一种基于星载ais系统的信号检测与频偏估计算法
阅读说明：本技术 一种基于星载ais系统的信号检测与频偏估计算法 (Signal detection and frequency offset estimation algorithm based on satellite-borne AIS system ) 是由 戴雨峰 于 2021-01-08 设计创作，主要内容包括：本发明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-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明显关系。(The invention discloses a signal detection and frequency offset estimation algorithm based on a satellite-borne AIS system, wherein before relevant detection, the mean value of a receiving sequence after difference is required to be subtracted, namely, the direct current component is subtracted, and then the receiving sequence is correlated with a local sequence, so that the relevant peak value and the peak value characteristics are almost irrelevant to the frequency offset within the range required by a frequency offset index, and a unified detector structure can be used under different frequency offset conditions. The invention combines the self-adaptive threshold correlation detection method with the peak value characteristic matching method, and secondary peaks are screened out due to characteristic mismatching. The two are combined to overcome the problem of secondary peak interference caused by non-pseudo random codes of the training sequence, and the optimal peak position is accurately detected. The invention can effectively solve the problem of large Doppler frequency offset under the satellite-borne condition, the false alarm missing probability is far lower than the system packet loss rate within the range of-4 kHz to +4kHz required by indexes, and the system packet loss rate has no obvious relation with the frequency offset.)
技术领域
本发明涉及船舶通信领域，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。
背景技术
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。本发明的研究对象是“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。
星载AIS接收机的研制需要解决两个关键问题：
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。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
发明内容
本发明的目的在于针对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。
为了达到上述的目的，本发明提供一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法，包括步骤如下：
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。
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。
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。
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λi0，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λi，然后按照以下公式计算出误差平方和：
若e＜δ，δ为设定的门限，则认为满足特征，表示检测到信号；
若e＞δ，则认为不满足特征，表示尚未检测到信号。
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。
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。
与现有技术相比，本发明的技术有益效果是：
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。
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。
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。
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。
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-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明显关系。
附图说明
本发明的一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法由以下的实施例及附图给出。
