馬社祥,方 婷,宮銘舉,郭 鑫

(天津理工大學計算機與通信工程學院,天津300384)

星載AIS信號的帶通采樣與恢復*

馬社祥,方 婷**,宮銘舉,郭 鑫

(天津理工大學計算機與通信工程學院,天津300384)

針對衛(wèi)星接收機對模擬器件性能要求較高的問題,提出直接對接收到的射頻信號進行采樣,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,后續(xù)處理用軟件模塊實現(xiàn)的方法。同時結(jié)合自動識別系統(tǒng)(AIS)本身兩個載波頻率接近以及帶寬較窄的特點,根據(jù)Nyquist帶通抽樣定理實現(xiàn)以較低速率采樣來獲取船舶狀態(tài)信息,研究了一種星載AIS信號全數(shù)字解調(diào)方法和信息檢測恢復技術(shù)。首先介紹了帶通采樣原理,其次詳細研究了多用戶AIS信號采樣頻率的確定、兩個頻道信號分離方法以及單通道信號如何下變頻為基帶信號,其中基帶信號檢測采用簡化的基于Viterbi的非相干檢測方法,最后結(jié)合AIS協(xié)議進行信號的恢復,并通過示波器采集實際船臺發(fā)送的AIS信號進行了實驗,驗證了該過程的正確性。

自動識別系統(tǒng);帶通采樣;數(shù)字解調(diào);非相干檢測;信息恢復

1 引 言

自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)是用于船舶以及基站之間一種新型系統(tǒng),在海上船舶識別、安全監(jiān)控和通信導航方面發(fā)揮了重要作用。但是已有的AIS系統(tǒng)存在一定局限性,其作用距離較小,一般在20～30 n mile之間。而隨著經(jīng)濟全球化的迅速發(fā)展,航運顯得日益繁忙與重要,建立能夠?qū)崿F(xiàn)全球海域范圍內(nèi)船舶安全的監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為重要。由此星載AIS系統(tǒng)的研究倍受關注,通過衛(wèi)星接收機可以接收全球海域內(nèi)的船舶信號,實現(xiàn)遠距離船舶航行的安全監(jiān)控和導航服務。

傳統(tǒng)的AIS系統(tǒng)針對兩個頻道設置兩個接收機,每個接收機一般是將天線接收到的信號先進行各級放大、下變頻、去載波、A/D轉(zhuǎn)換,再進行后續(xù)解碼處理。而對于衛(wèi)星AIS系統(tǒng)接收機,對模擬器件的穩(wěn)定性、精確度等性能要求更高,對現(xiàn)有技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。本文提出直接對接收到的射頻信號進行采樣[1-4],將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,后續(xù)所有處理由軟件模塊來實現(xiàn),有效避免了硬件設施性能對檢測結(jié)果的影響,同時大大減低了硬件成本。但是若按低通采樣理論,就要求ADC的抽樣頻率要大于被采樣信號最高頻率的2倍以上,而AIS信號的載頻是162 MHz左右,直接對射頻信號進行抽樣,現(xiàn)有器件根本無法滿足要求。由于AIS信號的帶寬只有25 kHz,是一窄帶信號,同時兩個頻道僅相差50 kHz,將兩個頻道合并起來仍然是一個窄帶信號。根據(jù)Nyquist帶通抽樣定理,對于帶通信號,其抽樣速率并不一定要大于信號最高頻率的2倍,用較低的采樣速率也可以正確地反映帶通信號的特性,即利用欠采樣技術(shù)。對于采樣后的信號,基于數(shù)字信號處理技術(shù),將兩個頻道信號再分離,分別解調(diào)和解碼。

2 帶通采樣原理

信號經(jīng)過采樣后,其頻譜為原始模擬信號頻譜的周期延拓,為了保證頻譜無混疊,并由采樣后信號完全恢復原信號,文獻[5-6]給出了帶通采樣的一般結(jié)論,即采樣頻率滿足如下條件:

式中,B為信號帶寬;fL為信號最低頻率;fH為信號最高頻率;n為fH/B的整數(shù)部分;k為fH/B的小數(shù)部分,0＜k＜1;fc=fL+(fH-fL)/2是載波頻率,同時也是信號的中心頻率。式(1)的等價形式為

當m=n-1時可得到最低采樣頻率為

當fL很大時,fsmin趨近于2B。臨界條件的采樣分析見文獻[7]。

按上述采樣頻率采樣,則原信號頻譜的周期延拓形成的采樣信號的頻譜中,各個周期彼此不重疊,可以分離開來。從任一周期中均可恢復原模擬信號頻譜信息,即將采樣后信號通過如下理想帶通濾波器即可,其中的m代表不同的周期,根據(jù)需要選取。

