（通信与信息系统专业论文）同信道干扰下ais信号非相干解调技术研究.pdf

硕士论文同信道干扰下s 信号非相干解调技术研究 摘要 川f | f f i f | i | | j | | j l | | i l 舢 y 2 0 6 2 0 2 6 船舶自动识别系统( a i s ) 是一种用于船舶与船舶之间、船舶与岸台之间进行相互 通信的新型助航系统。a i s 的使用能有效的提高海上航行的安全性，利于管理部门的海 事管理，但是随着海上船舶数量的增加，航行环境变得越来越复杂，现有的a i s 系统已 经不能满足现代海事管理的需求，于是将航空航天技术引用到海事管理成为一个新的研 究领域。当触s 系统处于高空状态时，由于船舶和a i s 系统的相对运动、空间a i s 系 统覆盖蜂窝通信中多个蜂窝等原因，在同一时隙内，接收机会同时接收到两个甚至多个 m s 信号，因此，同信道干扰下的a i s 信号解调技术拥有重要的研究意义。 本文重点讨论了信号解调中的非相干解调技术，将其用于同信道a i s 信号的解调 处理，其中又重点讨论了差分解调和基于t e r b i 算法的非相干解调算法。差分解调的研 究包括1 - b i t 差分解调、2 - b i t 差分解调和多比特联合差分解调算法，其在同信道干扰下 的解调性能不够理想，因此将基于t e r b i 算法的非相干解调算法用于灿s 信号的解调 中，其在同信道干扰下的解调具有较好的性能，因此选择其用于同信道触s 信号的分离 处理。本文利用多通道处理和信号重构、信号相减等技术实现了同信道a i s 信号的分离。 在a i s 基带信号的处理过程中，还需要帧头检测、频偏估计、符号定时算法的辅助，在 论文中，对各种算法也进行了详细的研究。 关键词：自动识别系统，高斯最小频移键控调制，同信道干扰，非相干解调，同信道 信号分离 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t a u t o m a l t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ( a i s ) i sak i n do fn e ws y s t e mh e l p i n gr l a v i g a t i o na n d a p p l y i n gt 0s e aa _ b o a r d 幽pe x c h a n g i n gi 1 1 f o 咖a t i o n i t c a i lb eu s e dt oi d e n t i 匆a n d c o m m u i l i c a ：t ee a c ho 也e ro fs h i p sa ts e 钆i i l c l u d i n gb 帆e n s h i p sa n db e t 、e e ns h j p sa i l ds h o r e u i l i t s 1 ku s eo f 址sc a l le 艉c t i v e l yi m p r o v et h es a f e t yo fm 撕t i m en a v i g a t i o i l ，锄dh e l p m 觚a g e m e n to ft h em a r i t i m e 池i i l i s 仃a t i o n b u tw i m 也ei n c r e 勰i n go f 也em n b e ro fs m p sa t s e a s a i l i r 培e r i r o n m e n th 嬲b e c o i n ei i l c r e a s i n g l yc o r n p l i c a t e d t h ee x i s t i n ga i ss y s t e m c a i l i l o ts a t i s 匆l o d e mm 撕n em a n a 薛m e n tn e e d s ，s 0m ea v i a t i o n 觚da e r o s p a c et e d m o l o g y r e f e r e n c et 0t l l ei 瑚矗t i m em a l l a 萨m e n th a sb e c o m ea 舱wr e s e a r c ha r e a w h e nt l l ea i ss y s t e m i si nl l i 出a l t i t i l d es t 嘶e 舶m 出p ，d u et os h i p 觚da i ss y s t e m sr e l a t i v em o t i o n ，s p a c ea i s s y s t e mc o v e f sm o r em a i lo n ec e l li i lt l l ec e l l u l a rc o m m 砸c a t i o i l s 觚do t l l e rr e a s o n s ，a tm e s a m et i i n es l 咄也er e c e i v e rr e c e i v e s 