CN106850180A - 一种基于gmsk调制方式的ais信号帧同步估计方法 - Google Patents
一种基于gmsk调制方式的ais信号帧同步估计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106850180A CN106850180A CN201611224415.2A CN201611224415A CN106850180A CN 106850180 A CN106850180 A CN 106850180A CN 201611224415 A CN201611224415 A CN 201611224415A CN 106850180 A CN106850180 A CN 106850180A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- rsqb
- lsqb
- training sequence
- formula
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L7/00—Arrangements for synchronising receiver with transmitter
- H04L7/04—Speed or phase control by synchronisation signals
- H04L7/041—Speed or phase control by synchronisation signals using special codes as synchronising signal
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
- H04J3/00—Time-division multiplex systems
- H04J3/02—Details
- H04J3/06—Synchronising arrangements
- H04J3/0602—Systems characterised by the synchronising information used
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Synchronisation In Digital Transmission Systems (AREA)
- Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
Abstract
一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法,其特征在于它包括:AIS***帧结构中训练序列再调制、再调制信号的对称性证明;截取接收信号;计算信号的相关系数;求取P(d)最大值得到峰值点,并利用P(d)的峰值点所对应的时间点得到帧同步估计值;其优越性在于:帧同步估计值精确,抑制了噪声的影响,且频偏越大,帧同步估计精度越高,且对时延范围没有限制。
Description
(一)技术领域:
本发明属于船舶自动识别***(Automatic Identification System,简称AIS)通信技术领域,特别涉及一种基于高斯最小频移键控(Gaussian Filtered Minimum ShiftKeying,简称GMSK)调制方式的AIS信号帧同步估计方法。
(二)背景技术:
在AIS通信中,卫星的运行速度为每秒7.5千米,对于VHF频段的AIS信号,造成的多普勒频移量接近4KHz,超过带宽的15%。这对正确接收和检测是很困难的。AIS是时分多址接入***,时间同步是最基本的要求。在星载AIS接收机时间同步的过程中,帧同步是至关重要的步骤之一。
对于星载AIS信号的帧同步估计,比较经典的算法有基于最大似然准则的频偏估计算法,该算法假设频偏均匀分布(参见文献[1]Gansman J A,Fitz M P,Krogmeier J V.“Optimum and sub-optimum frame synchronization for pilot-symbol-assistedmodulation[J]”.Communications IEEE Transactions on,1997,45(10):1327-1337;文献[2]Choi Z Y,Lee Y H.“Frame in the presence of frequency offset[J]”.IEEETransactions on Communications,2002,50(7):1062-1065在文献[1]的基础上进行了改进,采用了两次相关的方法,提高了帧同步的性能;文献[3]Koo Y,Lee Y H.“A jointmaximum likelihood approach to frame synchronization in presence of frequencyoffset[C]”.IEEE International Conference on Communications.2002:1546-1550vol.3给出了帧同步和频偏联合估计算法,首先进行了频偏估计,并用频偏估计值进行校正,并在校正的基础上进行帧同步,但是本算法在大频偏下性能较差。
(三)发明内容:
本发明的目的在于提出一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估 计方法,它可以解决现有帧同步算法在大频偏,大时延下无法准确进行帧同步,难以适应星载AIS***要求的问题,以实现在星载AIS接收机上的帧同步。是一种简单易行的基于训练序列折叠相关运算的帧同步算法。该方法旨在提高大频偏下星载AIS信号帧同步算法的性能,降低信噪比门限,提高估计范围。
