一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法，在相关检测前，先将差分后的接收序列需要减去自身均值，即减去直流分量，再与本地序列进行相关，则在频偏指标要求范围内，其相关峰值和峰值特征均与频偏大小几乎无关，可在不同频偏条件下使用统一的检测器结构。本发明专利技术将自适应门限相关检测法与峰值特征匹配法相结合，次峰由于特征不匹配被筛除。两者结合克服了由于训练序列为非伪随机码带来的次峰干扰问题，准确检测到最佳峰值位置。本发明专利技术可以有效对抗星载条件下的多普勒频偏大的问题，在指标要求的

【技术实现步骤摘要】
一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法


[0001]本专利技术涉及船舶通信领域，具体涉及一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法。

技术介绍

[0002]随着航运业务的不断发展，现有的海事通信技术难以满足日益增长的用户需求，基于VDES的“空天地海”通信网络成为国际海事通信研究的热点。“空天地海”网络旨在完善海事通信中船岸、船间、船舶与卫星之间的通信，弥补我国海事通信在覆盖范围、通信质量等方面的欠缺。本专利技术的研究对象是“空天地海”网络中天基VDES的AIS子系统，具体是海事通信中用于船舶与卫星之间通信的星载AIS接收机。
[0003]星载AIS接收机的研制需要解决两个关键问题：
[0004]首先，针对AIS信号的突发特性，有必要设计一种基于训练序列的可靠信号检测算法，从而在检测到信号之后，可根据缓存的数据对频率、相位等参数进行估计和补偿，并结合利用数据缓存和延时等操作配合确保帧头和数据到来前已基本无频偏且位同步锁定。
[0005]其次，和以往的船岸、船间通信相比，船舶与卫星之间的通信多普勒频偏更大，达
‑
4kHz～+4kHz，最大频偏约为数据速率的42％，因此对于星载接收机而言，对较大的多普勒频偏进行估计和补偿也是必须解决的关键问题之一。
[0006]针对突发式信号的检测通常采用恒虚警率相关检测方法，该方法克服了信号动态范围过大导致的虚警(或漏警)概率不稳定的问题，提高了信号检测的稳定性。但在星载AIS应用场景下，传统的相关检测方法存在两个方面的不足：
[0007]一方面，该方法一般要求训练序列满足伪随机特性，而AIS信号的训练序列为01交替的序列，不是伪随机码，进行相关检测时会在最大峰值附近产生多个次峰值，降低了对最佳峰值的分辨能力。
[0008]另一方面，对接收信号直接做相关检测时，相关峰值随着频偏的增大而降低，甚至没有相关峰值输出。传统采用多个并行的相关器的方法虽然理论上可以解决该问题，但计算复杂度高，资源开销大，工程上不太建议采用。
[0009]针对大多普勒频偏，传统抗频偏算法通常采用对接收训练序列进行FFT运算和谱峰搜索，该算法复杂度相对较高且频偏估计精度受傅立叶变换点数的限制。
[0010]公开号为CN201910908165.1的中国专利公开了一种AIS体制下GMSK解调器大频偏校正方法。该专利所提方案只针对
±
10％以内频偏的情况，而未提出针对
±
42％大频偏的解决方案，且该专利所提频偏估计方案需要对基带信号做4次方非线性运算、N点FFT运算和谱峰搜索，运算复杂度高。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于针对AIS接收机系统提出了将改进相关检测法与特征匹配相结合的信号检测算法，克服了AIS训练序列非伪随机序列带来的次峰干扰问题，充分利用次峰
的增益，达到更接近伪随机序列的检测效果，同时利用训练序列的特殊结构，提出一种低复杂度的频偏估计算法，频偏估计精度高、范围广，足以满足
‑
4kHz～+4kHz的抗频偏指标要求。
[0012]为了达到上述的目的，本专利技术提供一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法，包括步骤如下：
[0013]步骤一、模拟输入信号被AD采样后转成数字信号，经过数据延迟器，若没有检测到信号，则AD采样之后直接正交混频，否则将数据延迟之后的信号进行正交混频；
[0014]步骤二、混频后信号经过低通滤波器，以滤除带外噪声和镜像频谱，滤波器带宽包含最大频偏时的信号；
[0015]步骤三、进行数据差分运算，差分后的信号分成三路，分别送入相关检测器、频偏估计模块和匹配滤波模块；
[0016]步骤四、当相关检测器输出满足峰值且大于自适应门限时，进行特征匹配，只有当特征误差小于设定的门限时，才表示检测到信号；
[0017]步骤五、若检测到信号，即找到帧头，做如下三个操作，其一用缓存的差分数据进行频偏估计，并根据估计结果调整DDS频率控制字进行频率补偿；其二进行初相补偿；其三将已完成频偏补偿的训练序列和帧头重新进入，使得在下一次帧头到来之前的时间内，频率已补偿且位同步锁定；