0 rm o r ea i ss i 弘a l ，m u s ，d e m o d u l a t i o n0 f c 0 c h 锄e l 缸e f f e r e n c es i 印a lo f a i sr e s e a r c hh a si m p o r t a i l ts i g i l i f i c a n c e t h i sp a p e rd i s c u s s e dt l l es i 驴a ln o n - c 0 h e r e l l td e m o d u l a t i o nt 0b eu s e do nt l l ec 0 一c h 锄n e l a i ss i g n a ld e m o d u l a t i o np r o c e s s ，w m c hf 1 0 c u s e do nt h ed i f r e r e n t i a ld e m o d u l a t i o n 弛dt h e n o 0 h e r e n td e m o 眦a t i o nb 懿e d0 n t e r b ia l g o 珊n d i 胁删a ld e m o d u l a t i o n 址l u d e s 1 - b i td i 伍：r e n c e d e m o d u l a t i o n 2 b i td i 伍：r e i l c ed e m o d u l a t i o na r l di 肌l t i - b i tc o m b i i l e d d i 胁e n t i a ld 咖o d u l a t i o n 1 h ed i 触e n t i a ld e m o d u l a t i o np e m 衄孤c e 诵mc 0 - c h 锄d i i l t e r f e r c n c ei sn o tg o o de n o u 曲，s 0w ep u tf o r v i 例r dm en o n c o h e r e n td e m o d u l a t i o nb a s e do n t e r b ia l g o r i nl 粥ab e n e rd e m o d u l a t i o np e 怕m a i l c e 诵t l lc o - c h 锄n e li m e 哦r e n c e ，s o w ec l l o o s ei tf o rt l l ec o c h a i l m la i ss i 盟a ls e p 删c i o np f o c e s s i i it i l i sp 印e r ，m u l t i - c h a r m e i p r o c e s s i n g ，s i 弘a lr e c o n 蚰r u c t i o na n ds i g n a ls u m r a c t i o nt e c t l i q u e sa r eu s e dt 0a c l l i e v em e c o c h 锄e l 灿ss i 驴a ls e p a r a t i o n 1 1 1t i l ea i sb a s e b 锄ds i g n a lp r o c e s s i n g ，w ea l s on e e d 缸l l l l e h e a dd e t e c t i o l l f r e q u e n c ys h j f te s t i m a t i o na n ds 弘n b o l t i i l l i i 培a l g o r i t h m t 0a s s i s to u r d e m o d u l a t i o n p r o c e s s h 1t l l i sp a p e r ，w ea l s oc o n d u c t e da l lt h ea l g o r i m m sr e s e a r c h e di nd e t a f i k e yw o r d s ：a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ( a i s ) ，g a u s s i a nm i l l i m 啪s l l i rk e y i n g ( g m s k ) m o d u l 撕。玛c o - c h 锄e li n t e r f e r e n c e ，n o n c o h e r e md e m o d u l a t i o l l ，c o c h 锄e 1 s i 龃a 1s e p a r a t i o n i i 硕士论文 同信道干扰下m s 信号非相干解调技术研究 l 绪论 1 1 研究背景 随着全球经济的快速发展，各国之间的经济贸易、政治往来越来越频繁，航运业 也得到了蓬勃的发展，因此海运安全又被提到了新的重要高度受到世界各国的重视【l 】。 当今社会，船舶容量和体积越来越大、航行速度也越来越快，大量的船舶通行致使水上 交通越来越拥挤，重大交通事故不断发生，对人类生命财产安全造成巨大威胁，也严重 污染了海洋环境。