姚元飛,龔玉超,佟 力

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所, 成都610036)

1 引 言

AIS 信號(hào)檢測(cè)性能是衡量船用全球自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)性能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。AIS 是一種新型的助航系統(tǒng)及設(shè)備,該系統(tǒng)為船舶航行安全和航行管理提供了一種新型而有效的手段,它基于無(wú)線電應(yīng)答器的相關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù),可用于船舶等運(yùn)載工具的精確跟蹤,以彌補(bǔ)傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)測(cè)在自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)以及獲取航行動(dòng)向信息等方面的不足,對(duì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)起輔助或替代作用。

AIS 系統(tǒng)采用了GMSK 調(diào)制方式,雖然這種調(diào)制方式壓低了頻譜上的旁瓣電平,平滑了信號(hào)的相位曲線,穩(wěn)定了信號(hào)的頻率變化,提高了譜利用率,滿足了移動(dòng)通信環(huán)境下對(duì)鄰道干擾的嚴(yán)格要求,但是,卻帶來(lái)了不可避免的碼間串?dāng)_[1-2]。目前,市場(chǎng)上的AIS 設(shè)備一般是采用相干解調(diào)[3]、差分解調(diào)[4-7]的方法實(shí)現(xiàn)AIS 接收解調(diào)處理,雖然可以完成功能,但是,AIS 信號(hào)檢測(cè)性能不夠理想,因此,本文提出了基于GMSK 調(diào)制方式的Viterbi 解調(diào)算法和報(bào)文自動(dòng)檢測(cè)算法組合成的設(shè)計(jì)方法,以提高AIS信號(hào)檢測(cè)性能。

2 設(shè)計(jì)方法

本文介紹的設(shè)計(jì)方法是在雙通道AIS 中頻數(shù)字化接收機(jī)中得到了應(yīng)用,不但實(shí)現(xiàn)了雙通道70 MHz中頻的AIS 信號(hào)解調(diào)和報(bào)文解析功能,而且提高了AIS 信號(hào)的檢測(cè)性能。該接收機(jī)的硬件電路僅有AD 轉(zhuǎn)換器、FPGA 和簡(jiǎn)單的外圍電路、接口電路組成,其中AD 轉(zhuǎn)換器選用的AD 公司的12 位低功耗雙路AD 轉(zhuǎn)換器AD9238, FPGA 選用XILINX 公司Spartan-6 系列的FPGA 芯片XC6SLX75,該芯片采用成熟的45 nm 低功耗技術(shù),實(shí)現(xiàn)了性價(jià)比與功耗的完美結(jié)合,能夠提供全新且高效的雙寄存器6 輸入查找表邏輯和一系列豐富的內(nèi)置系統(tǒng)級(jí)模塊,其中包括邏輯單元74 637 個(gè)、18 kbyte BlockRAM 172個(gè)、第二代DSP48A1 slice 132 個(gè)等資源。

首先,通過(guò)雙路AD 轉(zhuǎn)換器AD9238,采用雙路40 MHz的采樣速率,按照帶通采樣原理,實(shí)現(xiàn)了AIS系統(tǒng)兩個(gè)通道的并行模數(shù)轉(zhuǎn)換;然后,通過(guò)FPGA,采用帶通濾波和數(shù)字混頻得到了AIS 基帶信號(hào);最后,通過(guò)FPGA,采用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了基于GMSK 調(diào)制方式的Viterbi 解調(diào)算法和AIS 報(bào)文解析兩個(gè)核心功能,實(shí)現(xiàn)框圖如圖1 所示。

圖1 AIS 中頻數(shù)字化實(shí)現(xiàn)框圖Fig.1 Block diagram of realizing AIS IF digitization

