CN114244663A - 一种改进的vde-ter***载波频偏同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改进的VDE‑TER***载波频偏同步方法，包括：在***接收端对数据进行匹配滤波，由匹配滤波后的信息数据段提取训练序列；基于所述训练序列进行载波频偏估计，获取频偏估计值；基于所述频偏估计值对所述信息数据段进行频偏补偿，从而获得一级补偿数据段；对所述一级补偿数据段进行相位跟踪，获取累积相位补偿值，从而获得二级补偿数据段；对所述二级补偿数据段进行解调，获取同步后的接收信息。本发明采用改进的基于双巴克码训练序列的载波频偏同步方法进行频偏同步，并增加了跟踪方法，在较低频率偏移的情况下，降低了误码率，优化了***的同步性能。

Description

一种改进的VDE-TER***载波频偏同步方法

技术领域

本发明涉及海上无线通信技术领域，具体而言，尤其涉及一种改进的VDE-TER***载波频偏同步方法。

背景技术

海上甚高频数据交换***(VHF Data Exchange System,VDES)是针对AIS(Automatic Identification System,自动识别***)的加强和升级的***。VDES包含AIS、ASM(Application Specific Messages)和VDE(VHF Data Exchange)三种业务信道，VDE又包括VDE-TER(VDE-Terrestrial)和VDE-SAT(VDE-Satellite)两大***。相比AIS，VDE-TER信道提供了更高速率的数据通信，因此，VDE-TER收发机之间就有更高的通信同步性能的要求。载波同步是为了将接收到的无线信号恢复到最接近发送的无线信号波形状态，以提高信号解调正确率，保证信息的正确传输。在无线数字通信中，由于收发机晶振电路不稳定，信号会引入频率偏移，从而导致信号无法正确判决，***误码率增大，同步性能下降。因此，载波频偏同步是***同步中的关键一环，直接影响到VDE-TER***的同步性能以及***是否能够正常工作。

目前现有的频偏同步方法主要分为两种类型，数据辅助(DA,Data-Aided)方法和非数据辅助(NDA,Non-Data-Aided)方法。DA方法需要在发送端发送训练序列或导频序列，并在接收端默认该序列已知，接收端利用该序列进行同步；NDA方法不需要任何已知的序列信息，直接利用接收数据进行估计，属于盲估计方法。由于DA方法利用了已知序列进行同步估计，所以其频偏估计的范围和精度一般要优于NDA估计方法。

但目前针对于VDE-TER***的载波频偏同步方法较少。对于现有的两类传统频偏同步方法DA和NDA来说，由于VDE-TER中每帧数据都含有固定已知的训练序列，并且训练序列由1位1和13位巴克码和13位巴克码反码组成，故该***更加适用DA同步方法，并且DA方法精度更高。但将现有的DA方法直接应用于VDE-TER***中时，误码率较高，***无法正常工作，因此传统DA方法对于VDE-TER***的适用性较低。

发明内容

根据上述提出现有频偏同步方法误码率较高且与VDE-TER***的适应性低的技术问题，而提供一种改进的VDE-TER***载波频偏同步方法，与现有方法相比降低了***误码率，提升了***同步性能。

本发明采用的技术手段如下：

一种改进的VDE-TER***载波频偏同步方法，所述方法运行在VDE-TER基带芯片中，所述VDE-TER基带芯片包括模数转换模块、调制解调模块、脉冲成型与匹配滤波模块、频偏同步模块、相位跟踪模块；所述VDE-TER基带芯片运行时，基于频偏同步模块和相位跟踪模块对数据进行载波同步，然后基于解调模块进行数据解调；