要避免这些问题，只能加强对航运的交通管理，因此人们研发出了很 多的助航设备来辅助水上交通管理。船舶之间的避碰一方面依赖船舶交通管理系统 ( v t s ) 对在岸台监控范围内的船舶进行管理，另一方面是依靠船舶之间的避碰原则。 v h f 无线电话一直是船舶之间、船舶与岸台之间的主要通信方式，但是由于人工操作存 在延时或是不明对方操作意图，这种通信方式不能适应现代航海技术发展的需求；a i 冲a 雷达虽然能够起到避碰作用，但是其不能识别船号，也不能实时告知航行船舶的当前状 态和目的，而且一旦天气恶化或是环境不满足条件，a i 冲a 雷达就会失效，导致事故发 生【2 】。因此，国际海事组织( i m o ) 、国际电信联盟( i t u r ) 、国际助航设备和航标 协会( 认l a ) 制定了国际标准，提出了采用自组织时分多址( s e l f o 玛a i l i z e dt i i l l ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，简称s o t d m a ) 技术的自动识别系统( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ， 简称a i s ) ，并强制要求各国船舶安装m s 设备。 船舶自动识别系统( m s ) 以船舶作为载体，能够与其他a i s 设备自动识别、相互 通信，它能够自动的将本船信息向其他设备发送，包括静态信息( 船舶识别码、船舶类 型、目的港等) 和动态信息( 位置、航向、速度、航行状态等) 以及相关的安全信息等 资料，并且可以接收其它船舶上a i s 系统发出的信息，给船舶的航行和避碰提供辅助信 息【3 】o 虽然址s 与雷达等相比有很多优越性，但它不能取代雷达等其它设备，趾s 可以增 强a i 冲a 雷达、v t s 和船舶报告的功能【4 】。a i s 系统具有显示功能，所有船舶的航向、航 线、船名等能够一目了然，利于快速做出航行决策，它的使用使船舶对周围交通情况有 了详细的认知，提高了航行的通畅性和安全性。 a i s 一经提出，便受到了广泛的重视，世界各国都在引进和使用a i s 系统，国际 组织也给予了足够的支持。虽然灿s 增强了船舶航行的避碰能力、方便了船舶之间的相 互通信、提高了船舶航行的安全性、增强了相关海事部门的监管能力，但是a i s 的很多 功能仍然没有得到广泛的应用，其主要原因是很多功能没有制定统一标准。i m o 正在完 善a i s 的各种功能并将其制定为统一的国际标准，增加a i s 的通用性。我国的a i s 体 系建设已经处于世界先进前列，强大的a i s 系统已经基本建立完成，但是其中也还存在 l 绪论硕士论文 一些问题，我国舢s 设备的船舶安装率不够高，a i s 系统中的很多电文信息也没有得到 充分利用，而且目前国内虽然能够生产触s 设备，但是由于功能完善性和价格等问题， 船舶所使用的灿s 设备还大多是外国进口。因此，国内的a i s 技术还需要更进一步的提 高，同时在功能和创新性上也需要进一步发展。 1 2 a i s 系统概述 1 2 1a i s 的定义 船舶自动识别系统( a i s ) 是工作在海上甚高频( v h f ) 频段，采用开放系统互联 ( o s i ) 的工作模式【3 1 ，能在所有区域自主和连续的工作，利用白组织时分多址技术 ( s o t d m a ) 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，随着位置、速度、航向等信息的改变，a i s 会实 时更新数据信息发送和接收，并将接收到的信息解调后显示在灿s 显示屏上，从而能方 便快捷的为监管部门和操控人员提供有效的信息和数据，采取船舶避碰措施。 国际电信联盟( i t u ) 在海上v h f 频段分配给m s 两个频道，即c h 8 7 b ( a i s l ， 1 6 1 9 7 5 m h z ) 和c h 8 8 b ( a i s 2 ，1 6 2 0 2 5 m h z ) 【5 】。趾s 设备有两个接收天线，在两个频 道上同时对砧s 信息进行接收，只有一个发射天线，规定的时隙内在两个频道上交替发 送信息。 1 2 2a j s 的系统构成 a i s 包括船载系统和岸台系统两部分【6 】。当装备越s 系统的船舶在v t s 控制水域行驶 时，a i s 系统一路接收单元与岸台保持联系，另一路接收单元与其他船舶进行信息传输 和交流，掌握交通情况，避免船舶碰撞。当船舶航行在没有v t s 覆盖的开阔水域时，a j s 的两个频道同时接收v h f 覆盖范围内其他船只的相关信息，并将自身的各种信息也通过 v h f 天线发射出去，与其他船只保持联系，以实现船舶的避碰功能。 a i s 船载系统的主要功能就是将船舶自身的静态信息、动态信息以及相关的安全信 息通过v h f 设备发送给其他船只，同时通过v h f 设备接收其他船只发送的相关信息，以 实现本船对周边海区的识别和监视。