本发明的技术方案:一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法,其特征在于它包括如下步骤:
(1)对AIS***帧结构中的训练序列再调制得到长度为NTb的再调制信号,并证明再调制信号的对称性,其中N为训练序列序列的长度,Tb为码元周期;
(2)按照步骤(1)中获得的训练序列再调制信号的长度,对接收信号从dT位置为起始进行截取,其中d为从0开始的正整数,T称为滑动间隔;
(3)将步骤(2)中所截取的信号等长度分为两部分,每部分的长度为NTb/2,分别计算这两部分信号的相关系数,记为P(d),所述P(d)是由两部分信号的相关系数所组成的序列;
(4)搜索步骤(3)中相关运算所得到的序列P(d),通过求取P(d)最大值得到峰值点,并利用P(d)的峰值点所对应的时间点得到帧同步估计值。
所述步骤(1)中,AIS***训练序列调制信号的对称性的证明由以下步骤构成:
假设接收信号模型如式(1)所示:
x(t)=ej2πεts(t-τ)+n(t) (1)
式中,ε为频偏,τ为时延,n(t)为均值为0,方差为σ2的高斯白噪声;
若AIS***所使用的训练序列为恒定的0,1交替的序列,即:
b={0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1}
其长度记为N=24bit;
训练序列经过NRZI(No Return to Zero Inverted——反向非归零)编码后 可得到新的训练序列记为a={ai},对训练序列a进行GMSK调制之后得到,训练序列前N/2个点的GMSK调制后的信号为:
训练序列后N/2个点的GMSK调制后的信号为:
式中,N=24,为训练序列长度,Tb为码元周期,设t∈(kT,(k+1)T],其中k取中的整数,高斯滤波器时域截断有效长度为L,L取奇数,可以得到训练符号ak+1经过GMSK调制后的调制信号表示为式(4),
同理,所对应的GMSK调制后的调制信号如式(5)所示,
对式(4)和式(5)的两调制信号共轭相乘,可知:
由式(6)可以得到,训练序列的调制信号的前后两部分对称,具有最大的相关性。
所述步骤(2)中结合步骤(1)中所给出的训练序列调制信号的性质,具体过程如下:
对接收信号进行滑动截取,长度与训练序列调制信号长度相同,均为NTb,得到截取信号:
xd(t)=ej2πε(t+d·T)s(t+d·T-τ)+n(t+d·T),0≤t≤N·Tb (7)
则截取信号的前N/2信号和后N/2信号分别可以表示为:
所述步骤(3)中,利用步骤(2)中的截取信号,对其进行前后两部分折叠运算,求取相关系数:
式中,cov(·)表示协方差运算,DX,DY分别为X,Y的方差;
令X1=ej2πε(t+d·T)s(t-τ+d·T),则:
由于n(t)均值为0,方差为σ2的噪声,且信号与噪声,噪声与噪声互不相关,式(11)可以简化为,
cov(X,Y)=E(X1Y1)-E(X1)E(Y1) (12)
又因为,
当信噪比较好,且频偏较大时,接收信号的均值远大于σ2,那么,
D(X)≈D(X1) (14)
同理可得,D(Y)≈D(Y1);此时,频偏越大,抗噪声性能越好;
综上所述,相关系数P(d)可以简化为,
当且时,X1为训练序列前N/2长度的接收信号,Y1为训练序列后N/2长度的接收信号,即有,
X1=ej2πεtx1(t) (16)
由式(6)可以得到,x1(t)=x2(t),那么由式(16)和(17)可知,X1和Y1具有线性关系,故当同步定时准确时,度量函数P(d)取得最大值,将式(16)(17)带入式(15)可以得到式(18):
因此,对相关系数序列P(d)进行搜索,求取最大值,即P(d)的峰值,此时
所述步骤(4)中通过峰值点所对应的时间点得到帧同步估计值是指:帧同步时延估计值为,
其中,T为滑动间隔。
本发明的优越性在于:利用AIS训练序列调制信号对称特性,对接收信号进行滑动折叠相关,在大频偏下得到了比较精确的帧同步估计值,并成功 利用频偏抑制了噪声对帧同步估计精度的影响。仿真结果表明,本发明能够实现准确的星载AIS帧同步,在频偏达到4000Hz时依然能实现帧同步的要求,且频偏越大,帧同步估计精度越高,且对时延范围没有限制。
(四)附图说明:
图1为本发明所涉一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法中帧同步估计在不同信噪比下度量函数曲线图(时延为8Tb)。
图2为本发明所涉一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法中帧同步估计在时延为2Tb时,不同频偏下的估计性能。
图3为本发明所涉一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法中帧同步估计在时延为12Tb时,不同频偏下的估计性能。
(五)具体实施方式:
实施例:(1)对AIS***帧结构中的训练序列再调制得到长度为NTb的再调制信号,并证明再调制信号的对称性,其中N为训练序列的长度,Tb为码元周期;
(2)按照步骤(1)中获得的训练序列再调制信号的长度,对接收信号从dT位置为起始进行截取,其中d为从0开始的正整数,T称为滑动间隔;
(3)将步骤(2)中所截取的信号等长度分为两部分,每部分的长度为NTb/2,分别计算这两部分信号的相关系数,记为P(d),所述P(d)是由两部分信号的相关系数所组成的序列;