所述方法包括以下步骤：

在***接收端对数据进行匹配滤波，由匹配滤波后的信息数据段提取训练序列；

基于所述训练序列进行载波频偏估计，获取频偏估计值；

基于所述频偏估计值对所述信息数据段进行频偏补偿，从而获得一级补偿数据段；

对所述一级补偿数据段进行相位跟踪，获取累积相位补偿值，从而获得二级补偿数据段；

对所述二级补偿数据段进行解调，获取同步后的接收信息。

进一步地，基于所述训练序列进行载波频偏估计，获取频偏估计值，包括：

获取训练序列中13位巴克码和与其对应的13位巴克码的反码；

求取训练序列中13位巴克码反码的共轭；

将13位巴克码反码的共轭与13位巴克码一一对应，并分别求取相差，每个相差对应可求得一个频偏估计值；

对13个频偏估计值取平均得到最终的频偏估计值。

进一步地，对所述一级补偿数据段进行相位跟踪，获取累积相位补偿值，从而获得二级补偿数据段，包括：

获取一级补偿数据段中每一位数据的星座图与准确星座图之间的相差；

累加上前面数据位比较星座图得到的相差，作为下一位的相偏补偿值；

基于每一位的相偏补偿值对一级补偿数据段中的每一位数据进行相偏纠正，从而获得二级补偿数据段。较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明主要针对VDE-TER***的频偏同步问题，设计了一种载波频偏同步方法，基于VDE-TER***特有的固定训练序列，提取的是13位巴克码与其对应的反码获取补偿数据结果，弥补了VDE-TER***缺乏同步方法的空白。

2、本发明在现有的基于双巴克码训练序列的载波频偏同步方法基础上，进行了改进，并增加了跟踪方法，基于星座图相差获取相偏补偿，在较低频率偏移的情况下，降低了误码率，优化了***的同步性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明载波频偏同步方法流程图。

图2为本发明VDE-TER基带芯片模块图。

图3为实施例中载波频偏同步方法具体执行流程。

图4为实施例中相位跟踪具体执行流程。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

另外，目前针对VDE-TER***的频偏同步，有一种方法利用该***训练序列为双巴克码的特殊结构进行频偏同步。该方法误码率虽然低于DA方法，但该方法适用于频偏较大的情况，当频偏较小时，***误码率会升高，其同步性能下降。本发明即在该方法的基础上进行了改进和添加。

如图1所示，一种改进的VDE-TER***载波频偏同步方法，所述方法运行在VDE-TER基带芯片中，如图2所示，VDE-TER基带芯片主要包括模数转换模块、调制解调模块、脉冲成型与匹配滤波模块、频偏同步模块、相位跟踪模块；当VDE-TER基带芯片运行时，基于频偏同步模块和相位跟踪模块对数据进行载波同步，然后基于解调模块进行数据解调；

上述方法主要包括以下步骤：

S1、在***接收端对数据进行匹配滤波，由匹配滤波后的数据段提取训练序列。

具体来说，在发送端，信息数据经过调制、脉冲成型后，经过信道进入接收端，调制方式使用协议ITU-RM.1139-Ed.2-The-Technical-Specification-of-VDES中规定的16QAM调制。然后接收端对数据进行匹配滤波。在***发送端对脉冲成型与在接收端匹配滤波均使用根升余弦滤波器，消除码间串扰，其中VDES协议中规定滚降因子为0.3。

S2、基于所述训练序列进行载波频偏估计，获取频偏估计值。具体来说，包括：

S201、获取训练序列中13位巴克码和与其对应的13位巴克码的反码；

S202、求取训练序列中13位巴克码反码的共轭；

S203、将13位巴克码反码的共轭与13位巴克码一一对应，并分别求取相差，每个相差对应可求得一个频偏估计值；

S204、对13个频偏估计值取平均得到最终的频偏估计值。

具体来说，该步骤按照下述模型进行执行：

F_{Frequency_Offset}＝p(X_{Receiving_Training},T_{Symbol_Cycle})；

式中，F_{Frequency_Offset}为估计的载波频偏值，X_{Receiving_Training}为提取到的训练序列，T_{Symbol_Cycle}符号周期。优选地，本发明根据以下公式计算获取频偏估计值：

其中r(k)为13位巴克码，r^*(k+13)为与其对应的反码的共轭，k为位数，2≤k≤14,T为符号周期，

为相差，f_d为频偏估计值。

S3、基于所述频偏估计值对所述信息数据段进行频偏补偿，从而获得一级补偿数据段。

S4、对所述一级补偿数据段进行相位跟踪，获取累积相位补偿值，从而获得二级补偿数据段。具体包括：

S401、获取一级补偿数据段中每一位数据的星座图与准确星座图之间的相差；

S402、累加上前面数据位比较星座图得到的相差，作为下一位的相偏补偿值；

S403、基于每一位的相偏补偿值对一级补偿数据段中的每一位数据进行相偏纠正，从而获得二级补偿数据段。

具体来说，该步骤将按照下述模型进行执行：

F_{Data_Segment}＝q(X_Data,X_{Standard_Constellation})；

式中，模型执行完毕后，返回F_{Data_Segment}为相位跟踪后的数据段，即二级补偿数据段，X_Data为步骤3得到的一级补偿数据段，X_{Standard_Constellation}为16QAM的标准星座图。优选地，本发明实施例中的相位跟踪过程如图4所示。