典型的越s 船载系统由一台发射机、两台v h f 接收机、a i s 通信处理器、信息处理器、g p s 接收机、输入输出设备、综合显示器组成 7 】o 其结构如图1 1 所示。 2 硕士论文 同信道干扰下a j s 信号非相干解调技术研究 图1 1a i s 船台系统组成框图 a i s 岸台系统包括a i s 信息管理中心、灿s 基站、v t s 、海事信息网【引，其结构图如 图1 2 所示。舢s 基站的功能主要是帮助其覆盖范围内的船舶中转各种信息，即a i s 基站 接收其覆盖范围内的船舶发送来的船位、航速和航向等信息，然后打包数据处理后发送 给覆盖范围内的其他船只，同时基站也为a i s 信息管理中心提供船舶航行的各项数据， 以供信息管理中心的船舶航行管理。a i s 信息管理中心是岸台系统的核心部分，管理整 个a i s 系统的通信，进行所有参与的船舶、基站之间的路由处理和信息排队处理，决定 从数据原发地到目的地的数据路由和信息接收方在网路中的排列，信息中心可以对服务 对象授权、对不同等级的用户提供不同的信息，把v t s v t i s 的船舶交通管理信息通过 a i s 广播发送到船舶a i s 终端，a i s 信息中心也向v t s v t i s 提供准确的船舶数据，可以 弥补基于雷达的v t s 对目标探测的局限。通过i n t e 对姬t ，信息中心可以接入如海事信 息网、船舶报告系统、航运信息网、国际航运中心等。 a i s 基站卜卜+ a i s 信息 jv t s i 椰基站卜 管理中心 一海事信息网 图1 2a i s 岸台系统组成框图 1 2 3 越s 的主要功能 由前面介绍的知识可知，如果船舶都装配了a i s 系统，则船舶就可以把本船的航行 信息发送出去，同时也可以接收到周围其他船只发来的航行信息，加上岸台系统的控制 作用，就能为各大水域、重要运河航道、海岸和港口的船舶管理带来巨大的方便，同时 也能降低海上船舶航行时的碰撞可能性。a i s 的主要功能包括以下几点： ( 1 ) 船舶避碰。船舶避碰需要船舶之间具有通信能力、提前达成协议才能做到， 而传统的船舶避碰，通信工具主要是v h f 电台，由于操作人员之间相互理解错误、沟通 延时等原因，没有及时达成避碰协议，导致事故的发生【9 j 。越s 系统提供了海上移动通 信业务标识( m m s i ) 码来进行船舶识别，每一艘船舶都具有自身独一无二的标识码， l 绪论硕士论文 提高了船舶的相互识别能力。 ( 2 ) 增强v t s 功能。v t s 目前的管理依据主要来自雷达信号和v 耶d f 设备，但是 这两种设备都存在操作复杂、耗时过长、容易出错等缺点，不能及时准确的提供航运信 息，而a i s 系统之间能自动建立联系，且接收信息准确，能够有效辅助交通管理，改善 航行安全，增强v t s 对监控区域的有效管理和控制【1 0 1 。 ( 3 ) 海事管理。灿s 能够自动连续的以要求的精度和频率对船舶航行的静态和动 态信息进行连续的监视和管理，并及时向其他船舶和岸台提供信息，以便于岸台的精确 跟踪。m s 数据发送保证了船上人员干预性最小，其发送接收的数据可用性强，可信度 高。 1 3 课题的研究意义 随着现代科技的发展，我国的航空航天技术水平快速提高，对航运系统的监控技 术不仅仅局限于船舶与岸台之间的交流和控制，目前已向着高空甚至是太空控制的方向 发展，即机载a i s 系统和星载灿s 系统，这将是新的技术领域，用来提高全球海运控制的 安全性和可靠性，同时这也是新的挑战，等待着技术人员去研究和实践。 机载或星载a i s 系统，相对于船载和岸台系统有很大的不同。岸台和船载a i s 系统 工作时，由于采用蜂窝通信的原理，使舢s 接收设备在同一时间不会同时收到同一信道 的两个址s 信号，这就避免了接收机的同信道干扰问题，在g p s 提供的对应时隙，接收 机只会接收到一组趟s 信号。当把a i s 系统转移到飞机或者是卫星上时，由于飞机的飞行 速度、卫星的相对运动以及机载或星载m s 系统能同时覆盖多个蜂窝通信区域，导致接 收到的烈s 信号受到多普勒频率的影响，不可避免的会出现同信道的信号干扰问题，而 机载或星载的m s 系统在体积和设计成本上都受到很大的限制，因此，如何解决m s 信号 的同信道干扰问题成为了一个有待解决的问题。 本文的研究正是基于上述问题提出的，在研究了基本的灿s 系统之后，针对信号的 同信道干扰问题进行了研究和解决，最终实现了同信道干扰下a i s 信号的分离。 1 4 本文的主要工作 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) a i s 系统的基本内容、结构和功能。要对船舶自动识别系统( a i s ) 进行研究， 首先要掌握a i s 的基本原理和、发展现状等内容，在此基础上才能对a i s 的功能做进一步 的扩展和研究，对灿s 信号做进一步的研究处理。 ( 2 ) a l s 信号的基带处理系统。a i s 系统包括三大模块：通信处理模块、基带处理 模块、射频模块和收发模块。其中基带处理模块作为通信处理模块与收发模块之间的桥 4 硕士论文 同信道干扰下舢s 信号非相干解调技术研究 梁，其作用十分重要。