本发明涉及船舶数据交换系统调制解调技术领域，特别涉及一种船舶vdes系统的ais体制解调方法及解调系统，该方法适用于单个/多个时隙、短帧/长帧信号等任意情况下的数据解调。
背景技术：
2014年2月国际电信联盟itu-rm.1371-5建议书提出vhf水上移动频段内的使用时分多址的自动识别系统(ais)的技术特性，并且对ais体制的通信技术特性作出了相应的规定，但是未对实现方式作出相应规定，特别是对单个/多个时隙、常发/突发信号等任意情况下的实现方式，没有明确说明。
在现有的ais体制通信系统中，信号解调方法采用1bit/2bit差分解调，这种方法虽然实现简单，但解调性能低，实用性不强；接收信号载波频偏估计方法采用相关运算来实现，这种方法需要根据帧结构特点来实现，得不到广泛应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种船舶vdes系统的ais体制解调方法，该方法采用特殊的信号检测、频偏估计和鉴频解调来实现信号解调，克服了传统的差分解调的解调性能差的缺陷，适应于单个/多个时隙、短帧/长帧信号等任意情况下的数据解调，大大拓宽了数据解调的适用范围。
本发明的另外一个目的在于提供一种船舶vdes系统的ais体制解调系统。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种船舶vdes系统的ais体制解调方法，包括如下步骤：
对ais接收信号进行采样处理，将经过采样处理的ais接收信号与频率为fc的本地载波信号进行同相和正交混频，得到鉴相误差，进一步得到本地载波信号和所述ais接收信号之间的频差δf；
将所述ais接收信号与频偏补偿后的载波信号进行同相和正交混频，得到同相分量和正交分量，其中频偏补偿后的载波信号的频率为fc+δf；
将所述同相分量和正交分量进行低通滤波，去掉高频成分；
将所述低通滤波后的同相分量和正交分量进行鉴频处理，得到鉴频解调结果；
对所述鉴频解调结果的相邻码元符号位变化进行统计分析，实现信号检测；
对实现信号检测的数据进行解码和校验，完成ais体制解调。
在上述船舶vdes系统的ais体制解调方法中，所述对ais接收信号进行采样处理，将经过采样处理的ais接收信号与频率为fc的本地载波信号进行同相和正交混频，得到鉴相误差，进一步得到本地载波信号和ais接收信号之间的频差δf的具体方法包括如下步骤：
(1.1)、对ais接收信号进行采样处理，将经过采样处理的ais接收信号与频率为fc的本地载波信号进行同相和正交混频，输出同相分量i(t)和正交分量q(t)；
(1.2)、将所述同相分量i(t)和正交分量q(t)进行低通滤波，去掉高频成分；
(1.3)、将低通滤波后的同相分量i(t)和正交分量q(t)进行鉴相处理，得到鉴相误差
(1.4)、判断所述ais接收信号的能量，若所述能量大于设定的阈值，则对所述得到的鉴相误差
在上述船舶vdes系统的ais体制解调方法中，所述步骤(1.3)中鉴相误差
在上述船舶vdes系统的ais体制解调方法中，所述步骤(1.4)中对所述得到的鉴相误差
(1.4.1)、对所述鉴相误差
(1.4.2)、对所述输出的m个运算数据进行最大峰值检测，直至找到最大峰值；
(1.4.3)、根据所述最大峰值找到所述最大峰值对应的运算数据在1～m/2范围内所处的位置n，计算载波频差δf：
δf＝n×f
其中：n为1～m/2范围内的某个值，f为估计精度，其中：
在上述船舶vdes系统的ais体制解调方法中，将所述低通滤波后的同相分量和正交分量进行鉴频处理，得到鉴频解调结果的具体方法如下：
其中：
在上述船舶vdes系统的ais体制解调方法中，对所述鉴频解调结果的相邻码元符号位变化进行统计分析，实现信号检测的具体方法如下：
