一种突发模式GMSK的相干载波和定时的恢复方法

摘要

本发明公开了一种突发模式GMSK的相干载波和定时的恢复方法，包括：在接收机的平方环反馈环路中对相同的GMSK信号交替进行正向运算和反向运算；所述的平方环反馈环路包括依次相连的相位误差检测模块、环路滤波器、数控振荡器，数控振荡器的输出还连接相位误差检测模块；所述的正向运算是对按接收时间顺序排列的GMSK信号流进行运算，所述的反向运算是对按接收时间逆序排列的GMSK信号流进行运算。本发明方法通过对有限长度的突发包数据交替进行正向运算和反向运算来逐渐逼近真实值，从而提高载波频率和相位的估计精度。本发明方法用于AIS接收机中，可提升信号的载波和定时的恢复性能，改善接收性能，并简化接收机结构。

说明书

技术领域

本发明属于船舶通信技术领域，尤其涉及一种突发模式GMSK(高斯滤波最小频移 键控)的相干载波和定时的恢复方法。

背景技术

随着海运事业的发展，船舶大型化、高速化趋势明显，船舶数量及其载重量的不断 增加，海上交通日趋密集繁忙。而船载自动识别系统(AIS)用来建立基站和船舶之间 以及船舶与船舶之间的有效通信，由此提高航海的安全性和效率，同时保护海上贸易环 境。所有AIS装备的船只定期发送信息，包括船只的识别、位置、航向、速度等信息， 来实现信息的交互。而基于卫星的AIS系统(SAT-AIS)可以提高覆盖范围，安全性更 高，这样可以创建一个全球性的关于海上船舶位置的实时性数据库，进而建立更好的航 海监控。

船载自动识别系统属于突发通信，它的调制方式为高斯滤波最小频移键控 (GMSK)。基本工作原理是将基带信号先通过高斯滤波器成形，再进行最小频移键控 调制，它是一种二进制调制方法，成形后的高斯脉冲包络无陡峭边缘，亦无拐点，频谱 特性优良，且有良好的功率谱密度和较好的抗干扰特性，特别适用于无线通信和卫星通 信。采用时分多址技术，将不同用户划分到不同小区，在同一小区中不同用户可以互不 干扰的进行通信，而接收设备在接收这些信息时，由于接收范围覆盖多个小区，不可避 免的会接收到互相重叠的突发信号。因此在船舶通信系统的接收算法中最关键的就是从 频域和时域上有重叠的其他干扰信号中准确提取相应信号的相干载波和定时信号。

由于船舶通信所采用的调制方式为突发GMSK，每个突发包长度有限(256比特， 9.6K波特率)。对于GMSK调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种方式，相干 解调最大的难度是载波恢复。现有算法都是直接对突发包数据进行FFT变换或估计，由 于突发包长度有限，使得相位和频率估计精度有限，大大低于连续模式GMSK的载波 和定时恢复精度，因而很难采用相干解调方式。故现有的解调多采用非相干解调：鉴相 法和差分解调法。鉴相法即对GMSK信号进行正交变换，然后进行鉴相鉴频，进行非 相干解调。中频信号经过下变频变成零中频信号，然后使用算法实现鉴相，再采用差分 结构得到瞬时频率基带信号，对基带信号进行同步判决即可解调出原始信号。而差分解 调法是将中频信号经正交数字下变频后得到复数形式，经低通滤波后，离散化，从而得 到GMSK差分解调的通用结构。这两种解调方法实质上是一样，两者效果差别不大， 差分结构更易于实现。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种可提高载波频率和相位的估计精度 的、突发模式GMSK的相干载波和定时的恢复方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一、一种突发模式GMSK的相干载波的恢复方法，包括：

(1)在接收机的平方环反馈环路中对相同的GMSK信号交替进行正向运算和反向 运算；

所述的平方环反馈环路包括依次相连的相位误差检测模块、环路滤波器、数控振荡 器，数控振荡器的输出还连接相位误差检测模块；

所述的正向运算是对按接收时间顺序排列的GMSK信号流进行运算，具体为：

相位误差检测模块中，GMSK信号的平方s²(t)和数控振荡器输出的本地载波相乘 后进行相位误差检测，检测的相位误差经环路滤波器后进入数控振荡器中进行累加，输 出相干载波矫正后的频率值，以矫正后的频率值作为下次反向运算时数控振荡器的NCO 初始值；

所述的反向运算是对按接收时间逆序排列的GMSK信号流进行运算，具体为：

相位误差检测模块中，GMSK信号的平方s²(t)和数控振荡器输出的本地载波相乘 后进行相位误差检测，检测的相位误差经环路滤波器后进入数控振荡器中进行累减，输 出相干载波矫正后的频率值，以矫正后的频率值作为下次正向运算时数控振荡器的NCO 初始值；

首次运算前，采用快速傅里叶变化检测GMSK信号s(t)的前导字进行估计所获得的 预估频率值初始化数控振荡器的NCO初始值；

(2)根据平方环反馈环路输出的矫正后的频率值恢复相干载波。

二、一种突发模式GMSK的定时恢复方法，包括：

将恢复的相干载波的虚部和实部分别作差和作和，得载波φ_I(t)和φ_Q(t)，载波φ_I(t) 和φ_Q(t)相乘后经低通滤波器获得时钟信号。

和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

基于卫星的船舶通信系统(SAT-AIS)接收机的信号处理方法和结构中，关键之处 在于从频域和时域上有重叠的其他干扰信号中准确提取相应信号的相干载波和定时信 号。由于船舶通信所采用的调制方式为突发GMSK，各突发包长度有限，现有技术都是 直接对突发包数据进行FFT变换或估计。受限于突发包长度而使得相位和频率的估计精 度有限，大大低于连续模式GMSK的载波和定时的恢复精度，因而也很难采用相干解 调方式。

