一种基于应用层系统级约束的星载GMSK误码率改善系统

摘要

本发明公开了一种基于应用层系统级约束的星载GMSK误码率改善系统，包括AIS接收天线、AIS接收机，其中AIS接收机包括：滤波器模块、低噪放模块、信道化模块、载波同步模块、定时同步模块、载波相位同步模块、维特比解调模块和应用层验证模块；星载AIS系统为了能正常接收解调地面AIS信号，必须有效解决两种类型的AIS报文时隙冲突问题。本发明利用改进的维特比解调算法按照先验信息和CRC校验信息最小化接收序列实际符号和判决符号的累加距离，在相同信噪比情况下降低了解调误码率。与传统的GMSK解调算法相比，基于应用层信息约束的Viterbi-GMSK解调算法BER性能有明显改善，在信噪比10dB时，BER达到10

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于应用层系统级约束的星载GMSK误码率改善技术，属于现代通 信卫星设计领域。

背景技术

GMSK解调技术广泛应用于现代通信卫星、电子侦察卫星，船舶自动识别系统(AIS) 由舰船飞机敌我识别器发展而成，配合全球定位系统(GPS)将船位、船速、改变航向率及航 向等船舶动态结合船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态资料由VHF频段向附近水域船舶 及岸台广播，对船舶安全有很大帮助。

地面AIS系统，岸基站只能覆盖40海里左右的距离，难以满足国民经济对远海活动 的要求。基于卫星的AIS系统可以覆盖广阔的海域，扩展对远海船只的检测能力，满足大范 围的海上舰船监测需求。目前，国内外卫星AIS系统还处于试验验证阶段阶段，所采用的天 线技术和接收机技术都比较简单，如接收机采用基于传统维特比算法的GMSK解调技术，对 低信噪比和存在信息碰撞的空间无线电环境不适应。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提出了一种基于应用层系统级 约束的星载GMSK误码率改善系统，能够改善AIS系统的误码率，进而保证不同单元的AIS帧 内时隙同步。

本发明的技术解决方案：

一种基于应用层系统级约束的星载GMSK误码率改善系统，包括星载AIS天线、AIS 接收机；AIS接收机又包括滤波器模块、低噪放模块、信道化模块、AD转换模块、数据缓冲模 块、载波同步模块、定时同步模块、载波相位同步模块、维特比解调模块和应用层验证模块；

AIS接收天线将收到的AIS信号发送至AIS接收机；

AIS接收机中的滤波器模块、低噪放模块、信道化模块和AD转换模块，将接收到的 AIS信号进行低噪放大、模拟滤波、AD转换以及DDC信道化变频到零中频处理，信道化模块将 零中频信号发送至数据缓冲模块进行缓存；

载波同步模块对数据缓冲模块中缓存的零中频数字信号进行载波同步和载波补 偿处理后发送至定位同步模块；

定位同步模块和相位同步模块，对载波同步模块处理后的数据进行定时同步和载 波相位同步处理，然后发送至维特比解调模块和应用层验证模块进行解调处理；

维特比解调模块，利用GMSK调制信号对接收到相位同步模块发送的处理后的AIS 信号进行解调；应用层验证模块，完成维特比解调模块解调信息码元的验证；

维特比解调模块和应用层验证模块的具体实现方式如下：

(31)根据GMSK调制信号特点设定约束长度，定义信号状态与信号状态转移矩阵；

(32)计算第k+1个GMSK调制信号的信号状态，k取正整数；

(33)计算第k个GMSK调制信号到第k+1个GMSK调制信号处的度量增量；

(34)比较所有的路径增量，选取最大路径作为幸存路径，保存路径信息和路径增 量；

(35)重复步骤(31)-(34)，直到k+1大于约束长度进入步骤(36)；

(36)通过步骤(34)选出的幸存路径进行路径回溯，找到对应初始信息码元；

(37)对包括初始信息码元在内的已解调信息码元组帧，并进行结束标志验证、CRC 校验信息验证，若验证结果正确则比特解调完毕，重复(32)-(36)进行下一个GMSK调制信号 的处理；若验证结果错误，则将步骤(34)中次最大路径作为幸存路径，重复进行步骤(36)回 溯解调，若次最大路径作为幸存路径时，仍未验证正确，则寻找一下路径直到验证正确。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