(5.1)、根据鉴频解调结果
(5.2)、连续统计l/2次，如果连续检测到l/2-1个符号位发生跳变，则判定完成信号检测，进入步骤(5.3)，否则，统计结果清零，返回步骤(5.1)；
(5.3)、取完成信号检测时刻的下一时刻的采样点作为有效数据的起始采样点，对连续n个采样点进行积分作为一个有效数据输出，依次类推，输出一帧有效数据。
在上述船舶vdes系统的ais体制解调方法中，所述对实现信号检测的数据进行解码和校验，完成ais体制解调的具体方法如下：
(6.1)、对实现信号检测的数据进行双极性反向不归零解码；
(6.2)、寻找双极性反向不归零解码后数据中的起始标志和结束标志，并将寻找到起始标志和结束标志的完整数据帧存入存储器中；
(6.3)、从存储器中读出所述完整数据帧并进行crc校验，判断所述ais接收数据是否正确。
在上述船舶vdes系统的ais体制解调方法中，将ais接收信号分为两路，其中一路进行延迟，另外一路进行采样处理，将经过采样处理的ais接收信号与频率为fc的本地载波信号进行同相和正交混频，得到鉴相误差，进一步得到本地载波信号和ais接收信号之间的频差δf；将延迟后的ais接收信号与频偏补偿后的载波信号进行同相和正交混频，得到同相分量和正交分量，其中频偏补偿后的载波信号的频率为fc+δf。
一种船舶vdes系统的ais体制解调系统，包括频偏估计模块、混频模块、低通滤波模块、鉴频解调模块、信号检测模块和解码校验模块，其中：
频偏估计模块：对ais接收信号进行采样处理，将经过采样处理的ais接收信号与频率为fc的本地载波信号进行同相和正交混频，得到鉴相误差，进一步得到本地载波信号和ais接收信号之间的频差δf，将所述频差δf输出给混频模块；
混频模块：接收频偏估计模块输出的频差δf，得到频偏补偿后的载波信号，将所述ais接收信号与频偏补偿后的载波信号进行同相和正交混频，得到同相分量和正交分量，将所述同相分量和正交分量输出给低通滤波模块，其中频偏补偿后的载波信号的频率为fc+δf；
低通滤波模块：接收混频模块输出的同相分量和正交分量，将所述同相分量和正交分量进行低通滤波，去掉高频成分，并将低通滤波后的同相分量和正交分量输出给鉴频解调模块；
鉴频解调模块：接收低通滤波模块输出的低通滤波后的同相分量和正交分量，将所述低通滤波后的同相分量和正交分量进行鉴频处理，得到鉴频解调结果，并输出给信号检测模块；
信号检测模块：接收鉴频解调模块输出的鉴频解调结果，对所述鉴频解调结果的相邻码元符号位变化进行统计分析，实现信号检测，并将信号检测后的数据输出给解码校验模块；
解码校验模块：接收信号检测模块输出的信号检测后的数据，对实现信号检测的数据进行解码和校验，完成ais体制解调。
在上述船舶vdes系统的ais体制解调系统中，所述频偏估计模块对ais接收信号进行采样处理，将经过采样处理的ais接收信号与频率为fc的本地载波信号进行同相和正交混频，得到鉴相误差，进一步得到本地载波信号和ais接收信号之间的频差δf的具体方法包括如下步骤：
(1.1)、对ais接收信号进行采样处理，将经过采样处理的ais接收信号与频率为fc的本地载波信号进行同相和正交混频，输出同相分量i(t)和正交分量q(t)；
(1.2)、将所述同相分量i(t)和正交分量q(t)进行低通滤波，去掉高频成分；
(1.3)、将低通滤波后的同相分量i(t)和正交分量q(t)进行鉴相处理，得到鉴相误差
(1.4)、判断所述ais接收信号的能量，若所述能量大于设定的阈值，则对所述得到的鉴相误差
在上述船舶vdes系统的ais体制解调系统中，所述步骤(1.3)中鉴相误差
所述步骤(1.4)中对所述得到的鉴相误差
(1.4.1)、对所述鉴相误差
(1.4.2)、对所述输出的m个运算数据进行最大峰值检测，直至找到最大峰值；