本发明通过对有限长度的突发包数据交替进行正向运算和反向运算来逐渐逼近真 实值，从而提高载波频率和相位的估计精度，可使突发包的频差估计精度提高30倍， 相位误差精度也大大提高。因此，本发明方法用于AIS接收机中，可提升信号的载波和 定时的恢复性能，改善接收性能，并简化接收机结构。

附图说明

图1为GMSK前馈式载波和定时恢复法示意图；

图2为f+和f-的提取流程示意图；

图3为平方环反馈法载波同步示意图，其中，图(a)为正向运算示意图，图(b) 为反向运算示意图；

图4为实施例采用的Simulink仿真程序框图；

图5为实施例中频差估计结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案进行详细说明。

GMSK信号是基带信号经高斯滤波器成形、再进行最小频移键控(MSK)调制获 得。GMSK信号s(t)可表示为如下形式：

$s\left(t\right)=\sqrt{\frac{2E_b}{T_b}}cos[2{\mathrm{\pi f}}_{c}t+\frac{{\mathrm{\pi a}}_k}{2T_b}t+{\phi }_k]---\left(1\right)$

式(1)中：E_b表示符号能量；T_b是符号间隔；a_k是第k个码元中数据，其取值为 1或-1；当a_k＝+1时，信号频率当a_k＝-1时，载波频率 φ_k是第k个码元中相位常数；t表示时刻。

利用快速傅里叶变化(FFT)检测GMSK信号s(t)的前导字进行同步估计，获取频 偏估计值、时偏估计值和初始相位估计值。GMSK信号s(t)本身虽然没有载波分量，然 而经过平方变换却能产生载波倍频分量，用窄带滤波器或者等效的锁相环提取载波倍频 分量，经分频获得相干载波，实现相干载波的恢复。

将载波恢复输入的GMSK信号s(t)表示如下：

$s\left(t\right)=m\left(t\right)\sqrt{2P_s}cos(w_{c}t+{\theta }_1)---\left(2\right)$

式(2)中：P_s是GMSK信号s(t)的功率；m(t)代表原始数据信号，等价于式(1) 中的ω_c表示载波频率；θ₁是待估相位；t表示时刻。

GMSK信号s(t)经平方后，得到：

s²(t)＝P_s[m(t)]²+P_s[m(t)]²cos(2w_ct+2θ₁)(3)

采用α来表示[m(t)]²中直流分量，则：

[m(t)]²＝α+{[m(t)]²-α}＝α+N_m(t)(4)

结合公式(3)和(4)有：

s²(t)＝αP_s+P_sN_m(t)+αP_scos(2w_ct+2θ₁)+N_m(t)P_scos(2w_ct+2θ₁)(5)

式(5)中，右边第一项αP_s表示直流分量，第二项P_sN_m(t)表示低频分量，第三项 αP_scos(2w_ct+2θ₁)表示频率为2w_c的离散谱分量，第四项N_m(t)P_scos(2w_ct+2θ₁)是对称的 分布在2w_c两侧的边带分量。

s²(t)经中心频率为2w_c的窄带滤波器后，可滤出本发明所需要的频率为2w_c的离散 谱分量αP_scos(2w_ct+2θ₁)，经二分频就可得到所需的相干载波。

图1所示为已有的前馈式相干载波和定时的恢复法流程图，接收的GMSK信号s(t) 经平方后，产生载波的倍频分量，分别提取f₊和f_-，得到载波的实部s_I(t)＝cos2πf₊t和 载波的虚部s_Q(t)＝cos2πf_-t。将s_I(t)和s_Q(t)作和得载波φ_I(t)，将s_I(t)和s_Q(t)作差得载 波φ_Q(t)。载波φ_I(t)和φ_Q(t)相乘后通过低通滤波器获得时钟信号。

f₊和f_-的具体提取流程见图2，f₊和f_-的提取流程是平方环反馈法提取载波频率 的常规过程。以GMSK信号s(t)的平方为输入，依次经相位误差检测模块、环形滤波器、 数控振荡器，输出相干载波。采用平方环反馈法进行载波同步过程中，本发明采用对相 同的GMSK信号进行多次处理来逐次接近真实值的方法，即对GMSK信号先进行一次 正向运算，再进行一次反向运算。正向运算即对正向数据流进行处理，正向数据流即按 照接收时间顺序排列的GMSK信号，最先处理最先接收的数据，最后处理最晚接收的 数据。反向运算即对反向数据流进行处理，反向数据流即按照信号接收的时间逆序排列 的GMSK信号，即最先处理最晚接收的数据，最后处理最先接收的数据。多次交替进 行正向运算和反向运算，逐渐对准相位和频率。

图3(a)是正向运算示意图。平方环反馈环路输入为正向数据流中GMSK信号的 平方s²(t)，假设GMSK信号为cos(w_ct+θ_e)，则平方后的有用部分为cos(2w_ct+2θ_e)。鉴 相器中，将s²(t)和数控振荡器输出的本地载波sin(2wct)相乘：