2.1 基于GMSK 調(diào)制方式的Viterbi 解調(diào)算法

GMSK(Gaussian filtered MSK)是由MSK 演變來(lái)的一種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法。MSK 是一種高效的調(diào)制方法,具有很多好的特性,例如包絡(luò)恒定、帶寬較窄和誤比特率低等,但是MSK 信號(hào)沒有一個(gè)緊湊的功率譜密度,譜利用率低,不能滿足移動(dòng)通信中對(duì)信號(hào)的帶外輻射功率的限制要求,因此,GMSK 將MSK 調(diào)制的二進(jìn)制不歸零數(shù)據(jù)通過(guò)高斯預(yù)調(diào)制脈沖成形濾波器,濾除信號(hào)中的高頻分量,使其頻譜上的旁瓣水平進(jìn)一步降低,基帶的高斯脈沖成形技術(shù)平滑了MSK 信號(hào)的相位曲線,因此穩(wěn)定了信號(hào)的頻率變化,這使得發(fā)射頻譜上的旁瓣水平大大降低,提高了譜利用率,滿足了移動(dòng)通信環(huán)境下對(duì)鄰道干擾的嚴(yán)格要求,其信號(hào)表達(dá)式為式(1)所示,其中θ(t)可以表示為式(2)形式。

式中,an為輸入的不歸零雙極性數(shù)據(jù)信號(hào)碼元, T為信號(hào)碼元寬度,g(t)為預(yù)調(diào)制高斯低通濾波器的沖激響應(yīng)。

針對(duì)GMSK 信號(hào)的特點(diǎn),本文采用Viterbi 解調(diào)算法,減少GMSK 調(diào)制方式本身帶來(lái)的碼間串?dāng)_,提高解調(diào)性能,實(shí)現(xiàn)流程如圖2 所示[8]。

圖2 VITERBI 算法解調(diào)流程圖Fig.2 Flowchart of realizing Viterbi algorithm demodulation

假設(shè)路徑的記憶長(zhǎng)度為N,當(dāng)(K +1)

式中,θ(t)可以通過(guò)式(2)得到,cosθ(t)和sinθ(t)可以通過(guò)FPGA 自帶的CORDIC IP 核產(chǎn)生。另外,由圖1 可知,在FPGA 軟件中,通過(guò)帶通濾波、數(shù)字混頻、低通濾波等一系列處理后,可以得到AIS 基帶信號(hào)I(t)和Q(t),最后,通過(guò)周期內(nèi)累加的方法,便可以實(shí)現(xiàn)式(3)中的積分運(yùn)算,實(shí)時(shí)得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑度量增量。

2.2 AIS 報(bào)文解析

AIS 報(bào)文格式如圖3 所示,由訓(xùn)練序列、起始標(biāo)志、數(shù)據(jù)、FCS、結(jié)束標(biāo)志和緩沖區(qū)組成,其中, 訓(xùn)練序列是24 bit 交替的0 和1(010101…),起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志都是8 bit 長(zhǎng)的“01111110”,數(shù)據(jù)是所有AIS有效數(shù)據(jù)內(nèi)容,FCS 使用循環(huán)冗余檢驗(yàn)(CRC)16 bit多項(xiàng)式計(jì)算檢驗(yàn)和。AIS 常用的動(dòng)態(tài)報(bào)文長(zhǎng)度是256 bit,但有些靜態(tài)數(shù)據(jù)報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為424 bit,甚至更長(zhǎng),AIS 報(bào)文解析可以分為NRZI 解碼、報(bào)文自動(dòng)檢測(cè)、比特反填充和CRC 檢驗(yàn)四部分組成。

圖3 AIS 報(bào)文格式Fig.3 AIS message format

2.2.1 NRZI 解碼

NRZI 編碼是差分編碼的一種,它用信號(hào)電平的翻轉(zhuǎn)表示一個(gè)邏輯電平,信號(hào)電平保持不變代表另外一個(gè)邏輯電平。AIS 系統(tǒng)規(guī)定,當(dāng)遇到比特串中的0 時(shí),信號(hào)電平改變,當(dāng)遇到比特串中的1 時(shí),信號(hào)電平不變。

2.2.2 報(bào)文自動(dòng)檢測(cè)

由于AIS 報(bào)文最長(zhǎng)不會(huì)超過(guò)5 個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為26.67 ms,所以最長(zhǎng)的有效數(shù)據(jù)Nmax不會(huì)超過(guò)1 216 bit,計(jì)算方法如式(4)所示,因此,在設(shè)計(jì)中開辟了2 048 bit長(zhǎng)度的RAM 空間。