灿s 基带信号处理系统使用到了帧头检测技术、频偏估计技术、 符号定时算法等，在基带信号处理系统研究的基础上便可以进行同信道a i s 信号的处理 研究。 ( 3 ) 循环冗余检验研究。a i s 信号需要准确的恢复各项信息，才能实时准确的了 解船舶状态和位置，而在数字通信传输过程中由于噪声、码间串扰等各种原因不可避免 的会有误码的出现，为了更好的保证通信的可靠性，对信息序列进行循环冗余检验。 ( 4 ) g m s k 信号的调制。高斯最小频移键控( g m s k ) 是a i s 中采用的信号调制方 式，g m s k 信号的调制解调研究对a i s 系统的研究起着至关重要的作用，触s 系统设计是 在g m s k 信号调制解调的基础上进行的。在g m s k 信号调制成功后，才可以完成甜s 信 号处理系统的研究。 ( 5 ) g m s k 信号差分解调技术。g m s k 信号解调包括相干解调和非相干解调，本 文重点讨论非相干解调方法。非相干解调方法中以差分解调使用最为广泛，因此重点研 究了1 - b i t 和2 b i t 差分解调，在此基础上进行了多比特联合差分解调研究，并将其用于同 信道干扰情况，测试其解调性能。 ( 6 ) 同信道灿s 信号的分离。针对同信道a i s 信号的解调问题，使用了新的基于 v i t e r b i 算法的g m s k 非相干解调算法，利用相干解调中的匹配滤波原理和v i t e r b i 算法的 解调性能，使解调性能更好，具有更强的抗干扰能力。最终将该算法运用于同信道的信 号分离中，实现同信道内两个信号的有效分离。 1 4 2 论文的内容安排 第一章，绪论。主要介绍了本课题提出的背景、船舶自动识别系统( a i s ) 的概述， 本课题研究的重要意义以及本文的主要研究内容叙述。 第二章，趾s 基带信号处理算法。本章主要介绍了a i s 基带信号处理系统的基本结 构以及各部分的算法分析，包括舢s 信息结构，m s 基带信号处理系统结构，a i s 信号帧 头检测技术，频偏估计算法，数字信号的时钟定时算法，循环冗余检验原理等。 第三章，a i s 系统中g m s k 信号差分解调技术。主要介绍a i s 系统中g m s k 信号的 调制与差分解调技术，包括1 - b i t 、2 - b i t 差分和多比特联合差分解调，将其用于同信道干 扰下s 信号的解调，比较其性能。 第四章，a i s 系统同信道g m s k 信号分离算法。在本章中主要是针对a i s 的同信道 干扰问题使用了基于v i t e r b i 算法的新的g m s k 信号非相干解调算法，并将其用于同信道 a i s 信号分离系统中，在利用了多通道处理和信号重构相减等技术后，实现了同信道信 号分离。 在总结与展望中对本课题的研究进行了总结，提出了一些有待解决的问题和想法， 最后是致谢和参考文献。 s 2a j s 接收机系统基带处理算法 硕士论文 2 甜s 基带信号处理算法 a i s 的基本任务就是通过发送本船和接收它船的动静态和安全信息来达到船舶避 碰、海事管理、船舶通信等目的。系统数据链路层采用高级数据链路控制( h d l c ) 技 术，应用自组织时分多址( s o t d m a ) 通信协议进行数据的传输，调制方式采用高斯最 小频移键控( g m s k ) 调制，在接收端需要对接收到的信号进行解调解码，提取出有用 的信息，从而完成a i s 系统的各项任务。 a i s 系统包括通信处理模块、基带处理模块和射频模块三大部分。舢s 基带信号处 理模块是连通通信模块和射频模块的核心部分，包括数据的h d l c 打包、n i 屹i 编码、 ( m s k 调制、g m s k 解调等等。下面就对a i s 接收机基带信号的处理进行全面的研究， 实现灿s 接收机的基带处理任务。 2 1a i s 信息结构 灿s 中的信息传输需要通过对信息数据的打包来进行，每包数据的传输是在a i s 规定的一个时隙内完成的，将一分钟分为2 2 5 0 个时隙，则每个时隙约为2 6 6 7 m s ，即一 包数据的长度( 2 5 6 b i t ) 【l l 】。数据打包格式按照高级数据链路制( h d l c ) 结构标准进 行1 2 1 ，其结构如图2 1 所示。 2 6 6 7 - 嵋 帧校验序列 上升沿训练序列开始标志数据结束标志缓冲位 ( f c s ) 2 4 b i t8 b i t8 b i t 髓i tl 鹋b i tl 雠i t2 4 b i t 0 1 0 l 0 lo l l l l l l o0 1 1 1 1 1 1 0 图2 1 a i s 信息帧格式 图2 1 中各部分信息内容分析如下。 ( 1 ) 上升沿。长度为8 b i t ，留给射频接收机的缓冲时间，用于开机启动，大约为 8 0 0 j 。 ( 2 ) 训练序列( 或称为位同步码或比特同步码) 。长度为2 4 b i t ，用于收发端时钟 对齐、码元同步。训练序列是由0 、l 交替的数码组成的一段信号。