图1为改进的AIS解调系统实现框图；
图2为改进的相关检测器实现框图；
图3为信号检测相关器输出与自适应门限的关系；
图4为基带信号；
图5为不同频偏条件下丢包概率、漏警概率曲线。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的一种基于星载AIS系统的信号检测与频偏估计算法作进一步的详细描述。
1)AIS解调系统框图及实现步骤
经本发明设计的AIS解调系统结构框图如图1所示。实现分如下步骤进行：
1)模拟输入信号被AD采样后转成数字信号，经过一定深度的数据延迟器，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，混频的作用是将中频信号搬移至零中频。
2)混频后信号经过低通滤波器，以滤除带外噪声和镜像频谱，滤波器带宽应包含最大频偏时的信号。
3)然后进行数据差分运算，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。
4)当相关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。
5)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；其二调整位同步环的相位，即进行初相补偿；其三切换数据延迟开关，使输入到正交混频器的数据为延迟若干符号之后的数据，即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这段时间内，频率已补偿且有足够的时间使位同步锁定。
6)差分之后进行匹配滤波、位同步、数据判决、帧头帧尾检测、CRC校验等操作。
下面对本发明所提信号检测和频偏估计等关键模块进行具体分析和描述。
2)数字下变频
AIS系统采用GMSK调制，接收机采样信号的数学形式为：
其中fc为载波中心频率，f(τ)为数据信息调制引入的频偏，为初相，n0为噪声，为了方便后续理论分析，暂不考虑噪声。
由于卫星与发射机的高速相对运动引入的多普勒频移以及接收机与发射机频率不同源，导致数字下变频后的信号存在频率残差Δf，其信号可表示如下：
离散形式为
3)相关检测器
采用相关检测的方法寻找训练序列的起始点，为了提高相关检测的性能，把8个符号帧头序列也利用上，加上训练序列一共32个符号做相关检测。
在相关检测之前，先对s(n)做相位差分(1bit差分)得：
其中angle(·)表示求复数的辐角，FPGA代码中采用cordic IP核实现，Nb表示一个符号周期内的采样点数。
公式(4)所示的相位差分信号中包含了多普勒频偏Δf和数据调制频偏f(n)，其中多普勒频偏Δf对的贡献仅为直流分量，而f(n)为数据调制频偏，对于训练序列来说，01的概率相等，故其对直流分量贡献接近0，表现为由于数据交替引入的交流分量，故将差分序列减去自身均值，即减去直流分量，也就是消除了频偏对相关值的影响，然后再将其通过系数为理想无频情况下的匹配滤波器，当接收差分序列与本地训练序列匹配上时，匹配滤波器输出峰值。本文采用雷达领域恒虚警率检测的结构来得到自适应门限，当相关器输出的峰值高于自适应门限即认为相关检测有效。
相关检测器结构如图2所示。相关之后，将相关结果送至长度2R+1的缓冲器中，假设当前需要与门限判决的值存放在ZR单元(被测单元)里，则此时自适应门限值由被测单元之前的R个参考单元值与被测单元之后的R个参考单元值共同计算出来，采用取均值的方式来得到基底功率μ。将得到的基底功率乘以门限因子p即可得到自适应门限值。
4)峰值特征匹配
做相关检测的训练序列一般要求满足伪随即特性。AIS的训练序列为01交替的序列，不满足伪随机特性，当完全匹配上时输出最大峰值，但是在最大峰值附近必然出现略小的次峰，在频偏和噪声影响下，这些次峰均可能超过自适应门限，从而会对主峰的判决造成干扰。为了解决这个问题，本发明提出一种特征匹配的方法，次峰因不满足特征而被剔除，仅留下主峰，从而达到利用次峰增益的效果。
01交替的序列通过NRZI编码后变成0011交替的序列，周期为2个符号，所以在最大峰值两边每隔2n个符号就会出现次峰，而每隔2n+1个符号会出现零点，假如没有噪声，这些次峰值与主峰值的比值恒定的，可以预先计算出来。有噪声情况下，会存在一定的误差，只要每个次峰与主峰比值的与理想比值的误差平方和小于某个门限，则认为符合特征，否则不符合特征。
假设考虑主峰前面的L个次峰，理想情况下，次峰与主峰的比值分别为λi0(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λi，然后按照公式(7)计算出误差平方和。
若e＜δ(δ为设定的门限)，则认为满足特征，表示检测到信号；
若e＞δ，则认为不满足特征，表示尚未检测到信号。
5)频偏估计
公式(4)前面一项为跟多普勒频偏有关的项，表现为整体偏移，频偏越大则整体偏移越大，后面一项则跟发送数据相关，若发送数据01概率相等，则其统计均值的期望为0。
对上式两边求和：
由于AIS的训练序列由01交替的序列组成，那么上式右边在训练序列区间的求和为0，即
代入(6)式消除右边项后
频率控制字增量
由公式(9)可知，只需在检测到信号之后对缓存的取均值即可得到频率控制字增量，然后对DDS输入的频率控制字进行补偿即可完成频偏修正。
例如：AIS符号速率fd＝9600Hz，仿真采样速率为64倍符号速率，即614.4kHz，在信噪比Eb/N0＝12dB、频偏为4000Hz条件下，相关器输出和自适应门限如图3所示。当没有信号到来，即纯噪声时，相关器输出值很小，远小于有调制信号的情况。当接收训练序列与本地匹配序列完全对上时输出最大峰值，同时最大峰值周围出现周期性次峰，次峰也有可能超过自适应门限，但会被特征检测模块剔除，最终保留主峰，完成帧头同步。由于检测到信号之后，通过切换延迟开关使训练序列和帧头重新进入，在N个符号之后第二次检测到峰值，此时无需再进行频偏估计和补偿，且位同步已锁定，只需利用解调数据判断帧起始标志。
基带信号如图4所示，在检测到信号之前，由于存在频偏，差分后的基带信号有整体直流偏置，检测到信号并对频偏进行估计和补偿之后，基带信号的均值被校正回0附近，此时再以0为门限进行判决解调出数据。图中圈表示位同步采样点，虚线表示判决门限。
衡量系统性能的指标之一是系统丢包率，其主要由两部分因素决定，一部分是由于信号检测模块漏警导致，另一部分是数据解调产生误码导致，即必须信号检测正确，且包括帧头、帧尾、数据、CRC校验在内的约200个数据全部正确解调才表示没有丢包。如图5所示，上面三条曲线为分别表示频偏0Hz、2kHz、4kHz条件下系统总的丢包率。三条曲线相比，系统丢包率跟频偏没有明显关系。下面三条曲线分别表示频偏0Hz、2kHz、4kHz条件下信号检测模块的漏警概率。频偏越大，漏警概率虽有升高，但都远远小于系统丢包率，满足应用需求。
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