(1.4.3)、根据所述最大峰值找到所述最大峰值对应的运算数据在1～m/2范围内所处的位置n，计算载波频差δf：
δf＝n×f
其中：n为1～m/2范围内的某个值，f为估计精度，其中：
在上述船舶vdes系统的ais体制解调系统中，所述鉴频解调模块接收低通滤波模块输出的低通滤波后的同相分量和正交分量，将所述低通滤波后的同相分量和正交分量进行鉴频处理，得到鉴频解调结果的具体方法如下：
其中：
在上述船舶vdes系统的ais体制解调系统中，所述信号检测模块接收鉴频解调模块输出的鉴频解调结果，对所述鉴频解调结果的相邻码元符号位变化进行统计分析，实现信号检测的具体方法如下：
(5.1)、根据鉴频解调结果
(5.2)、连续统计l/2次，如果连续检测到l/2-1个符号位发生跳变，则判定完成信号检测，进入步骤(5.3)，否则，统计结果清零，返回步骤(5.1)；
(5.3)、取完成信号检测时刻的下一时刻的采样点作为有效数据的起始采样点，对连续n个采样点进行积分作为一个有效数据输出，依次类推，输出一帧有效数据。
在上述船舶vdes系统的ais体制解调系统中，所述解码校验模块接收信号检测模块输出的信号检测后的数据，对实现信号检测的数据进行解码和校验，完成ais体制解调的具体方法如下：
(6.1)、对实现信号检测的数据进行双极性反向不归零解码；
(6.2)、寻找双极性反向不归零解码后数据中的起始标志和结束标志，并将寻找到起始标志和结束标志的完整数据帧存入存储器中；
(6.3)、从存储器中读出所述完整数据帧并进行crc校验，判断所述ais接收数据是否正确。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明ais体制解调方法采用特殊的信号检测、频偏估计和鉴频解调来实现信号解调，克服了传统的差分解调的解调性能差的缺陷，适应于单个/多个时隙、短帧/长帧信号等任意情况下的数据解调，大大拓宽了数据解调的适用范围。
(2)、本发明根据数据帧结构中训练序列特点，通过统计相邻码元符号位变化情况来进行信号检测(帧头检测)，该方法设计简单，易于实现，并且信号检测结果准确，具有较高的精度。
(3)、本发明采用鉴频解调来实现信号解调，显著提高了系统解调性能。
(4)、本发明利用频谱分析的原理，从载波鉴相误差中提取本地载波信号和ais接收信号之间的频差，能够快速恢复出ais接收信号的载波频率，不仅捕获周期短，而且准确度高。
(5)、本发明中fft运算采用fpga芯片中ip核来实现，耗费硬件资源少，准确度高，可以有效克服现有技术受硬件平台限制的缺陷，降低了成本。
附图说明
图1为本发明船舶vdes系统的ais体制解调方法的原理框图。
图2为本发明船舶vdes系统的ais体制解调方法的具体实施框图。
图3为本发明的船舶vdes系统的ais体制解调系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为船舶vdes系统的ais体制解调实现方法的原理框图，图2所示为船舶vdes系统的ais体制解调方法的具体实施框图。本发明的船舶vdes系统的ais体制解调实现方法，具体包括下列步骤：
(1)、用模数转换器(adc)对ais接收信号进行采样处理，每个数据符号内有n个采样点。
(2)、将经过采样处理的ais接收信号与本地载波信号进行同相和正交混频，输出同相分量i(t)和正交分量q(t)；其中，本地载波信号频率为fc。
(3)、将同相分量i(t)和正交分量q(t)进行低通滤波，去掉高频成分。
(4)、将低通滤波之后的同相分量i(t)和正交分量q(t)通过相位鉴别器，进行鉴相处理，得到鉴相误差
(5)、判断ais接收信号的能量，若所述能量大于设定的阈值，则对所述得到的鉴相误差
