CN103986543B - 一种用于星载ais信号接收***的时隙同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于星载AIS信号接收***的时隙同步方法，包括如下步骤：在一个AIS时隙内，从接收到的连续信号上，每隔一段时间，取出M个一定长度的信号段，对每个信号段分别进行离散傅里叶变换，将时域信号变换为频域信号；将频域信号分别与本地参考频域信号进行相关运算，获得M×N个相关值；从获得的相关值中取最大值，将最大值对应的接收信号段的起始时间作为同步时间，对应的本地的参考信号的频率偏移值作为同步频率点，根据获得的同步时间和同步频率点进行时隙同步。本发明具有以下有益效果：本发明能有效地完成星载AIS信号接收***的时隙同步；本发明方法步骤简单，易于实现，而且占用资源少，执行效率高。

Description

一种用于星载AIS信号接收***的时隙同步方法

技术领域

本发明属于信号时隙同步技术领域，具体涉及一种用于星载AIS信号接收***的时隙同步方法。

背景技术

2002年国际海事组织(IMO)提出船舶自动识别***(Automatic IdentificationSystem，AIS)并强制在船舶上应用，AIS是一种安装在船上的电子通讯设备。AIS***可不间断的广播本船的位置等信息并接收周边船只广播的信号，这样船只就能掌握周边航行的船舶状况，从而保证航行的安全。

船舶自动识别***(AIS)使用SOTDMA通信协议，该协议将一分钟等效为一帧，每帧分为2250个时隙，一个时隙的时间宽度为26.67ms，每艘船每次利用一个时隙来广播信号。

每个时隙发送的消息格式如图1所示，其中，(同步码元)Training sequence一共24位(bit)，开始标识(Start flag)是8位(bit),可用作接收机的同步参考。由AIS***的消息格式可知，AIS信号的发送是以消息包信号(burst)的形式发送的，每次发射发送一个消息包。相邻两个消息包的数据来自于不同的信号源。这样的特性，决定了AIS的接收也只能采用消息包信号(burst)的形式，也即只能对每一消息包信号单独接收，这就要求对每一消息包信号进行同步。这里所说的时隙同步也就是对每一个消息包信号(burst)的同步。

在太空接收AIS信号不可避免地要应对新的技术挑战，对于通信***的同步来说，主要是由于卫星的速度很快，接收到的来自地面的AIS信号有较大的多普勒频偏。对于运行在离海平面600km、速度为7.56km/s的AIS星载***，其最大频偏可达4.082kHz，而实际AIS***的bit速率是9600bit/s，多普勒频偏将严重影响AIS***的同步性能和接收性能。所以频率偏移的估计和同步即载波同步也是星载AIS信号接收***同步的重要方面。

载波同步是通信***特别是无线通信***非常关键的环节。一般地，接收***采用锁相技术来对接收信号进行载波同步，但锁相环同步适用于有一定时间长度的信号，因为锁相环完成同步需要一定的时间对于AIS这种短时突发信号，锁相环无法完成载波同步。本专利所述同步算法则是为解决AIS信号的时隙和频率同步而设计。

发明内容

本发明提供一种用于星载AIS信号接收***的时隙同步方法，具体的技术方案如下：

一种用于星载AIS信号接收***的时隙同步方法，包括如下步骤：

初始化步骤，在一个AIS时隙内，从接收到的连续信号上，每隔一段时间，取出一定长度的信号段，共M个信号段，对每个信号段分别进行离散傅里叶变换，将时域信号变换为频域信号，获得M个频域信号；

相关运算步骤，预设N个本地参考频域信号，将M个频域信号分别与N个本地参考频域信号进行相关运算，获得M×N个相关值；其中，本地参考频域信号包括无频率偏移参考信号序列以及循环移位序列，循环移位序列由无频率偏移参考信号序列进行循环移位获得；

同步结果获取步骤，从获得的M×N个相关值中取最大值，将最大值对应的接收时刻作为同步时间，将最大值对应的频率偏移值作为同步频率点；根据同步时间和同步频率点进行时隙同步。

作为优化方案，相关运算具体为：

设S_k为第k个频域信号对应的一组数据，C_l为第l个本地参考频域信号对应的一组信号序列，将数据S_k与信号序列C_l进行相关运算，如公式(2)所示：

$D_{\mathrm{kl}}=\underset{m=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k\left(m\right)C_l\left(n\right)---\left(2\right)$