(1)本发明将改进的维特比解调模块引入AIS卫星接收系统中，相对于差分解调等 传统方法，本发明能够动态实时规划出幸存路径，提高数据解调效率，进而提高了卫星AIS 系统的工作效率，保证了可靠性，更重要的是本发明方法简单易行，通用较强。

(2)本发明采用的维特比解调模块通过设定约束长度实现，通过改进的维特比解 调算法按照先验信息和CRC校验信息最小化接收序列实际符号和判决符号的累加距离，当 最大幸存路径存在问题时，能够采用规划路径中的备用路径进行解调，在相同信噪比情况 下降低了解调误码率，与传统的GMSK解调算法相比，基于应用层信息约束的Viterbi-GMSK 解调算法BER性能有明显改善，在信噪比10dB时，BER达到10^-4左右，本发明属于国内外首创。

附图说明

图1为本发明要解决的I型消息碰撞示意图；

图2为本发明要解决的II型消息碰撞示意图；

图3为本发明系统组成示意图；

图4为本发明GMSK解调算法性能仿真图；

图5为本发明GMSK误码率性能仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理和系统组成做进一步解释和说明。

目前的卫星AIS系统优点是覆盖范围广，解决了地面AIS网路覆盖范围问题。但是 卫星AIS系统采用的UTC(统一时间)SOTDMA技术只解决了地面本单元内部不同AIS移动站间 时隙分配问题和通信时间同步问题；对于卫星AIS系统接收到的卫星覆盖区内不同SOTDMA 单元的AIS信号，这些不同单元的AIS帧内时隙没有同步机制，在时间域存在重叠或部分重 叠冲突，影响卫星AIS系统正常信息获取。卫星AIS系统主要存在如下AIS消息冲突问题：

(1)消息碰撞类型I

如图1所示，不同SOTDMA单元的AIS发射机在同一个时隙时间发射。

对于卫星AIS系统，卫星的覆盖范围远大于SOTDMA单元的覆盖区域，星载AIS接收 机会收到来自不同的SOTDMA单元覆盖范围内的船舶同时发送的信息。显然，冲突概率决定 于卫星有效覆盖范围内船舶数量和船台设备信息报告速率。

(2)消息碰撞类型II

如图2所示，由于卫星接收覆盖范围广，不同SOTDMA单元AIS发射机在不同时隙发 射经不同距离传输延迟时间后在卫星AIS系统接收端同时到达，产生冲突。

对于地面AIS系统，SOTDMA单元内相邻两个时隙对应的不同船舶信息传输最大相 对时延为2ms。而对于卫星AIS系统，卫星和船舶间的传输距离远大于202海里，导致不同 SOTDMA单元内船舶间的相对传输时延大于2ms，引起不同SOTDMA单元内不同时隙间信息的 到达时间重叠。

因此，星载AIS系统为了能正常接收解调AIS信号，必须有效解决以上两类AIS时隙 冲突问题。本发明主要从接收机方面开展工作，提出一种新型的基于应用层系统级约束的 星载GMSK误码率改善方法。

如图3所示，一种基于应用层系统级约束的星载GMSK误码率改善系统，包括星载 AIS天线、AIS接收机；AIS接收机又包括滤波器模块、低噪放模块、信道化模块、AD转换模块、 数据缓冲模块、载波同步模块、定时同步模块、载波相位同步模块、维特比解调模块和应用 层验证模块；

AIS接收天线将收到的AIS信号发送至AIS接收机；

AIS接收机中的滤波器模块、低噪放模块、信道化模块和AD转换模块，将接收到的 AIS信号进行低噪放大、模拟滤波、AD转换以及DDC信道化变频到零中频处理，信道化模块将 零中频信号发送至数据缓冲模块进行缓存；

载波同步模块对数据缓冲模块中缓存的零中频数字信号进行载波同步和载波补 偿处理后发送至定位同步模块；载波同步的目的是使接收机解调器在接收机端获得所需的 载波信息，去除载波无用信息对解调器的干扰。本专利载波恢复实现时不需要辅助数据，通 过平方环方法用开环的方式实现载波同步；