本发明实施例中，将没有ais接收信号时采样数据的能量作为设定的阈值，即噪声的能量作为设定的阈值。
本发明实施例中得到本地载波信号和所述ais接收信号之间的频差δf的具体方法如下：
(5.1)、对所述鉴相误差
(5.2)、对所述输出的m个运算数据进行最大峰值检测，直至找到最大峰值；检测范围为1～m/2个运算数据。
(5.3)、根据所述最大峰值找到所述最大峰值对应的运算数据在1～m/2范围内所处的位置n，计算载波频差δf：
δf＝n×f
其中：n为1～m/2范围内的某个值，代表第几个运算数据；f为估计精度，其中：
(6)、将延迟后的ais接收信号与频偏补偿后的载波信号进行同相和正交混频，输出同相分量i'(t)和正交分量q'(t)；其中，频偏补偿后的载波信号的频率为fc+δf。
(7)、将同相分量i'(t)和正交分量q'(t)进行低通(fir)滤波，去掉高频成分；
(8)、将fir滤波之后的同相分量i'(t)和正交分量q'(t)通过频率鉴别器进行鉴频处理，得到鉴频解调结果
其中：
(9)、根据数据帧结构中训练序列特点，对鉴频解调结果
(9.1)、根据鉴频解调结果
(9.2)、连续统计l/2次，如果连续检测到l/2-1个符号位发生跳变，则判定完成信号检测，进入步骤(9.3)，否则，统计结果清零，返回步骤(9.1)。
(9.3)、取完成信号检测时刻的下一时刻的采样点作为有效数据的起始采样点，对连续n个采样点进行积分作为一个有效数据输出，依次类推，输出一帧有效数据。
(10)、对步骤(9.3)中完成帧头检测的数据进行双极性反向不归零(nrzi)解码；
(11)、寻找nrzi解码后数据中的起始标志和结束标志，并将寻找到起始标志和结束标志的完整数据帧依次存入存储器ram中；
(12)、从存储器ram中读出完整数据帧并进行crc校验，判断解调是否正确，若crc校验正确，则表明解调正确，同时输出解调后的二进制数据，否则表明解调错误。
具体地，本发明实施例中将ais接收信号分为两路，其中一路进行延迟，另外一路进行采样处理，将经过采样处理的ais接收信号与频率为fc的本地载波信号进行同相和正交混频，得到鉴相误差，进一步得到本地载波信号和ais接收信号之间的频差δf；将延迟后的ais接收信号与频偏补偿后的载波信号进行同相和正交混频，得到同相分量和正交分量，其中频偏补偿后的载波信号的频率为fc+δf。可以利用fifo进行延迟，如图2所示。
如图3所示为本发明的船舶vdes系统的ais体制解调系统的结构示意图，由图可知，本发明船舶vdes系统的ais体制解调系统包括频偏估计模块、混频模块、低通滤波模块、鉴频解调模块、信号检测模块和解码校验模块。
频偏估计模块，对ais接收信号进行采样处理，将经过采样处理的ais接收信号与频率为fc的本地载波信号进行同相和正交混频，得到鉴相误差，进一步得到本地载波信号和ais接收信号之间的频差δf，将所述频差δf输出给混频模块。
混频模块，接收频偏估计模块输出的频差δf，得到频偏补偿后的载波信号，将所述ais接收信号与频偏补偿后的载波信号进行同相和正交混频，得到同相分量和正交分量，将所述同相分量和正交分量输出给低通滤波模块，其中频偏补偿后的载波信号的频率为fc+δf。
低通滤波模块，接收混频模块输出的同相分量和正交分量，将所述同相分量和正交分量进行低通滤波，去掉高频成分，并将低通滤波后的同相分量和正交分量输出给鉴频解调模块。
鉴频解调模块，接收低通滤波模块输出的低通滤波后的同相分量和正交分量，将所述低通滤波后的同相分量和正交分量进行鉴频处理，得到鉴频解调结果，并输出给信号检测模块。
信号检测模块，接收鉴频解调模块输出的鉴频解调结果，对所述鉴频解调结果的相邻码元符号位变化进行统计分析，实现信号检测，并将信号检测后的数据输出给解码校验模块。