S5、对所述二级补偿数据段进行解调，获取同步后的接收信息。

下面通过具体的应用实例对本发明的方案做进一步说明。

本实施例中，***接收端提取训练序列，求得其中13位巴克码符号和与其对应的反码符号的共轭的相差，每一位的相差都可推导出一个频偏估计值，对13个频偏估计值取平均得最终的频偏估计值；使用上一步得到的频偏估计值对数据段进行频偏补偿，此部分的流程图如图3所示；由于补偿后的数据仍有残留频偏，而残留频偏会导致星座图偏移，因此继续对每一位数据进行相位跟踪，比较粗同步后的一位数据的星座图与准确星座图之间的相差，累加上前面数据位比较星座图得到的相差，作为下一位的相偏补偿值，下一位相偏纠正后，再比较星座图的相差，继续累加之前的相差，以此类推，此部分的流程图如图4所示；相位跟踪后得到最终的载波频偏同步后的数据段。

具体来说，本实施例中，发送端发送一帧数据，加入原始频率偏移值为150Hz，信道为AWGN信道。

(1)载波频偏粗估计结果

输入：

X_{Receiving_Training}＝Receiving_Training_Sequence；

T_{Symbol_Cycle}＝1/76800；

输出：

Estimated_Frequency_Offset＝151.4996Hz；

Receiving_Training_Sequence为接收端提取到的训练序列，Estimated_Frequency_Offset为频偏估计值。

(2)相位跟踪结果

输入：

X_Data＝Data_Segment；

X_{Standard_Constellation}＝Standard_Constellation_Chart；

输出：

Data＝Tracking_Valid_Data_Segment；

说明：Data_Segment为使用频偏估计值补偿后的数据段，Standard_Constellation_Chart为VDES协议中规定的16QAM的标准星座图，Tracking_Valid_Data_Segment为相位跟踪后的数据段。

(3)最终***误码率结果

本发明方法的误码率err＝0。

(4)原始方法估计结果

原始方法的频偏估计值为205.7408Hz，***误码率err＝0.3973。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种改进的VDE-TER***载波频偏同步方法，其特征在于，所述方法运行在VDE-TER基带芯片中，所述VDE-TER基带芯片包括模数转换模块、调制解调模块、脉冲成型与匹配滤波模块、频偏同步模块、相位跟踪模块；所述VDE-TER基带芯片运行时，基于频偏同步模块和相位跟踪模块对数据进行载波同步，然后基于解调模块进行数据解调；

所述方法包括以下步骤：

在***接收端对数据进行匹配滤波，由匹配滤波后的信息数据段提取训练序列；

基于所述训练序列进行载波频偏估计，获取频偏估计值；

基于所述频偏估计值对所述信息数据段进行频偏补偿，从而获得一级补偿数据段；

对所述一级补偿数据段进行相位跟踪，获取累积相位补偿值，从而获得二级补偿数据段；

对所述二级补偿数据段进行解调，获取同步后的接收信息。

2.根据权利要求1所述的一种改进的VDE-TER***载波频偏同步方法，其特征在于，基于所述训练序列进行载波频偏估计，获取频偏估计值，包括：

获取训练序列中13位巴克码和与其对应的13位巴克码的反码；

求取训练序列中13位巴克码反码的共轭；

将13位巴克码反码的共轭与13位巴克码一一对应，并分别求取相差，每个相差对应可求得一个频偏估计值；

对13个频偏估计值取平均得到最终的频偏估计值。

3.根据权利要求2所述的一种改进的VDE-TER***载波频偏同步方法，其特征在于，对所述一级补偿数据段进行相位跟踪，获取累积相位补偿值，从而获得二级补偿数据段，包括：

获取一级补偿数据段中每一位数据的星座图与准确星座图之间的相差；

累加上前面数据位比较星座图得到的相差，作为下一位的相偏补偿值；

基于每一位的相偏补偿值对一级补偿数据段中的每一位数据进行相偏纠正，从而获得二级补偿数据段。

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