定位同步模块和相位同步模块，对载波同步模块处理后的数据进行定时同步和载 波相位同步处理，然后发送至维特比解调模块和应用层验证模块进行解调处理；定时同步 的目的是获得GMSK的最佳采样时刻同时完成采样数据的抽取；本发明定时同步不需要辅助 数据，通过四阶累积量非线性方法完成每个输入符号时间相位偏差估计，根据符号采样时 刻估计输出相应数值。利用该值解调器通过具有反馈增益控制的方式完成定时同步。载波 相位同步完成载波同步后载波相位残差对系统解调带来的干扰，实现时通过对一定观察长 度序列的符号采用2P-功率法进行相位均值估计和补偿；

维特比解调模块，利用GMSK调制信号对接收到相位同步模块发送的处理后的AIS 信号进行解调；应用层验证模块，完成维特比解调模块解调信息码元的验证；

维特比解调模块和应用层验证模块的具体实现方式如下：

(31)根据GMSK调制信号特点设定约束长度，定义信号状态与信号状态转移矩阵；

(32)计算第k+1个GMSK调制信号的信号状态，k取正整数；

(33)计算第k个GMSK调制信号到第k+1个GMSK调制信号处的度量增量；

(34)比较所有的路径增量，选取最大路径作为幸存路径，保存路径信息和路径增 量；

(35)重复步骤(31)-(34)，直到k+1大于约束长度进入步骤(36)；

(36)通过步骤(34)选出的幸存路径进行路径回溯，找到对应初始信息码元；

(37)对包括初始信息码元在内的已解调信息码元组帧，并进行结束标志验证、CRC 校验信息验证，若验证结果正确则比特解调完毕，重复(32)-(36)进行下一个GMSK调制信号 的处理；若验证结果错误，则将步骤(34)中次最大路径作为幸存路径，重复进行步骤(36)回 溯解调，若次最大路径作为幸存路径时，仍未验证正确，则寻找一下路径直到验证正确。

本发明在在实现星载AIS系统GMSK解调器设计时，首先通过Matlab的SIMULINK通 信工具箱搭建系统对核心解调算法进行仿真，降低系统风险。假定161.975或者162.025MHz 的AIS信号经过下变频到零中频后进行基带信号处理和解调，考虑定时同步、载波同步、载 波相位同步和基于维特比的GMSK解调器，仿真系统各模块组成如图4所示。

GMSK信号是一种典型的CPM(恒包络)信号，通过最大似然序列检测(MLSD)的解调 方法可以获得AWGN(加性高斯白噪声)信道下的最优误码性能，Viterbi算法是执行最大似 然序列检测的最优化算法。本发明实现时通过Laurent分解方法对CPM信号进行PAM(脉冲幅 度调制)分解，取分解后的前4个脉冲分量进行维特比距离代价计算，保留了99.1944％的符 号总能量同时由于减少大量匹配滤波器等需求而大大降低解调运算复杂度。

维特比解调器中通过使用AIS报文消息中的相关先验信息：固定数据、船舶的速度 和位置物理特性、报文周期性、船舶ID等，约束维特比算法相关变量寄存器中变量值或者变 化范围，纠正因信道传输引起的比特错误，从而改善GMSK解调器BER或PER。

算法优化时采用约束如下表：

维特比算法约束常用信息表

消息内容 边界 缺省 1. 消息ID 1-3 / 2. 重复指示 / 0 3. 航行状态 0-10 15 4. 转换范围 -37-37 -128-127 5. 地面速率 0-511 1023

6. 纬度 根据覆盖 181 7. 经度 根据覆盖 91 8. 航线 0-3600 9. 特殊人员 0-2

实验结果

本专利提出的改进的维特比解调算法按照先验信息和CRC校验信息最小化接收序 列实际符号和判决符号累加距离，在相同信噪比情况下降低了解调误码率。如图5所示，给 出了传统的GMSK解调算法和基于应用层信息约束的Viterbi-GMSK解调算法BER性能，可以 看出，与传统算法相比本专利的算法性能有明显改善，在信噪比10dB时，本专利方法BER达 到10^-4左右。

本发明以国家海事局“星载AIS载荷关键技术研究及其演示验证系统研究”为主要 背景，解决了卫星接收海上、河流等船舶AIS信号问题，船舶AIS系统主要采用GMSK调制方 式、SOTDMA通信方式进行数据通信。本发明已经经过论证和验证，效果良好。

本发明未公开的部分为本领域公知常识。