解码校验模块，接收信号检测模块输出的信号检测后的数据，对实现信号检测的数据进行解码和校验，完成ais体制解调。
具体地，本发明实施例中，频偏估计模块对ais接收信号进行采样处理，将经过采样处理的ais接收信号与频率为fc的本地载波信号进行同相和正交混频，得到鉴相误差，进一步得到本地载波信号和ais接收信号之间的频差δf的具体方法包括如下步骤：
(1.1)、对ais接收信号进行采样处理，将经过采样处理的ais接收信号与频率为fc的本地载波信号进行同相和正交混频，输出同相分量i(t)和正交分量q(t)；
(1.2)、将所述同相分量i(t)和正交分量q(t)进行低通滤波，去掉高频成分；
(1.3)、将低通滤波后的同相分量i(t)和正交分量q(t)进行鉴相处理，得到鉴相误差
(1.4)、判断所述ais接收信号的能量，若所述能量大于设定的阈值，则对所述得到的鉴相误差
本发明实施例中得到本地载波信号和所述ais接收信号之间的频差δf的具体方法如下：
(1.4.1)、对所述鉴相误差
(1.4.2)、对所述输出的m个运算数据进行最大峰值检测，直至找到最大峰值；检测范围为1～m/2个运算数据。
(1.4.3)、根据所述最大峰值找到所述最大峰值对应的运算数据在1～m/2范围内所处的位置n，计算载波频差δf：
δf＝n×f
其中：n为1～m/2范围内的某个值，f为估计精度，其中：
具体地，本发明实施例中，鉴频解调模块接收低通滤波模块输出的低通滤波后的同相分量和正交分量，将所述低通滤波后的同相分量和正交分量进行鉴频处理，得到鉴频解调结果的具体方法如下：
其中：
具体地，本发明实施例中，信号检测模块接收鉴频解调模块输出的鉴频解调结果，对所述鉴频解调结果的相邻码元符号位变化进行统计分析，实现信号检测的具体方法如下：
(2.1)、根据鉴频解调结果
(2.2)、连续统计l/2次，如果连续检测到l/2-1个符号位发生跳变，则判定完成信号检测，进入步骤(2.3)，否则，统计结果清零，返回步骤(2.1)；
(2.3)、取完成信号检测时刻的下一时刻的采样点作为有效数据的起始采样点，对连续n个采样点进行积分作为一个有效数据输出，依次类推，输出一帧有效数据。
具体地，本发明实施例中，解码校验模块接收信号检测模块输出的信号检测后的数据，对实现信号检测的数据进行解码和校验，完成ais体制解调的具体方法如下：
(3.1)、对实现信号检测的数据进行双极性反向不归零解码；
(3.2)、寻找双极性反向不归零解码后数据中的起始标志和结束标志，并将寻找到起始标志和结束标志的完整数据帧存入存储器中；
(3.3)、从存储器中读出所述完整数据帧并进行crc校验，判断所述ais接收数据是否正确。
实施例：
在本实施例中，船舶vdes系统的ais体制的数据率rb＝9.6kbps，帧长为928bit，数据起始标志为0x7e，数据结束标志为0x7e，本地载波频率fc＝6.4mhz，fir滤波器阶数为16阶，fft运算点数m＝4096，crc位数为16位。
用adc对ais接收信号进行采样处理，采样率fc＝153.6khz，每个数据符号内有16个采样点(即n＝16)，经过采样后的ais接收信号与频率为6.4mhz的本地载波信号进行同相和正交混频低通滤波后，得到同相分量i(t)和正交分量q(t)，以及鉴相误差
将经过fifo延迟后的ais接收信号与频率为6.45355mhz的本地载波信号进行同相和正交混频低通滤波后，得到同相分量i'(t)和正交分量q'(t)，并对此进行鉴频解调，得到解调后的信号
再进行nrzi解码、寻找起始标志(0x7e)/结束标志(0x7e)、crc校验，即可恢复出原始的二进制数据源。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。