式中,N 為每個(gè)時(shí)隙的報(bào)文長(zhǎng)度256 bit;Ltrain為訓(xùn)練序列長(zhǎng)度,為24 bit;L1和L2為起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志長(zhǎng)度,均為8 bit;L 3 為緩沖區(qū)長(zhǎng)度,為24 bit。

本文介紹的報(bào)文自動(dòng)檢測(cè)流程如圖4 所示,對(duì)于接收到的AIS 解調(diào)數(shù)據(jù),當(dāng)檢測(cè)到報(bào)文頭標(biāo)志“7E”后,置RAM 的寫使能WR 有效,解調(diào)數(shù)據(jù)既輸入buffer,又輸入RAM,同時(shí)計(jì)數(shù)器counter 開始計(jì)數(shù)(記錄已存儲(chǔ)的有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)),當(dāng)檢測(cè)到報(bào)文尾標(biāo)志“7E”時(shí),置RAM 寫使能無(wú)效,解調(diào)數(shù)據(jù)不再進(jìn)入RAM。如果在連續(xù)的5 個(gè)時(shí)隙(counter=1 216)內(nèi)只檢測(cè)到一個(gè)“7E”標(biāo)志,說(shuō)明該報(bào)文是錯(cuò)誤的,丟棄該包數(shù)據(jù), 重新檢測(cè)報(bào)文頭標(biāo)志“7E”, 同時(shí)清除RAM 中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),如果在小于5 個(gè)時(shí)隙的時(shí)間內(nèi)又接收到報(bào)文尾標(biāo)志“7E”,表示該包數(shù)據(jù)可能是A IS 有效數(shù)據(jù),從而將RAM 中的數(shù)據(jù)讀出,進(jìn)入比特反填充環(huán)節(jié)。

圖4 報(bào)文自動(dòng)檢測(cè)流程圖Fig.4 Flowchart of realizing message automatic detection

2.2.3 比特反填充

AIS 協(xié)議規(guī)定,發(fā)送AIS 數(shù)據(jù)前要進(jìn)行比特填充,因此接收數(shù)據(jù)后,需要進(jìn)行比特反填充。

比特填充的定義為,在發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)5個(gè)連續(xù)的“1”,應(yīng)該在第5 個(gè)“1”后插入一個(gè)“0”;比特反填充的定義為,在接收數(shù)據(jù)過(guò)程中,應(yīng)將5 個(gè)連續(xù)的“1”后的第一個(gè)“0”刪除。

2.2.4 CRC檢驗(yàn)

AIS 使用循環(huán)冗余檢驗(yàn)(CRC)16 bit 多項(xiàng)式計(jì)算檢驗(yàn)和,按生成多項(xiàng)式的不同,可分成兩種:一種是CRC-16,生成多項(xiàng)式為(5)式所示;另一種為CRCCCITT,生成多項(xiàng)式為式(6)所示。該設(shè)計(jì)使用的是CRC-CCITT,通過(guò)查表法實(shí)現(xiàn)了CRC 校驗(yàn)算法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 基帶信號(hào)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

雖然AIS 常用的動(dòng)態(tài)報(bào)文長(zhǎng)度是256 bit,但是代表不同消息的報(bào)文長(zhǎng)度是不一樣的,最長(zhǎng)的報(bào)文會(huì)占用5 個(gè)時(shí)隙,長(zhǎng)度達(dá)到1 280 bit。圖5 和圖6 分別為本文介紹的中頻數(shù)字化接收機(jī)恢復(fù)出的短報(bào)文基帶信號(hào)和長(zhǎng)報(bào)文基帶信號(hào),從圖5 和圖6 中可以看出,無(wú)論恢復(fù)出的報(bào)文長(zhǎng)度是多少,報(bào)文格式都符合圖3 所示AIS 報(bào)文格式,報(bào)文由訓(xùn)練序列、起始標(biāo)志、數(shù)據(jù)、FCS、結(jié)束標(biāo)志和緩沖區(qū)組成。