趾s 系统的传输速 率为9 6 0 0 b p s ，则训练序列的信息时长为2 4 9 6 0 0 1 0 0 0 = 2 5 嬲，即留有2 5 m s 的同步 时间，该时间段在一个时隙( 2 6 6 7 m s ) 时间内所占的比例很小，这为后面的信息编码 留有了足够的时间，并且2 4 个比特的训练序列长度也能有效的保证接收机的同步响应， 当接收机检测到o 、l 交替的序列到来时，很快就能建立比特位同步。 6 硕士论文 同信道干扰下a j s 信号非相干解调技术研究 ( 3 ) 开始标志。长度为8 b i t ，表示信息的开始位，用于校验发射的信息包的开始， 作为信息数据的起始标志。 ( 4 ) 数据位。通常的长度为1 6 8 b i t ，数据位就表示数据包中真正传输的信息内容， 它包括信息标志和信息内容两部分。信息标志用来表示信息类别、信息数量、优先级和 路径等；信息内容是通信双方所需求的数据，对于a i s 来说，主要就是航行信息和安全 信息等。a i s 的数据位长并不一定都为1 6 8 位，当数据位长超过1 6 8 位时，需要用多个 时隙对数据包进行传送。 ( 5 ) 帧校验序列( f c s ) 。长度为1 6 b i t ，a i s 中数据传输运用的误码检测技术是 循环冗余检验( c i 屺) 。由于噪声、衰减等原因，使通信网络每一次传输数据都有可能 出现不同类型的错误，所以误码检测显得尤为重要。c r c 码是网络通信中使用得最广泛 的错误检验码，是一种漏检率低、便于实现的校验码。a i s 中使用的c r c 校验码生成 多项式为国际标准中的c c i t t - 1 6 标准所定义的生成多项式。 ( 6 ) 结束标志。长度为8 b i t ，表示传输信息的结束，其结构与开始标志位相同。 ( 7 ) 缓冲位。长度为2 4 b i t ，它包括了数据位中4 b i t 的填充，1 2 b i t 的距离延迟， 2 b i t 转发延迟和6 b i t 的同步抖动。 在a i s 信息帧的组帧过程中有一些需要注意的问题【l 3 。 ( 1 ) 比特填充。以上所述各部分字段中，数据部分和f c s 比特流应受位填充控制， 也就是说一旦发现输出比特流中连续出现5 个“l 后面必须插入1 个“o ，这种比特 插入适用于除开始和结束标志外的所有比特，目的也是为了解调数据中寻找开始和结束 标志时避免出错。 ( 2 ) h d l c 字节反转。址s 规定，发送的数据是按8 b i t 作为一个字节进行分段的， 字节从高到低进行排列，在发送时，字节是按最低比特位最先发送的顺序进行的，因此， 相当于对全部数据做了一次8 b i t 的字节反转。 2 2a i s 基带信号处理系统 完整的a i s 接收机应该包括射频接收天线、a 巾采样系统、数字下变频处理、基 带处理等部分。在本设计中仅考虑基带处理部分的内容，接收机前端射频天线接收的信 号经过a ，d 采样，以及一系列的数字下变频处理，得到8 倍数据率( 7 6 8 m z ) 的数字 信息数据存入数据缓存中供后面的处理使用。 a i s 基带信号处理的原理框图如图2 2 所示。首先将数字下变频后的基带信号通过 数字低通滤波器，低通滤波器输出结果进行帧头检测和频偏估计，对原信号进行频偏抵 消之后的信号进入解调过程。对于信号的解调原理，在后面的章节中将进行详细的研究， 在此先不作介绍。解调过程中需要对接收信号进行定时处理，即信号的位同步，定时准 7 2 朋s 接收机系统基带处理算法硕士论文 确可提高解调的正确性，解调结果中寻找到信息的起始标志和结束标志，对信息序列进 行“去除插入的0 字符 处理，然后进行c i w 校验，若校验通过，则可对数据做进 一步的处理和使用，若校验错误，该帧信息将被丢弃，继续接收下一帧信号进行上述处 理过程。 图2 2a i s 基带信号处理的原理框图 a i s 接收机接收到的每一帧信号在前端处理后都要经过上述系统的处理，才能确定 接收到的信息是否有用，确定接收到的信息类型( 动态信息、静态信息、或是安全信息 等) ，从而对信息进行利用，并根据接收到的信息，确定本船的发送信息，实现船船 通信和船岸通信，保证航行安全。 a i s 基带信号处理系统中用到的处理技术包括帧头检测技术、频偏估计技术、解调 中抽样判决时需要的时钟定时算法等。 2 2 1 甜s 信号帧头检测技术 在实际的a i s 接收机中，可以根据协调世界时间( u t c ) ( 由g p s 提供) 进行准 确的时隙定位，判定是否有数据到来，但是在本设计中由于没有g p s 的辅助，对接收 到的信号需进行帧头检测，判断是否有信息帧到来，因此在本节将介绍a i s 信息帧头检 测算法，利用了a i s 信息结构中训练序列的特点来进行。 假设接收到的信号形式为 j 阿f ，o ) = 1 专笋c o s ( 2 丌正f + 纯。一g c ) + ) + 刀o ) ( 2 1 ) y上6 其中， ( ，) 是单边功率谱密度为o 的加性带通高斯噪声，邑和乃是比特能量和比特周 期，乃是采样周期，妒。是初相，织( f ) 是发射载波调制相位，s c 是由于信道滤波器等引 起的延时导致的采样点偏移时间。