一种AIS信号的解调方法、装置及设备与流程

本发明涉及无线电通信与数字信号处理领域，特别涉及一种ais信号的解调方法、装置及设备。

背景技术：

1、船舶自动识别系统（ais）采用高斯最小频移键控（gmsk）调制，在甚高频频段以时隙突发方式广播船舶的动态与静态信息。接收端对每一个突发的常规处理链路为：由包络检测或非相干鉴频得到比特流，由一个固定参数的定时恢复环路（如gardner锁相环）确定判决点，在硬判决比特域以前导码与起始标志0x7e作互相关搜索帧头，经非归零反转（nrzi）解码与位填充剔除后按ais规定的crc-16（ccitt）校验；校验通过则输出报文，校验不通过则丢弃该突发。

2、在远洋航行、岸基远距离监测及星载接收等场景中，接收端的实际信噪比本身很低，同时，发射机晶振老化、器件温漂会在一个突发的持续期内引入频率抖动，多径与多普勒又叠加了整体的相位旋转。在这种工况下，上述链路表现出的现象是：能量门限能够检测到突发的存在，前导相关也给出响应，说明信号确实被收到了，但最终crc几乎总是不通过，该突发被整帧丢弃；而事后比对可知，被丢弃的突发中有相当比例实际只有个位数的比特出错，有些甚至比特判决完全正确、只是帧起点整体错开了一两个符号。

3、之所以这些"差一点就对"的突发无法被利用，在于该链路对一个突发只能给出一个不可分级的处理结果：定时环路的带宽是一次性选定的，选宽了在低信噪比下引入过多噪声、判决点被噪声牵引，选窄了则跟不上突发内的符号定时漂移而失锁并发生符号滑移，而无论最终的错误来自噪声还是来自滑移，链路交付给上层的都只是一串等权的二值比特和一个"crc不通过"的二值结论，接收端既无从知道错在哪几位，也无从判断是帧起点定错了还是比特判决错了，除了把整个突发丢弃之外没有其他处置手段。为挽救这类连续坏包，现有的一些做法转而到上层应用协议的规律中寻找线索，例如依据发包计数器的等差关系作插值预测，但在多船并发、随机发射间隔与连续丢包的真实海况下这类策略容易失效，甚至造成不同船舶报文的错误拼接。

4、有鉴于此，提出本技术。

技术实现思路

1、本发明公开了一种ais信号的解调方法、装置及设备，旨在解决低信噪比且伴随突发内频率抖动的接收条件下，已被检测到的ais突发因crc校验不通过而被整帧丢弃、丢弃率居高不下的问题。

2、本发明第一实施例提供了一种ais信号的解调方法，包括：

3、利用前导训练序列的周期性估计复基带样本的载波频率粗偏，并按其对所述复基带样本逐采样去旋转，得到补偿样本；

4、以与gmsk成型脉冲匹配的滤波器对所述补偿样本滤波，逐符号输出软度量；

5、将所述软度量并行送入环路带宽互补的第一定时环路与第二定时环路，分别得到第一判决点采样与第二判决点采样；

6、以最近q个符号构成网格状态,以所述第一判决点采样、所述第二判决点采样分别与由gmsk部分响应记忆生成的无噪声模板之间的欧氏距离为分支度量，经维特比递推与回溯得到第一符号序列、第二符号序列及各自的逐比特软可靠度，并将两者的逐比特软可靠度加权合并为合并软判决；

7、以所述合并软判决的带符号可靠度与本地参考模板作软互相关，得到候选帧起点；针对所述候选帧起点，根据ais数据包结构、报文类型及相应字段长度，确定自所述候选帧起点起对应的报文结束位置，并基于ais时隙结构确定所述报文结束位置之后的静默检测窗口；检测所述静默检测窗口内的接收信号能量，在所述接收信号能量低于静默判定阈值时，将所述候选帧起点确认为帧同步点；