圖5 AIS 短報(bào)文基帶信號(hào)Fig.5 AIS short message baseband signal

圖6 AIS 長(zhǎng)報(bào)文基帶信號(hào)Fig.6 AIS long message baseband signal

3.2 系統(tǒng)試驗(yàn)

系統(tǒng)試驗(yàn)框圖如圖7 所示,首先,通過(guò)控制主機(jī)設(shè)定需要發(fā)送的消息報(bào)文, 然后通過(guò)RS232 轉(zhuǎn)RS422 接口控制AIS 模擬源將該消息報(bào)文組包、調(diào)制、發(fā)射出去,最后通過(guò)AIS 中頻數(shù)字化接收機(jī),接收VHF 天線和AIS 射頻處理模塊輸出的70MHz 的AIS 中頻信號(hào),并將解調(diào)、解析數(shù)據(jù)輸出到監(jiān)視主機(jī)顯示,試驗(yàn)中的AIS 中頻數(shù)字化接收機(jī)便是應(yīng)用了本文介紹的設(shè)計(jì)方法。

圖7 系統(tǒng)試驗(yàn)框圖Fig.7 Block diagram of system test

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)控制主機(jī)修改AIS 模擬源的MMSI(船名)、導(dǎo)航狀態(tài)、經(jīng)度和緯度4 個(gè)參數(shù),反復(fù)進(jìn)行4 次實(shí)驗(yàn),通過(guò)監(jiān)視主機(jī)可以觀測(cè)AIS 模擬源的當(dāng)前狀態(tài),將4 次實(shí)驗(yàn)得到的狀態(tài)信息與控制主機(jī)4 次實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果完全一致。因此,該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明應(yīng)用了本文設(shè)計(jì)方法的AIS 中頻數(shù)字化接收機(jī)可以很好地完成AIS 中頻信號(hào)的解調(diào)、報(bào)文解析功能。

3.3 性能分析

本文介紹的設(shè)計(jì)方法可以減少碼間串?dāng)_,提高A IS 信號(hào)檢測(cè)性能,圖8 為采用傳統(tǒng)的差分解調(diào)方式和本文介紹的Viterbi 算法解調(diào)方式性能對(duì)比圖,其中,橫坐標(biāo)為輸入中頻信號(hào)載噪比,縱坐標(biāo)為誤碼率,橫線代表差分解調(diào)方式的誤碼率曲線,圈橫線代表Viterbi 算法解調(diào)方式的誤碼率曲線。從圖8 中可以看出采用Viterbi 算法解調(diào)方式時(shí),輸入中頻信號(hào)載噪比大于10 dB時(shí),誤碼率小于10-4;而采用差分解調(diào)方式時(shí),輸入中頻信號(hào)載噪比大于10 dB時(shí),誤碼率大于10-4。

圖8 差分解調(diào)和Viterbi 算法解調(diào)性能對(duì)比圖Fig.8 Performance comparison between differential demodulation and Viterbi algorithm demodulation

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了通過(guò)FPGA,采用軟件無(wú)線電技術(shù)[9],實(shí)現(xiàn)Viterbi 算法解調(diào)和AIS 報(bào)文解析兩個(gè)核心功能的設(shè)計(jì)過(guò)程,將基于GMSK 調(diào)制方式的Viterbi 解調(diào)算法和報(bào)文自動(dòng)檢測(cè)算法組合成的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于AIS 設(shè)備中,減少了AIS 系統(tǒng)存在的碼間串?dāng)_,提高了AIS 信號(hào)的檢測(cè)性能。另外,該設(shè)計(jì)方法與采用AIS 專用調(diào)制解調(diào)芯片相比[10],開發(fā)設(shè)計(jì)的靈活性比較大,可以和其他通信系統(tǒng)共用同一個(gè)硬件平臺(tái),通過(guò)加載不同的軟件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能,對(duì)于多功能的大型系統(tǒng)可以有效地降低設(shè)備成本,縮小設(shè)備體積,同時(shí),也有利于未來(lái)AIS 系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。

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