[0018]步骤六、差分之后进行匹配滤波、位同步、数据判决、帧头帧尾检测、CRC校验操作。
[0019]上述一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法，其中，所述步骤三中，相关检测前，先将差分后的接收序列需要减去自身均值，即减去直流分量，再与本地序列进行相关。
[0020]上述一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法，其中，所述步骤四中，采用雷达领域恒虚警率检测的结构来得到自适应门限。
[0021]上述一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法，其中，所述步骤四中，假设考虑主峰前面的L个次峰，次峰与主峰的比值分别为λ
i0
，其中i＝1，2，...L；当检测到峰值且大于自适应门限，则计算峰值前固定位置的次峰值与主峰值的比λ
i
，然后按照以下公式计算出误差平方和：
[0022][0023]若e＜δ，δ为设定的门限，则认为满足特征，表示检测到信号；
[0024]若e＞δ，则认为不满足特征，表示尚未检测到信号。
[0025]上述一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法，其中，所述步骤五中，进行初相补偿包括调整位同步环的相位。
[0026]上述一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法，其中，所述步骤五中，将已完成频偏补偿的训练序列和帧头重新进入，即切换数据延迟开关，使输入到正交混频器的数据为延迟若干符号之后的数据，使得在下一次帧头到来之前的时间内，频率已补偿且位同步锁定。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的技术有益效果是：
[0028]1)在相关检测之前先做差分，相比于传统法对接收信号直接做相关检测，相关峰
值不会随着频偏的增大而降低甚至没有峰值。
[0029]2)相关检测前，先将差分后的接收序列需要减去自身均值，即减去直流分量，再与本地序列进行相关，如此做则在频偏指标要求范围内，其相关峰值和峰值特征均与频偏大小几乎无关，可在不同频偏条件下使用统一的检测器结构。
[0030]3)将自适应门限相关检测法与峰值特征匹配法相结合，次峰由于特征不匹配被筛除。两者结合克服了由于训练序列为非伪随机码带来的次峰干扰问题，准确检测到最佳峰值位置。
[0031]4)充分利用了训练序列为01交替序列的特性进行频偏估计和补偿，仅需在信号检测点对缓存的差分序列取平均作为频率控制字调整量，在没有噪声情况下可精确计算出频偏值，因此属于无偏估计，相比传统频偏估计常用的FFT法、相邻点差分法和多路相关器检测法，计算复杂度大大降低。
[0032]5)可以有效对抗星载条件下的多普勒频偏大的问题，在指标要求的
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4kHz～+4kHz范围内，漏警概率远低于系统丢包率，且系统丢包率跟频偏大小无本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一、模拟输入信号被AD采样后转成数字信号，经过数据延迟器，若没有检测到信号，则AD采样之后直接正交混频，否则将数据延迟之后的信号进行正交混频；步骤二、混频后信号经过低通滤波器，以滤除带外噪声和镜像频谱，滤波器带宽包含最大频偏时的信号；步骤三、进行数据差分运算，差分后的信号分成三路，分别送入相关检测器、频偏估计模块和匹配滤波模块；步骤四、当相关检测器输出满足峰值且大于自适应门限时，进行特征匹配，只有当特征误差小于设定的门限时，才表示检测到信号；步骤五、若检测到信号，即找到帧头，做如下三个操作，其一用缓存的差分数据进行频偏估计，并根据估计结果调整DDS频率控制字进行频率补偿；其二进行初相补偿；其三将已完成频偏补偿的训练序列和帧头重新进入，使得在下一次帧头到来之前的时间内，频率已补偿且位同步锁定；步骤六、差分之后进行匹配滤波、位同步、数据判决、帧头帧尾检测、CRC校验操作。2.如权利要求1所述的一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法，其特征在于，所述步骤三中，相关检测前，先将差分后的接收序列需要减去自身均值，即减去直流分量，再与...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴雨峰，
申请(专利权)人：上海科学仪器厂有限公司，
类型：发明
国别省市：