率偏移的信号r(t)和本地调制信号s(t)分别经过1比特差分后获得Δs(t)和Δr(t)，其中A为信号幅度，Δf为载波频率偏移，为发射载波的调制相位，为本地调制信号初相；步骤3.2，对Δs(t)和Δr(t)进行共轭相关后得RΔrΔs(t)，并以Ts为间隔对RΔrΔs(t)采样得Δs[n]与Δr[n]完全相关时，RΔrΔs[n]的模最...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，邹正，芮义斌，谢仁宏，郭山红，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32