玎“) 的表达式可以写为 ( f ) = ( f ) c o s ( 2 7 正f ) 一心( f ) s i n ( 2 7 r z f ) ( 2 2 ) 不失一般性，s 正范围可以限定为 一( 乃2 ) ，瓦2 ，忽略噪声的影响，解调的同相 和正交基带信号分量为 硕士论文 同信道干扰下a i s 信号非相干解调技术研究 m ) 2 序咖( 2 岍啪叫m ) ( 2 3 ) 盼挎飒2 柳小吨功删 上式中，鲈= 以一z ，即载波频率偏移，9 是由信号频偏和接收端载波频率偏移 引起的相位偏移。将基带信号m ) 和q ( f ) 通过一个基带频率鉴别器，其输出信号为 此) = 辈辫 ：鲨盟垡剑堡型立g 二兰型( 2 4 ) = ：一 - t ， f ( f ) + q u ) = 2 7 功旷+ 啦o s 互) 式( 2 4 ) 中2 蟛为一直流分量，识o s e ) = ：。断o s z 一所2 乃) ，由2 1 节的介绍可知，训练序列的结构为0 1 0 l o l 0 1 ，因此晚o g c ) 是一个周期为2 乃的周 期分量。假设信号有m ( 正整数) 个周期，1 i ( f ) 可表示成 驴( f ) ：2 蟛+ 窆 g r ( 卜g 瓦一所2 瓦) ( 2 5 ) 驴( f ) = 2 蟛+ g r ( 卜g 瓦一所2 瓦) ( 2 5 ) 将毋( f ) 以采样周期霉采样，结果为 咖【，z 】= 妒( 刀e ) = 2 ，影+ 讧( 刀互一s z ) 浏+ 戮一别 q 石 = 2 蟛+ 珂一s 一聊等i i 。 埘= o i上j l 其中，g ，【刀】表示所( f ) 在，= 玎i 时刻的采样值。式( 2 6 ) 中看出州”】周期为r = 2 瓦疋。 设= m r ，定义妒【刀】的点离散傅里叶变换( d f t ) 为、壬， 七】，表达式为 叫七】= 勤甩】唧p 等刀 ，外 ( 2 7 ) 叫七】_ 小】e x p o 等刀 ，o 七一1 ( 2 7 ) 打= 0l o j 由g m s k 的调制原理可知，式( 2 4 ) 中的晚( f ) 可表示为 识( f ) = 万壹 g ( f 一2 刀瓦) 一g ( ，一( 2 玎+ 1 ) 瓦) ( 2 8 ) 上式中g ( f ) 表达式将在第三章中进行介绍。对于舢s 信号训练序列( 0 1 0 1 0 l o l ) 而言，妒。( f ) 是周期为2 瓦的周期信号。g m s k 信号训练序列调制信号的晚( f ) 和、王，【七】的 波形如图2 3 所示。 9 2 舢s 接收机系统基带处理算法 硕士论文 ( a ) 基带频率鉴别器输出信号晚( ，) 波形 ( b ) 晚( ，) 做df t 运算后i 、王，【七】l 波形图 图2 3 原始训练序列咖( f ) 和i 、壬，【七】i 的波形 具体检测方法分析如下：当有信号输入时，依次截取2 4 瓦长度的数据进行检测运 算，数据经过式( 2 4 ) 一式( 2 7 ) 的处理之后，如果取到的数据包含有训练序列，则会 得到式( 2 7 ) 的输出结果，即图2 2 中( b ) 所示信号，采用= 1 9 2 点的d f t 运算， 则d f t 结果峰值位置为刀= 1 ( 2 乃) 吗= 1 ( 2 瓦) x 乃8 = 1 6 = 1 2 ，此时，只需检 测d f t 结果在刀= 1 2 的位置是否有峰值出现就可确定是否有a i s 信号帧头到来。在检 测d f t 相应位置是否出现峰值时，存在一个门限选取的问题，当有噪声存在时，门限 的变化差异会很大。为了保证峰值检测门限的自适应性，我们采用d f t 峰值点的值与 峰值点后面8 个点的值的平均值进行比较，当比值大于一定倍数时，标记为有一次帧头 过门限。接着向后移动一个比特，截取下一个2 4 磊长度的数据进行运算比较，当有连续 三次检测通过门限时确定为有帧信号到来，这样的判决方法也避免了某次因为噪声的原 因导致的过门限而误判信息帧到来。 对于实际的a i s 接收系统而言，在灿s 信号组帧之后调制之前，需对信号进行差 分编码，差分编码后的训练序列的结构形式为( 1 1 0 0 1 1 0 0 ) ，调制信号频率鉴别器输 出的信号周期将变成原信息序列调制信号的两倍，此时信号d f t 后的峰值点应出现在 图2 3 中峰值点出现位置一半的地方，即，l ，- 1 ( 4 瓦) 幄= 1 ( 4 瓦) 瓦8 = 3 2 = 6 ， l n 硕士论文同信道干扰下m s 信号非相干解调技术研究 此时需检测d f t 后、班6 】处是否存在峰值点。具体的波形如图2 4 所示。 0 2 o 1 誓 o _ 1 0 。2 _ 俄- i 丹_ r 一 (卜矜 件- - 。1 f 。 研守粥- 7 争秽二 十 u o2 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0 2 0 0 t ( a ) 基带频率鉴别器输出信号晓( f ) 波形 ( b ) 晚( f ) 做d f t 运算后i 甲 j j 】i 波形图 图2 4 差分编码后训练序列蛾( f ) 和i t 七】i 的波形 2 2 2a i s 信号频偏估计技术 在无线通信系统的发射和接收过程中，由于信道衰落、多普勒效应、发射和接收 端的载波频率偏移将造成接收信号的中频偏差、收发端的相对运动等将使接收信号具有 频率偏移现象。