專(zhuān)利名稱：一種星載ais信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
:在低軌星載AIS接收機(jī)中，衛(wèi)星的運(yùn)行速度為每秒7.5千米，對(duì)甚高頻頻段的AIS信號(hào)造成的多普勒頻移量接近4KHz，超過(guò)帶寬的15%，這對(duì)信號(hào)的正確接收和檢測(cè)是很困難的。AIS是時(shí)分多址接入系統(tǒng)，同步是最基本的要求。然而，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x不同，到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，通用AIS接收機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)隙保護(hù)間隔可以滿足傳輸120海里的距離，在這個(gè)范圍內(nèi)，傳輸造成的信號(hào)延遲對(duì)解調(diào)和檢測(cè)不會(huì)影響，而超過(guò)這個(gè)距離，就無(wú)法正確接收和檢測(cè)。在600km以上高度的衛(wèi)星上接收來(lái)自船臺(tái)的信號(hào)，其傳輸距離已經(jīng)超過(guò)保護(hù)距離的3倍，時(shí)延遠(yuǎn)超過(guò)了時(shí)隙的保留時(shí)延值，導(dǎo)致信號(hào)錯(cuò)亂。因此對(duì)于每一個(gè)用戶信息的檢測(cè)均需要采用定時(shí)頻偏估計(jì)技術(shù)，解決部分時(shí)延和頻偏。由于AIS信號(hào)采用高斯濾波最小頻移鍵控(Gaussian Minimum ShiftKeying, GMSK)調(diào)制，對(duì)于星載AIS接收機(jī)的信號(hào)的參數(shù)估計(jì)問(wèn)題也就主要針對(duì)GMSK調(diào)制信號(hào)的相應(yīng)參數(shù)估計(jì)。目前引用最多也是最為經(jīng)典的是基于自相關(guān)的定時(shí)——頻偏聯(lián)合估計(jì)技術(shù)(參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]M.Morelli, U.Mengali “Joint Frequency and Timing Recoveryfor MSK-Type Modulation”，IEEE Communications Letters[J].1999, 2 (8):938-946),該工作方式精度不高，對(duì)于星載AIS信號(hào)中含有的較大頻偏不能實(shí)現(xiàn)精確校正，使接收機(jī)的檢測(cè)性能受到很大影響。文獻(xiàn)[2] (Hua Peng, Jing Li, “Non-Data-Aided CarrierFrequency Offset Estimation of GMSK Signals In Burst Mode Transmission”， IEEECommunications Letters [J].2003, 8 (2): 576-579)記載了一種基于快速傅里葉變換的頻偏估計(jì)方法，該方法利用快速傅里葉變換確定信號(hào)頻譜譜峰處對(duì)應(yīng)的頻率得到頻偏估計(jì)值，該工作方式的精度比上一 種工作方式高，但是該工作方式只適用于較小頻偏的信號(hào)，因而不適用于星載AIS接收機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容:本發(fā)明的目的在于提供一種星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，它可以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，是一種以實(shí)現(xiàn)在星載AIS接收機(jī)上的定時(shí)頻偏估計(jì)方法，擴(kuò)大了參數(shù)估計(jì)范圍，降低信噪比門(mén)限，提高估計(jì)的精確度。本發(fā)明的技術(shù)方案:一種星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于它包括以下步驟:①由天線接收地面船舶AIS系統(tǒng)發(fā)射的射頻信號(hào)，并輸入給接收機(jī)；②接收機(jī)將接收到的射頻信號(hào)解調(diào)成基帶信號(hào)輸入FPGA數(shù)據(jù)采集模塊；③FPGA數(shù)據(jù)采集模塊將接收到的基帶信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字基帶信號(hào)并傳給信號(hào)處理模塊；
④信號(hào)處理模塊對(duì)接收到的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行處理，得到正確的AIS船舶信息并傳遞給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；⑤最后，由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)接收到的AIS船舶信息。