上式中，k＝0,1,...,M-1，l＝0,1,...,N-1；D_kl表示运算获得的一个相关值；

所有相关运算均完成后，即得到M×N个相关值。

作为优化方案，无频率偏移参考信号序列指的是根据AIS信号的调制方式，由AIS信息包中固定的32位数据调制而成的频域信号序列。

作为优化方案，无频率偏移参考信号序列预存在接收机中，循环移位序列由无频率偏移参考信号序列进行循环移位后获得。

作为优化方案，将最大值对应的数据S_k的起始时间作为同步时间，将最大值对应的信号序列C_l的频率偏移值作为同步频率点。

作为优化方案，离散傅里叶变换具体为：

设1个码元的时间长度为从接收信号中取信号段的间隔，每隔一个时间间隔从连续的接收信号中取出P个数据，P个数据形成一数据组，由此获得M个数据组；根据公式(1)对每个数据组分别进行离散傅里叶变换：

$S_k\left[n\right]=\underset{l=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(l\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{P}\mathrm{nl}},(n=\mathrm{0,1,2}...P-1)---\left(1\right)$

其中，s_k(l)指的是取出的第k个数据组中的第l个数据，k＝0,1,2,...,M-1；

所有数据组均完成离散傅里叶变换后即完成从时域信号到频域信号的转换。

作为优化方案，P为32乘以采样速率，采样速率为每个码元的采样点个数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明解决了常用通信同步技术不适用AIS信号接收***的缺陷，能有效地完成星载AIS信号接收***的时隙和频率同步；

(2)本发明方法步骤简单，易于实现，而且占用资源少，执行效率高。

附图说明

图1为AIS信号中每个时隙发送的消息格式；

图2为本发明提供的时隙同步方法的总流程图。

具体实施方式

下面结合附图以实施例的方式详细描述本发明。

实施例1：

如图1所示，一种用于星载AIS信号接收***的时隙同步方法，包括如下步骤：

步骤S1，初始化步骤，在一个AIS时隙内，从接收到的连续信号上，每隔一段时间，取出一定长度的信号段，共M个信号段，对每个信号段分别进行离散傅里叶变换，将时域信号变换为频域信号，获得M个频域信号；

步骤S2，相关运算步骤，预设N个本地参考频域信号，将步骤S1所得M个频域信号分别与N个本地参考频域信号进行相关运算，获得M×N个相关值；其中，本地参考频域信号包括无频率偏移参考信号序列以及循环移位序列，循环移位序列由无频率偏移参考信号序列进行循环移位获得；

步骤S3，同步结果获取步骤，从获得的M×N个相关值中取最大值，将最大值对应的信号段起始时间作为同步时间，将最大值对应的本地参考序列的频率偏移值作为同步频率点。根据同步时间和同步频率点进行时隙同步。

利用本实施例提供的时隙同步方法能够实现AIS信号的时隙同步，从而解决传统的利用锁相技术的信号同步方法无法适用于AIS信号的缺陷。

实施例2：

本实施例相对于实施例1，区别在于：

步骤S1，初始化步骤中的离散傅里叶变换具体为：

利用AIS数据包的前32bit码元的固定性来做同步，即，将接收到的每组AIS信号中的前32位码元作为同步参考信号。前32位码元中包括同步码元(Training sequence)24bit，具体码元为0101……0101；以及开始标识(Start flag)8bit，具体码元为01111110。

设1个码元的时间长度为从接收信号中取信号段的间隔，每隔一个时间间隔从连续的接收信号中取出P个数据，所述P个数据形成一数据组，由此获得M个数据组；其中，P为32乘以采样速率，所述采样速率为每个码元的采样点个数。根据如下公式对每个数据组分别进行离散傅里叶变换：

$S_k\left[n\right]=\underset{l=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(l\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{P}\mathrm{nl}},(n=\mathrm{0,1,2}...P-1)---\left(1\right)$

其中，s_k(l)指的是取出的第k个数据组中的第l个数据，k＝0,1,2,...,M-1。

所有数据组均完成离散傅里叶变换后即完成从时域信号到频域信号的转换。

步骤S2，相关运算步骤中的无频率偏移参考信号指的是根据AIS信号的调制方式，由AIS信息包中固定的32位数据调制而成。接收机中只须预存无频率偏移参考信号序列，而循环移位序列由无频率偏移参考信号序列进行循环移位后获得。

假设星载AIS接收机接收到的多普勒偏移范围是-4KHz到4KHz之间，则可取400Hz为间隔，这样共有21个本地参考信号，设第一组参考信号为c₁，……第k组参考信号为c_k。以其中0Hz为基准本地信号(即无频率偏移参考频域信号对应的时域信号)，求出其傅里叶变换(也是将时域信号转换到频域信号，获得无频率偏移参考信号序列，其傅里叶变换的公式与公式(1)类似，在此不再赘述)，其他有多普勒偏移的参考信号(即前文所述的循环移位序列)在此基础上进行循环移位得到。依次获得本地参考信号对应的频率域序列，分别为C₁……C_k,这样的参考序列共有N组。