8、自所述帧同步点作crc校验；校验失败时，取所述第一符号序列与所述第二符号序列的差异比特位以及所述合并软判决幅值较小的若干比特构成候选翻转集，在预设的候选数量上限内按幅值由小到大翻转并重算crc，输出通过校验的报文。

9、本发明第二实施例提供了一种ais信号的解调装置，包括：

10、载波频偏预补偿单元，用于利用前导训练序列的周期性估计复基带样本的载波频率粗偏，并按其对所述复基带样本逐采样去旋转，得到补偿样本；

11、匹配滤波软度量单元，用于以与gmsk成型脉冲匹配的滤波器对所述补偿样本滤波，逐符号输出软度量；

12、双环互补定时恢复单元，用于将所述软度量并行送入环路带宽互补的第一定时环路与第二定时环路，分别得到第一判决点采样与第二判决点采样；

13、软合并单元，用于以最近q个符号构成网格状态,以所述第一判决点采样、所述第二判决点采样分别与由gmsk部分响应记忆生成的无噪声模板之间的欧氏距离为分支度量，经维特比递推与回溯得到第一符号序列、第二符号序列及各自的逐比特软可靠度，并将两者的逐比特软可靠度加权合并为合并软判决；

14、协议级软帧对齐单元，用于以所述合并软判决的带符号可靠度与本地参考模板作软互相关，得到候选帧起点；针对所述候选帧起点，根据ais数据包结构、报文类型及相应字段长度，确定自所述候选帧起点起对应的报文结束位置，并基于ais时隙结构确定所述报文结束位置之后的静默检测窗口；检测所述静默检测窗口内的接收信号能量，在所述接收信号能量低于静默判定阈值时，将所述候选帧起点确认为帧同步点；

15、报文输出单元，用于自所述帧同步点作crc校验；校验失败时，取所述第一符号序列与所述第二符号序列的差异比特位以及所述合并软判决幅值较小的若干比特构成候选翻转集，在预设的候选数量上限内按幅值由小到大翻转并重算crc，输出通过校验的报文。

16、本发明第三实施例提供了一种ais信号的解调设备，包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上任意一项所述的一种ais信号的解调方法。

17、本发明第四实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述计算机可读存储介质所在设备的处理器执行，以实现如上任意一项所述一种ais信号的解调方法。

18、有益效果：

19、同一段突发在两类不同主导工况下均可提高正确解调概率，且不再以硬判决的形式丢失可信度信息。 两条环路带宽互补的定时环路对同一段软度量并行工作，窄带那条在背景噪声较高时保持判决点平稳、宽带支路在收发采样时钟偏差引起的符号定时漂移条件下快速重锁，因而无论该突发实际落在哪一种工况下，提高至少一条支路获得可用的定时恢复软度量；在此基础上，以最近 q 个符号构成网格状态、按 gmsk 部分响应记忆预测无噪声模板作分支度量的维特比递推，利用了逐符号硬判决所丢弃的码间记忆，并对两条支路的逐比特软可靠度加权合并，形成一次软分集，使误码率与失锁后的重新锁定能力在低信噪比与频率抖动并存时同时得到改善。

20、帧同步不再因单一硬相关而滑移，且 crc 失败的突发不必整帧丢弃。 帧起点由合并软判决的带符号可靠度加权互相关求得，并须与根据ais数据包结构确定的报文结束位置之后预设窗口内接收信号能量低于静默判定阈值这一物理层状态相互印证，两个来源不同的证据同时成立才确认帧同步点，显著降低了弱信噪比与突发脉冲干扰下的虚警、漏检与符号滑移；当 crc 仍不通过时，凭借前一步保留下来的软可靠度，可定位出两条支路判决相异的比特位与幅值较小的若干低可靠度比特，在预设的候选数量上限内按可靠度由低到高翻转并重算 crc，从而把"差几位就对"的坏包挽救回来——整个挽救过程只使用物理层软信息与底层协议特征，不依赖发包计数器等上层报文连续性规律，在多船并发、随机发射间隔与连续丢包的真实海况下同样适用。