(4)搜索步骤(3)中相关运算所得到的序列P(d),通过求取P(d)最大值得到峰值点通过P(d)的峰值点所对应的时间点得到帧同步估计值。
所述步骤(1)中,AIS***训练序列调制信号的对称性的证明由以下步骤构成:
假设接收信号模型如式(1)所示:
x(t)=ej2πεts(t-τ)+n(t) (1)
式中,ε为频偏,τ为时延,n(t)为均值为0,方差为σ2的高斯白噪声;
若AIS***所使用的训练序列为恒定的0,1交替的序列,即:
b={0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1}
其长度记为N=24bit;
训练序列经过NRZI(No Return to Zero Inverted——反向非归零)编码后可得到新的训练序列记为a={ai},对训练序列a进行GMSK调制之后得到,训练序列前N/2个点的GMSK调制后的信号为:
训练序列后N/2个点的GMSK调制后的信号为:
式中,N=24,为训练序列长度,Tb为码元周期,设t∈(kT,(k+1)T],其中k取中的整数,高斯滤波器时域截断有效长度为L,L取奇数,可以得到训练符号ak+1经过GMSK调制后的调制信号表示为式(4),
同理,所对应的GMSK调制后的调制信号如式(5)所示,
对式(4)和式(5)的两调制信号共轭相乘,可知:
由式(6)可以得到,训练序列的调制信号的前后两部分对称,具有最大的相关性。
所述步骤(2)中结合步骤(1)中所给出的训练序列调制信号的性质,具体过程如下:
对接收信号进行滑动截取,长度与训练序列调制信号长度相同,均为NTb,得到截取信号:
xd(t)=ej2πε(t+dT)s(t+d·T-τ)+n(t+d·T),0≤t≤N·Tb (7)
则截取信号的前N/2信号和后N/2信号分别可以表示为:
所述步骤(3)中,利用步骤(2)中的截取信号,对其进行前后两部分折叠运算,求取相关系数:
式中,cov(·)表示协方差运算,DX,DY分别为X,Y的方差;
令X1=ej2πε(t+d·T)s(t-τ+d·T),则:
由于n(t)均值为0,方差为σ2的噪声,且信号与噪声,噪声与噪声互不相关,式(11)可以简化为,
cov(X,Y)=E(X1Y1)-E(X1)E(Y1) (12)
又因为,
当信噪比较好,且频偏较大时,接收信号的均值远大于σ2,那么,
D(X)≈D(X1) (14)
同理可得,D(Y)≈D(Y1);此时,频偏越大,抗噪声性能越好;
综上所述,相关系数P(d)可以简化为,
当且时,X1为训练序列前N/2长度的接收信号,Y1为训练序列后N/2长度的接收信号,即有,
X1=ej2πεtx1(t) (16)
由式(6)可以得到,x1(t)=x2(t),那么由式(16)和(17)可知,X1和Y1具有线性关系,故当同步定时准确时,度量函数P(d)取得最大值,将式(16)(17)带入式(15)可以得到式(18):
因此,对相关系数序列P(d)进行搜索,求取最大值,即P(d)的峰值,在峰值点处,
所述步骤(4)中通过峰值点所对应的时间点得到帧同步估计值是指:帧同步时延估计值为,
其中,T为滑动间隔。
图1为本发明所涉一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法中帧同步估计在不同信噪比下度量函数曲线图(时延为8Tb,滑动间隔T为)。图中有三条曲线,分别为当信噪比为-10dB,5dB和10dB时,度量函数P(d)的计算结果。从图中可以看出,在不同信噪比下,度量函数P在时延处存在峰值,可以实现准确的帧同步估计。且在高信噪比下,在时延处,度量函数为训练序列调制信号前后两部分的相关系数,度量函数值为1,符合训练序列对称性的证明。
图2为本发明所涉一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法中帧同步估计在时延为2Tb时,不同频偏下的估计性能。图中共四条曲线,分别为频偏为0Hz,100Hz,1000Hz,4000Hz情况下的归一化时延估计均方误差曲线。从图中曲线可以发现,本发明的时延估计性能随着频偏增大,时延估计性能不断提升,尤其在低信噪比下,估计性能提升较大。图中曲线表明在时延为2Tb时,能够时延帧同步的要求。
图3为本发明所涉一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法中帧同步估计在时延为12Tb时,不同频偏下的估计性能。图中共四条曲线, 分别为频偏为0Hz,100Hz,1000Hz,4000Hz情况下的归一化时延估计均方误差曲线。从图中可以看出,在大时延下,随着频偏的不断增大,本发明的时延估计性能也不断提高,频偏越大,估计精度越高,尤其是在低信噪比下,估计性能提高很快,能够满足帧同步的要求。且与图2中仿真结果相比,时延大小并不影响本发明的估计性能,符合公式(18)中的推导结果。
Claims (5)
1.一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法,其特征在于它包括如下步骤:
(1)对AIS***帧结构中的训练序列再调制得到长度为NTb的再调制信号,并证明再调制信号的对称性,其中N为训练序列的长度,Tb为码元周期;
(2)按照步骤(1)中获得的训练序列再调制信号的长度,对接收信号从dT位置为起始进行截取,其中d为从0开始的正整数,T称为滑动间隔;
(3)将步骤(2)中所截取的信号等长度分为两部分,每部分的长度为NTb/2,分别计算这两部分信号的相关系数,记为P(d),所述P(d)是由两部分信号的相关系数所组成的序列;