信号存在频率偏差将使解调性能大幅下降，误码率提高【1 5 1 6 】。因此，在 信号进入解调环节之前，需要对信号进行频偏估计和抵消。下面就结合a i s 信息结构以 及g m s k 调制方式的特点对信号进行频偏估计和抵消。 在a i s 系统中，该部分处理的主要目的是实现a i s 信号的频率偏移估计和抵消， 同时利用信号相关的方法可以把帧头的准确位置定位出来，供后面的处理使用。在此利 用训练序列和起始标志已知的特点进行频偏估计。在2 2 1 节中我们已经对信号的帧头 位置做了初略的定位，检测到有a i s 信息帧到来，根据初略的定位位置，可以知道训练 序列就出现在初始定位前后的位置。利用训练序列的已知性，一个自然的想法就是将训 练序列调制后与接收信号进行相关运算，从而进行频偏估计，同时还能精确定位帧头位 置。为了突出相关峰值，考虑将起始标志的8 个比特也放入相关的行列进行计算。 2a j s 接收机系统基带处理算法 硕士论文 具体操作步骤为：选定初始定位前后6 4 瓦长度的数据先进行1 - b i t 差分运算，然后 将2 1 节中介绍的a i s 信息帧中的训练序列和起始标志( 共3 2 b i t ) 进行本地g m s k 调 制后，同样进行1 - b i t 差分运算，接着对两者做共轭相关，其结构如图2 5 所示。 图2 5 频偏估计相关运算框图 ( t ) 在图2 5 中s o ) = p 却( ) 表示已知的训练序列和起始标志的本地调制信号，由本地接 收机产生。接收到的信号中假设只存在频率偏移的情况，即，( ，) = p m 蚴+ 9 ( h 表示接收到 的基带信号，s o ) 与，9 ) 的采样频率相同。血9 ) 和，( ，) 分别表示j 9 ) 与，o ) 经过1 比特 差分处理后的结果，其表达式为 j o ) = j ( f ) j ( f 一瓦) = p 抑7 p 一抑卜毛= p ，咖一9 卜毛) 】 ( 2 9 ) ，( ，) 2 翟芝o ：瓦；! ：儿2 彤岬。h p 犯姒卜劲岬。喝 ( 2 1 0 ) 一口j 【2 鸩佛+ p ( 1 ) 一妒o 一五) l j j c 心o ) 表示厶( f ) 和，o ) 进行共轭相关运算后的结果，其表达式为 尽蛐( ，) = ，( ，) 0 血( 一r ) ( 2 1 1 ) 上述的共轭相关过程，当血o ) 和，o ) 完全相关时( 假设此时的时间点为) ，则 尺蛐( r o ) = 嗍+ 妒7 呻7 一驯p 一肿m 一毛阳= p 7 2 蛳 ( 2 1 2 ) 在a i s 基带信号的处理中，处理的信号都是经过接收机前段采样和数字下变频的 结果，处理的是数字信号，因此上述的处理过程都要经过采样周期为正的采样处理，即 刀】= s 互) ，厂 刀】= ，0 e ) ，血【刀】= 厶( 刀c ) ，印】= 厶，c ) ，心血【刀】= 心缸 c ) ， 因此式( 2 1 2 ) 经过采样处理后，将在最接近起始标志( 7 e h ) 结束地方的采样点处 出现一个局部峰值点，此时，接收信号与本地调制信号完全相关，得到的峰值点表达式 为【1 2 】 山h 】= p 口虮 ( 2 1 3 ) 假设取过采样率q = 8 ，即毛= 8 互，则训练序列和起始标志( 3 2 比特) 的已调信 1 2 硕士论文同信道干扰下a i s 信号非相干解调技术研究 号与接收到6 4 乃长度信号相关结果波形如图2 6 所示，此时只需取出峰值点相关值求相 位，相位值中便包括了频偏值鲈，于是便可将频率偏移值求出，同时，信号帧头的准 确位置也由相关信号峰值给出，即峰值点位置为开始标志结束的采样点。 图2 6 训练序列和起始标志l - b i t 差分后相关输出 在信号的组帧过程中，训练序列存在两种形式( 0 l o l 和1 0 1 0 ) ，触s 信号在调 制之前还要经过差分编码，差分编码的初始状态又存在两种情况( 1 ) ，在调制过程中 就出现了训练序列和起始标志编码的四种组合，因此，为了准确定位、找出频偏、确定 初始状态，需要对四种情况下的组合分别调制后与接收信号进行相关运算，从中找到峰 值最高状态，才能确定接收到信号的训练序列形式和差分编码的初始状态，供后续解调 过程使用。 2 2 3 甜s 信号符号定时算法 在数字通信中，接收信息是一串码元的序列，解调时常常需要知道每个码元的起始 与截止时刻，即进行码元同步( 或位同步) ，在接收端得出接收信号准确的频率、相位 等信息。解调的目的就是为了恢复发送的数字信息序列，在数字通信系统基带接收机解 调过程中，必须对信号进行周期性的采样，每个符号间隔采样一次，对采样结果进行判 定，恢复信息序列。信道在传输过程中的延时一般是未知的，因此，需要在接收端从接 收到的信号中恢复符号同步信息。下面就结合a i s 系统中g m s k 调制方式的信号类型 进行符号定时算法的推导。 g m s k 调制信号的复包络表示 阳x p ( 豇莓仅尔瓦) ) ( 2 1 4 ) 1 3 2a j s 接收机系统基带处理算法硕士论文 其中位。 1 ) 是信息原始序列，g o ) 为调制信号中高斯滤波器矩形脉冲相应的积分，表 q ( f )