或

3 星載AIS信號帶通采樣與信號分離

AIS系統(tǒng)工作在海上甚高頻(VHF)段,有兩個頻道CH87B(AIS1 161.975 MHz)和CH88B(AIS2 162.025 MHz),采用時分多址技術(shù)。將1 min劃分為2 550個時隙,每個時隙大約為26.67 ms,調(diào)制方式為高斯最小頻移鍵控(Gaussian Minimum Shift Keying,GMSK),碼元速率Rb為9.6 kb/s,根據(jù)報告率在兩個頻道上交替發(fā)射調(diào)制信號,發(fā)送端載波如圖1所示。

圖1 船臺的AIS信號頻譜圖Fig.1 Spectrum of the AIS signal transmitted by the berth

3.1 星載AIS信號的帶通采樣

AIS信號的帶寬B=25 kHz,頻道CH87B的中心頻率fc1=161.975 MHz,相應的最低頻率和最高頻率分別fL1和fH1;頻道CH88B的中心頻率為fc2= 162.025 MHz,相應的最低頻率和最高頻率分別為fL2和fH2,則fL1=161.962 5 MHz,fH1= 161.987 5 MHz,fL2=162.012 5 MHz,fH2= 162.037 5 MHz。這兩個頻段的間隔是50 kHz。

對于傳統(tǒng)的AIS船臺,通常設計兩個接收機分別接收兩個頻段的信號。但是對于星載接收機來說,由于衛(wèi)星的高速運動使得信號產(chǎn)生多普勒頻移,其頻移范圍為±4 kHz,接收信號帶寬應包含頻移部分,使得兩個接收頻段更加接近。因此,星載接收機設計為一個,將兩個頻段合起來用帶通采樣。該整體信號的中心頻率f′c=162 MHz,則其最低頻率f′L=161.958 5 MHz,最高頻率f′H= 162.041 5 MHz,帶寬B′=83 kHz。

3.2 單通道數(shù)字信號的恢復

對于采樣后的數(shù)字信號,取最靠近零頻的那部分頻譜,并經(jīng)過濾波分離信號。具體通過式(6)和式(7)兩個帶通濾波器可分別獲得兩個頻段最靠近零頻的信號。

其中:

分別為兩個頻段信號的中心頻率,基于此可以通過去載波獲得基帶信號。

4 實驗結(jié)果及性能分析

實驗中,通過示波器接收并采樣獲得AIS船臺的信號,其采集與處理儀器連接如圖2所示,需要說明的是實驗中沒有頻移。

圖2 AIS信號采集與處理連接示意圖Fig.2 Connection diagram of the AIS signal′s acquisition and processing

為了充分驗證該方法的正確性與可行性,實驗中針對不同采樣頻率做了實驗,此處以采樣頻率fs=10 MHz情況結(jié)果為例說明,它是滿足帶通采樣條件,此時最接近于零頻的兩個中心頻率分別為1.975 MHz和2.025 MHz,對于單個船臺,每個時隙只有一個信號。針對碼元速率Rb=9.6 kHz,采樣率不是其整數(shù)倍問題可采用插值法解決。帶通采樣后信號時域波形如圖3所示。

圖3 示波器上AIS信號時域波形圖Fig.3 Time-domain waveform on the oscilloscope of the AIS signal

圖4 為上述通過示波器輸出信號的頻譜,從圖中可以看出該信號的中心頻率是2.025 MHz,驗證了前面的結(jié)論。

圖4 示波器采集到的AIS信號的頻譜圖Fig.4 Spectrum of AIS signal collected by the oscilloscope

針對上述示波器上采集到的信號去載波,得到基帶AIS信號,對其進行非相干檢測,采用一種新的簡化的基于Viterbi算法的非相干序列檢測方法[9-10],對檢測得到的比特流進行NRZI解碼,找到消息的開始標志和結(jié)束標志,提取出兩個標志中間的比特流,并對提取出的比特流進行去除位填充和FCS校驗碼。根據(jù)AIS消息協(xié)議,每個消息的內(nèi)容是按照每8 b進行組合的,而且每個字節(jié)的輸出從最低有效位開始,所以恢復信息時應該按8 b反轉(zhuǎn),才能正確恢復出信號。

根據(jù)AIS消息幀結(jié)構(gòu),對AIS解碼后的信號進行恢復[11],這樣得到AIS信號數(shù)據(jù)部分的比特流為:00001100011000100111100110101000 11111011 11100000 00111111 11110011 00111100 10001101 01100000 00110100 00010010 00010100 00001110 00010000 11111111 11111000 00000110 00101110 10110001。

對上面比特流進行分析可知,它是消息3(船位報告),具體信息內(nèi)容如下:

消息ID:3(船位報告);轉(zhuǎn)發(fā)指示符:默認0次;用戶ID(MMSI編號):413035070;航行狀態(tài):未被定義使用;轉(zhuǎn)向率ROTAIS:0°;對地航速SOG:1023 (不可用);船位準確度:低(＜10 m);經(jīng)度:默認值6791AC0h(不可用);緯度:默認值3412140h(不可用);對地航向COG:360°;真艏向:默認值511(不可用);報告產(chǎn)生的時間即時戳:60(不可用);特定操作指示符:默認值0(未使用);備用:0;RAIM標志:默認值0(未使用);通信狀態(tài):處于ITDMA通信狀態(tài),與某基站直接同步。

5 結(jié) 論

根據(jù)衛(wèi)星特定環(huán)境對模擬硬件性能提出的挑戰(zhàn),提出直接對接收到的射頻信號進行采樣,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行處理。結(jié)合星載AIS兩個發(fā)送信號載波接近,同時信號帶寬較窄的特點,提出將兩種載波信號視為一個窄帶信號,運用帶通采樣定理確定采樣頻率,使其對兩個載波的信號頻譜均無混疊。運用該理論確定采樣頻率,通過實際船臺自主發(fā)送信號,通過示波器采集信號,將采集到的數(shù)字信號通過低通濾波器,截止頻率為采樣頻率的一半,再通過軟件模塊進行單通道信號的恢復,并進行解調(diào)變成基帶,采用簡化的基于Viterbi的非相干檢測方法進行基帶信號譯碼,并根據(jù)協(xié)議進行信息恢復。分別采用采樣率fs為10 MHz、20 MHz、40 MHz對實際接收到的AIS信號進行多次實驗,其結(jié)果表明該方法均很有效,均能正確檢測出發(fā)送信號,對實現(xiàn)AIS系統(tǒng)的全數(shù)字解調(diào)具有一定的理論參考與實際意義,但該方法對于多用戶情況下信號檢測結(jié)果的正確性以及優(yōu)越性有待進一步研究。

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MA She-xiang was born in Qingyang,Gansu Province,in 1962.He received the Ph.D. degree from Xi′an Jiaotong University in 2002. He is now an associate professor and also the instructor of graduate students.His research direction is communication signal processing

Email:masx_tjut@126.com

方 婷(1989-),女,安徽安慶人,2011年于安慶師范學院獲理學學士學位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究領域為AIS海事通信、通信信號處理;

FANG Ting was born in Anqing,Anhui Province,in 1989. She received the B.S.degree from Anqing Teachers College in 2011.She is now a graduate student.Her research concerns AIS marine communications,communication signal processing.

Email:fangting2013@163.com

宮銘舉(1978-),男,山東青島人,2008年于中國科學技術(shù)研究院獲博士學位,現(xiàn)為講師,主要研究方向為信號及信息處理;

GONG Ming-ju was born in Qingdao,Shandong Province,in 1978.He received the Ph.D.degree from Chinese Scientific and Technological Research Institute in 2008.He is now a lecturer. His research direction is signal and information processing.

Email:gmj790@sohu.com

郭 鑫(1989-),女,天津人,2012年于天津理工大學獲工學學士學位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向為AIS海事通信、通信信號處理。

Bandpass Sampling and Recovery of Satellite-based AIS Signal

MA She-xiang,FANG Ting,GONG Ming-ju,GUO Xin
(School of Computer and Communication Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)

According to the high performance requirements of satellite receiver for analog devices,this paper puts forward a new method of directly sampling the RF signal to convert the analog signal to digital signal and the subsequent processing in software module implementation.At the same time,in order to obtain the status information of the ship at a lower sampling rate according to Nyquist band-pass sampling theory and take full advantage of the characteristics of AIS(Automatic Identification System)whose two carrier frequencies are close to each other and the bandwidth is narrow,a digital demodulation method of satellitebased AIS signal and the information detection recovery technology is studied.Firstly,band-pass sampling theory is introduced.Secondly,the determination of the sampling frequency of multi-user AIS signal,twochannel signal separation method and how single-channel signal is down-converted to a base band signal are discussed in detail.The base band signal is detected by the simplified Viterbi-based non-coherent detection method.Finally,the digital signal is recovered according to AIS protocol specifications,and the experiment of using oscilloscope to collect AIS signal transmitted by the practical berth verifies the correctness of the process.

AIS;band-pass sampling;digital demodulation;non-coherent detection;information recovery

as born in Tianjin,in 1989.She

the B.S.degree from Tianjin University of Technology in 2012.She is now a graduate student.Her research concerns AIS marine communications,communication signal processing.

The National Natural Science Foundation of China(No.61371108)

TN911.7

A

1001-893X(2013)10-1312-05

馬社祥(1962-),男,甘肅慶陽人,2002年于西安交通大學獲工學博士學位,現(xiàn)為副教授、博士后、碩士生導師,主要研究領域為通信信號處理;

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.10.011

2013-05-31;

2013-07-29 Received date:2013-05-31;Revised date:2013-07-29

國家自然科學基金資助項目(61371108)

**通訊作者:fangting2013@163.com Corresponding author:fangting2013@163.com

Email:angelbryant0824@163.com