(4)搜索步骤(3)中相关运算所得到的序列P(d),通过求取P(d)最大值得到峰值点,并利用P(d)的峰值点所对应的时间点得到帧同步估计值。
2.根据权利要求1所述一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法,其特征在于所述步骤(1)中,AIS***训练序列调制信号的对称性的证明由以下步骤构成:
假设接收信号模型如式(1)所示:
x(t)=ej2πεts(t-τ)+n(t) (1)
式中,ε为频偏,τ为时延,n(t)为均值为0,方差为σ2的高斯白噪声;
若AIS***所使用的训练序列为恒定的0,1交替的序列,即:
b={0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1}
其长度记为N=24bit;
训练序列经过NRZI编码后可得到新的训练序列记为a={ai},对训练序列a进行GMSK调制之后得到,训练序列前N/2个点的GMSK调制后的信号为:
训练序列后N/2个点的GMSK调制后的信号为:
式中,N=24,为训练序列长度,Tb为码元周期,设t∈(kT,(k+1)T],其中k取中的整数,高斯滤波器时域截断有效长度为L,L取奇数,可以得到训练符号ak+1经过GMSK调制后的调制信号表示为式(4),
同理,所对应的GMSK调制后的调制信号如式(5)所示,
对式(4)和式(5)的两调制信号共轭相乘,可知:
由式(6)可以得到,训练序列的调制信号的前后两部分对称,具有最大的相关性。
3.根据权利要求1所述一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法,其特征在于所述步骤(2)中结合步骤(1)中所给出的训练序列调制信号的性质,具体过程如下:
对接收信号进行滑动截取,长度与训练序列调制信号长度相同,均为NTb,得到截取信号:
xd(t)=ej2πε(t+d·T)s(t+d·T-τ)+n(t+d·T),0≤t≤N·Tb (7)
则截取信号的前N/2信号和后N/2信号分别可以表示为:
4.根据权利要求1所述一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法,其特征在于所述步骤(3)中,利用步骤(2)中的截取信号,对其进行前后两部分折叠运算,求取相关系数:
式中,cov(·)表示协方差运算,DX,DY分别为X,Y的方差;
令则:
由于n(t)均值为0,方差为σ2的噪声,且信号与噪声,噪声与噪声互不相关,式(11)可以简化为,
cov(X,Y)=E(X1Y1)-E(X1)E(Y1) (12)
又因为,
当信噪比较好,且频偏较大时,接收信号的均值远大于σ2,那么,
D(X)≈D(X1) (14)
同理可得,D(Y)≈D(Y1);此时,频偏越大,抗噪声性能越好;
综上所述,相关系数P(d)可以简化为,
当且时,X1为训练序列前N/2长度的接收信号,Y1为训练序列后N/2长度的接收信号,即有,
由式(6)可以得到,x1(t)=x2(t),那么由式(16)和(17)可知,X1和Y1具有线性关系,故当同步定时准确时,度量函数P(d)取得最大值,将式(16)(17)带入式(15)可以得到式(18):
因此,对相关系数序列P(d)进行搜索,求取最大值,即P(d)的峰值,此时
5.根据权利要求1所述一种基于GMSK调制方式的AIS信号帧同步估计方法,其特征在于所述步骤(4)中通过峰值点所对应的时间点得到帧同步估计值是指:
帧同步时延估计值为,
其中,T为滑动间隔。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201611224415.2A CN106850180A (zh) | 2016-12-27 | 2016-12-27 | 一种基于gmsk调制方式的ais信号帧同步估计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201611224415.2A CN106850180A (zh) | 2016-12-27 | 2016-12-27 | 一种基于gmsk调制方式的ais信号帧同步估计方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106850180A true CN106850180A (zh) | 2017-06-13 |
Family
ID=59135844
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201611224415.2A Withdrawn CN106850180A (zh) | 2016-12-27 | 2016-12-27 | 一种基于gmsk调制方式的ais信号帧同步估计方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN106850180A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110535547A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-12-03 | 天津理工大学 | 一种非接触式ais船台检测仪的信噪比检测方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102725970A (zh) * | 2009-10-23 | 2012-10-10 | 欧洲空间局 | 自动识别***接收机及包括该自动识别***接收机的卫星有效载荷 |