下面对循环移位的方法进行说明：

假设有序列C₁＝{C₁(0),C₁(1),...,C₁(P-2),C₁(P-1)}，则其向右循环移一位得到的序列为C_{1_1}＝{C₁(P-1),C₁(0),...,C₁(P-3),C₁(P-2)}，向左循环移一位得到的序列为C_{1_-1}＝{C₁(1),C₁(2),...,C₁(P-1),C₁(0)}。以此类推，根据多普勒偏移对无频率偏移参考信号序列进行上述循环移位，即可获得所需的循环移位序列。

将每组频域信号分别与本地参考频域信号进行相关运算，即，将上述步骤中获得的M组数据S分别与N组序列C进行相关运算，以第k组数据S_k与第l组序列C_l进行相关运算进行说明，用D_kl表示运算结果，如公式(2)所示：

$D_{\mathrm{kl}}=\underset{m=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k\left(m\right)C_l\left(n\right)---\left(2\right)$

上式中，k＝0,1,...,M-1，l＝0,1,...,N-1。

所有相关运算均完成后，得到一数组D，包含M×N的数据，即相关值。

步骤S3，同步结果获取步骤：

找出数组D中模值最大的数据，假设该最大数据为D_kl，则它是S_k和C_l的相关运算结果，则S_k的起始时间则为AIS信号的起始时刻，而C_l对应的频率偏移则是AIS信号的频率偏移，这样就完成了AIS信号的时间和频率同步，即完成了AIS信号的时隙同步。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于星载AIS信号接收***的时隙同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

初始化步骤，在一个AIS时隙内，从接收到的连续信号上，每隔一段时间，取出一定长度的信号段，共M个信号段，对每个信号段分别进行离散傅里叶变换，将时域信号变换为频域信号，获得M个频域信号；

相关运算步骤，预设N个本地参考频域信号，将M个频域信号分别与N个本地参考频域信号进行相关运算，获得M×N个相关值；其中，所述本地参考频域信号包括无频率偏移参考信号序列以及循环移位序列，所述循环移位序列由所述无频率偏移参考信号序列进行循环移位获得；

同步结果获取步骤，从获得的M×N个相关值中取最大值，将所述最大值对应的接收时刻作为同步时间，将所述最大值对应的频率偏移值作为同步频率点；根据同步时间和同步频率点进行时隙同步；

所述相关运算具体为：

设S_k为第k个频域信号对应的一组数据，C_l为第l个本地参考频域信号对应的一组信号序列，将所述数据S_k与所述信号序列C_l进行相关运算，如公式(2)所示：

$D_{kl}=\underset{m=0}{\overset{P-1}{\Σ}}\underset{n=0}{\overset{P-1}{\Σ}}{S}_k\left(m\right)C_l\left(n\right)---\left(2\right)$

上式中，k＝0,1,...,M-1，l＝0,1,...,N-1；D_kl表示运算获得的一个相关值；

所有相关运算均完成后，即得到M×N个相关值。

2.根据权利要求1所述的时隙同步方法，其特征在于，所述无频率偏移参考信号序列指的是根据AIS信号的调制方式，由AIS信息包中固定的32位数据调制而成的频域信号序列。

3.根据权利要求1或2所述的时隙同步方法，其特征在于，所述无频率偏移参考信号序列预存在接收机中，所述循环移位序列由所述无频率偏移参考信号序列进行循环移位后获得。

4.根据权利要求1所述的时隙同步方法，其特征在于，将所述最大值对应的数据S_k的起始时间作为同步时间，将所述最大值对应的信号序列C_l的频率偏移值作为同步频率点。

5.根据权利要求1所述的时隙同步方法，其特征在于，所述离散傅里叶变换具体为：

设1个码元的时间长度为从接收信号中取信号段的间隔，每隔一个时间间隔从连续的接收信号中取出P个数据，所述P个数据形成一数据组，由此获得M个数据组；根据公式(1)对每个数据组分别进行离散傅里叶变换：

$\begin{array}{cc}{S}_k\[n\]=\underset{l=0}{\overset{P-1}{\Σ}}{s}_k\left(l\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{P}nl}& (n=0,1,2...P-1)\end{array}---\left(1\right)$

其中，s_k(l)指的是取出的第k个数据组中的第l个数据，k＝0,1,2,...,M-1；

所有数据组均完成离散傅里叶变换后即完成从时域信号到频域信号的转换。

6.根据权利要求5所述的时隙同步方法，其特征在于，P为32乘以采样速率，所述采样速率为每个码元的采样点个数。