所述步驟④數(shù)據(jù)處理的方法由以下步驟構(gòu)成:⑴由定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊接收模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字基帶信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行估計(jì)，并將估計(jì)值輸入到信號(hào)校正模塊中；⑵信號(hào)校正模塊將接收到的步驟⑴中得到的估計(jì)值與數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行參數(shù)校正，并將校正后的信號(hào)傳遞給解碼模塊；⑶由解碼模塊對(duì)步驟⑵校正后的信號(hào)進(jìn)行解碼，并將得到的二進(jìn)制碼元信息輸給CRC校驗(yàn)?zāi)K；⑷CRC校驗(yàn)?zāi)K對(duì)步驟⑶解碼后的二進(jìn)制信息進(jìn)行校驗(yàn)，得到的校驗(yàn)信息輸入報(bào)文解析模塊；(5)由報(bào)文解析模塊將步驟⑷得到的校驗(yàn)信息解析成AIS船舶信息并輸入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。所述步驟⑴中的定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)的方法由以下步驟構(gòu)成:(A)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊對(duì)接收到的數(shù)字基帶信號(hào)做自相關(guān)運(yùn)算和相位響應(yīng)相乘運(yùn)算得到定時(shí)估計(jì)值；(B)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊根據(jù)步驟(A)中得到的定時(shí)估計(jì)結(jié)果確定采樣點(diǎn)，通過(guò)自相關(guān)運(yùn)算和最大似然運(yùn)算，得到頻偏估計(jì)值。所述步驟(A)由以下步驟構(gòu)成:(a)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊對(duì)接收到的數(shù)字基帶信號(hào)按如下方式做自相關(guān)運(yùn)算得到自相關(guān)序列:接收信號(hào)可以表示為x(t) = eJ(2"vt+e)S(t-x)+n(t)其中v是載波頻偏，0為載波相移，n(t)為接收噪聲，s(t)為GMSK基帶信號(hào)，t為時(shí)延，序列長(zhǎng)度為U。按過(guò)采樣因子為N的速率采樣后的離散信號(hào)記為xk(i),其中k為對(duì)應(yīng)于碼兀序號(hào)，i為對(duì)應(yīng)于該碼兀的米樣序號(hào)；其中自相關(guān)運(yùn)算的步長(zhǎng)m從I到M，M為I Ltl范圍內(nèi)的任意正整數(shù)，一般取M=4即可滿足要求，使每個(gè)m值都可得到相應(yīng)的自相關(guān)序列:
權(quán)利要求
1.一種星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于它包括以下步驟: ①由天線接收地面船舶AIS系統(tǒng)發(fā)射的射頻信號(hào)，并輸入給接收機(jī)； ②接收機(jī)將接收到的射頻信號(hào)解調(diào)成基帶信號(hào)輸入FPGA數(shù)據(jù)采集模塊； ③FPGA數(shù)據(jù)采集模塊將接收到的基帶信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字基帶信號(hào)并傳給信號(hào)處理模塊； ④信號(hào)處理模塊對(duì)接收到的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行處理，得到正確的AIS船舶信息并傳遞給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊； ⑤最后，由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)接收到的AIS船舶信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于所述步驟④數(shù)據(jù)處理的方法由以下步驟構(gòu)成: ⑴由定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊接收模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字基帶信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行估計(jì)，并將估計(jì)值輸入到信號(hào)校正模塊中； ⑵信號(hào)校正模塊將接收到的步驟⑴中得到的估計(jì)值與數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行參數(shù)校正，并將校正后的信號(hào)傳遞給解碼模塊； ⑶由解碼模塊對(duì)步驟⑵校正后的信號(hào)進(jìn)行解碼，并將得到的二進(jìn)制碼元信息輸給CRC校驗(yàn)?zāi)K； ⑷CRC校驗(yàn)?zāi)K對(duì)步驟⑶解碼后的二進(jìn)制信息進(jìn)行校驗(yàn)，得到的校驗(yàn)信息輸入報(bào)文解析模塊； (5)由報(bào)文解析模塊將步驟⑷得到的校驗(yàn)信息解析成AIS船舶信息并輸入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于所述步驟⑴中的定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)的方法由以下步驟構(gòu)成: (A)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊對(duì)接收到的數(shù)字基帶信號(hào)做自相關(guān)運(yùn)算和相位響應(yīng)相乘運(yùn)算得到定時(shí)估計(jì)值； (B)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊根據(jù)步驟(A)中得到的定時(shí)估計(jì)結(jié)果確定采樣點(diǎn)，通過(guò)自相關(guān)運(yùn)算和最大似然運(yùn)算，得到頻偏估計(jì)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(A)由以下步驟構(gòu)成: (a)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊對(duì)接收到的數(shù)字基帶信號(hào)按如下方式做自相關(guān)運(yùn)算得到自相關(guān)序列: 接收信號(hào)可以表示為x(t)=ej(2,vt+e)s(t_x)+n(t) 其中V是載波頻偏，0為載波相移，n(t)為接收噪聲，s(t)為GMSK基帶信號(hào)，t為時(shí)延，序列長(zhǎng)度為U。按過(guò)采樣因子為N的速率采樣后的離散信號(hào)記為xk(i)，其中k為對(duì)應(yīng)于碼兀序號(hào)，i為對(duì)應(yīng)于該碼兀的米樣序號(hào)； 其中自相關(guān)運(yùn)算的步長(zhǎng)m從I到M，M為I Ltl范圍內(nèi)的任意正整數(shù)，一般取M=4即可滿足要求，使每個(gè)m值都可得到相應(yīng)的自相關(guān)序列:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(B)由以下步驟構(gòu)成: (a)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊對(duì)所述步驟(A)中得到的定時(shí)估計(jì)值按如下方式做最大似然運(yùn)算，并確定采樣點(diǎn)乜:
6.一種實(shí)現(xiàn)星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法的系統(tǒng)，由AIS接收機(jī)構(gòu)成，其特征在于它包括天線、接收機(jī)、FPGA數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；其中，所述天線接收地面船舶AIS系統(tǒng)發(fā)射的射頻信號(hào)數(shù)據(jù)并送入接收機(jī)中；所述接收機(jī)輸出端連接FPGA數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種實(shí)現(xiàn)星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法的系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)處理模塊是由DSP單元、FLASH單元、RS232單元和RAM單元組成；其中所述DSP單元分別與FLASH單元以及RAM單元呈雙相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種實(shí)現(xiàn)星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法的系統(tǒng)，其特征在于所述DSP單元是由定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊、信號(hào)校正模塊、解碼模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K和報(bào)文解析模塊組成；其中所述信號(hào)校正模塊的輸入端接收數(shù)字基帶信號(hào)，同時(shí)與定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊的輸出端連接；所述定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)模塊的輸入端接收數(shù)字基帶信號(hào)；所述解碼模塊的輸入端連接信號(hào)校正模塊的輸出端，其輸出端連接CRC校驗(yàn)?zāi)K的輸入端；所述報(bào)文解析模塊的輸入端接收CRC校驗(yàn)?zāi)K的輸出信號(hào)，其輸出端輸出AIS船舶信息給RS232單元。
全文摘要
一種星載AIS信號(hào)定時(shí)頻偏聯(lián)合估計(jì)方法由天線接收地面船舶AIS系統(tǒng)發(fā)射的射頻信號(hào)并輸入給接收機(jī)；接收機(jī)將接收到的射頻信號(hào)解調(diào)成基帶信號(hào)輸入FPGA數(shù)據(jù)采集模塊；FPGA數(shù)據(jù)采集模塊將接收到的基帶信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字基帶信號(hào)并傳給信號(hào)處理模塊；信號(hào)處理模塊對(duì)接收到的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行處理得到正確的AIS船舶信息并傳遞給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)接收到的AIS船舶信息。優(yōu)越性通過(guò)引入自相關(guān)運(yùn)算和加權(quán)相乘運(yùn)算，消除了簡(jiǎn)單定時(shí)估計(jì)工作方式中估計(jì)精度較差的問(wèn)題；通過(guò)利用定時(shí)估計(jì)值確定采樣點(diǎn)并用自相關(guān)運(yùn)算，最大似然運(yùn)算，信號(hào)降采樣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)星載AIS信號(hào)的估計(jì)范圍最大，估計(jì)方差最小的頻偏估計(jì)。
文檔編號(hào)H04L1/00GK103117965SQ201310020698
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者馬社祥, 劉曉娟, 孟鑫, 宮銘舉 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)