CN103441811A (zh) * | 2013-09-05 | 2013-12-11 | 天津理工大学 | 一种基于utc时间的ais时隙同步触发*** |
-
2016
- 2016-12-27 CN CN201611224415.2A patent/CN106850180A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102725970A (zh) * | 2009-10-23 | 2012-10-10 | 欧洲空间局 | 自动识别***接收机及包括该自动识别***接收机的卫星有效载荷 |
CN103441811A (zh) * | 2013-09-05 | 2013-12-11 | 天津理工大学 | 一种基于utc时间的ais时隙同步触发*** |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
SHEXIANG MA等: "Frame synchronization of satellite based on AIS signals", 《FOURTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON WIRELESS AND OPTICAL COMMUNICATIONS》 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110535547A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-12-03 | 天津理工大学 | 一种非接触式ais船台检测仪的信噪比检测方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107769841B (zh) | 高动态极低信噪比下卫星通信Turbo码迭代解调方法 | |
US11637663B2 (en) | Achieving synchronization in an orthogonal time frequency space signal receiver | |
CN108040028A (zh) | 一种基于本地序列互相关检测的ofdm***抗干扰信号检测与同步方法 | |
CN101340416B (zh) | 适用于ofdm***的同步与信道响应估计方法 | |
US6266361B1 (en) | Method and architecture for correcting carrier frequency offset and spreading code timing offset in a direct sequence spread spectrum communication system | |
CN106998586B (zh) | 一种高动态环境中无线通信***的同步捕获方法 | |
CN101651648A (zh) | 用于在无线通信***中执行初始同步的***和方法 | |
US20030026360A1 (en) | Method and system for timing recovery and delay spread estimation in a communication system | |
CN101414990A (zh) | 一种单载波频域均衡***中的载波频偏和时延的捕获方法 | |
JP2002511711A (ja) | 多重搬送波復調システムにおいて精細な周波数同期を行うための方法および装置 | |
CN101321150B (zh) | 基于二维短时滑动自相关的联合同步方法及其接收端 | |
CN105763500A (zh) | 一种连续相位调制信号的频偏、时延和相偏的联合同步方法 | |
CN110971558A (zh) | 基于cazac序列的低复杂度抗频偏同步方法 | |
US7266162B2 (en) | Carrier frequency offset estimator for OFDM systems | |
CN103428153A (zh) | 卫星移动通信中gmsk信号接收方法 | |
CN113132285A (zh) | 一种数字解调***及方法 | |
CN111107028B (zh) | 一种5g***基于pss与sss联合的频偏估计方法 | |
CN113949608B (zh) | 一种用于vdes***的判决反馈解调***及方法 | |
CN101902425A (zh) | 一种短程无线网络中时间和载波频率同步的方法 | |
CN106101039B (zh) | 一种基于数据辅助精度可调的频偏估计方法 | |
CN101404633A (zh) | 基于块传输的单载波***的载波跟踪方法 | |
CN106850180A (zh) | 一种基于gmsk调制方式的ais信号帧同步估计方法 | |
CN113115430A (zh) | 一种高速突发数字解调*** | |
CN104901907A (zh) | 一种动态环境下基于数据辅助的稳健信噪比估计方法 | |
CN108923886B (zh) | 一种独特码类型检测方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20170613 |
|
WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |