饒　坤**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

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一種改進的星載AIS信號偵收算法

饒坤**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

在分析傳統(tǒng)偵收船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)信號嚴重依賴全球定位系統(tǒng)(GPS)不足的基礎(chǔ)上，提出了一種改進的偵收算法，利用同步序列的實時相關(guān)運算實現(xiàn)AIS信號的檢測并達到位同步，進而完成解調(diào)偵收。改進后的算法不再需要GPS系統(tǒng)的輔助，簡化了設(shè)計降低了成本，在13 dB的信噪比下誤包率可以達到5%以下。

船舶自動識別系統(tǒng)；信號檢測；位同步；解調(diào)偵收

1　引　言

船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)是一種船舶導(dǎo)航設(shè)備，集現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)和信息科技于一體，其技術(shù)標準由國際海事組織、國際電信聯(lián)盟以及國際助航設(shè)備和航標協(xié)會共同提出。使用AIS系統(tǒng)可以使船舶避免發(fā)生碰撞，便于水上交通管理，在電子海圖上顯示船舶航跡，改進海事通信功能和提供一種船舶語音文本通信的方法[1]。對于AIS信號的偵收，不僅可以了解一定范圍內(nèi)的船舶情況掌握海事態(tài)勢，而且對于反海盜、打擊走私、海防安全以及收集敵情都有重要意義。

傳統(tǒng)的AIS信號偵收方法[2]是利用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)接收系統(tǒng)產(chǎn)生AIS標準時隙，然后嚴格按照時隙來完成信號檢測、測頻、位同步以及解調(diào)，其不足是算法嚴重依賴GPS系統(tǒng)，使得GPS的穩(wěn)定性極大影響了AIS信號偵收的成敗，而且在設(shè)計系統(tǒng)平臺時必須考慮加裝GPS系統(tǒng)。

本文在分析了AIS信號的基本特征以及傳統(tǒng)的AIS偵收方法之后，提出了利用實時的同步序列相關(guān)運算來檢測以及解調(diào)AIS信號的偵收算法，使偵收系統(tǒng)的設(shè)計得以簡化。

2　AIS信號的基本特征

AIS系統(tǒng)工作在161.975 MHz和162.025 MHz兩個信道上，調(diào)制方式為高斯濾波最小頻移鍵控方式(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying,GMSK)，編碼方式為不歸零反轉(zhuǎn)編碼(Non-Return-to-Zero Inverse,NRZI)，數(shù)據(jù)傳輸速率為(9 600±50)×10-6b/s。

AIS系統(tǒng)主要采用自組織時分多址(Self-organized Time Division Multiple Access，SOTDMA)技術(shù)，將物理信道的使用時間劃分為固定長度的時間間隔，每一個時間間隔稱為一個時隙(SLOT)；將一分鐘劃分為2 250個時隙，構(gòu)成一幀(FRAME)，幀的開始和結(jié)束與協(xié)調(diào)世界時(Universal Time Coordinated,UTC)的分鐘一致。AIS系統(tǒng)的時隙示意圖見圖1。

圖1AIS系統(tǒng)時隙示意圖

Fig.1 Slot diagram of AIS system

船舶用戶在時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用如表1所示[3]的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，自上向下逐比特發(fā)送。

表1數(shù)據(jù)幀字段說明

Tab.1 Description of data frame

名稱長度/b說明上升階段8射頻功率和頻率穩(wěn)定時間同步序列240和1交替序列開始標記80x7E數(shù)據(jù)168幀校驗序列16CRC校驗結(jié)束標記80x7E緩沖24位填充、距離延遲等總計256

3　傳統(tǒng)的AIS信號偵收方法

傳統(tǒng)的AIS偵收系統(tǒng)組成及AIS信號處理流程如圖2所示。該方法是通過在GPS信號接收系統(tǒng)的輔助下產(chǎn)生AIS標準時隙，利用AIS信號在時間上的特征，對每個時隙內(nèi)采集到的信號先進行緩存，然后啟動測頻。完成頻率測量后，在精測頻的引導(dǎo)下，將AIS信號下變頻濾波抽取得到基帶信號，然后用1 b差分算法[4]得到0和1的數(shù)據(jù)流，在此條件下用同步序列進行相關(guān)搜索得到最佳采樣點，從而實現(xiàn)位同步。在位同步的基礎(chǔ)上提取出碼元，同時對數(shù)據(jù)幀的結(jié)束標記進行搜索，搜索到結(jié)束標記后，將解調(diào)結(jié)果存儲輸出。

圖2傳統(tǒng)AIS偵收系統(tǒng)組成及信號處理流程圖

Fig.2 Traditional system of AIS reconnaissance and signal processing procedure

在傳統(tǒng)方法中，整個信號處理流程都是在AIS標準時隙的框架下進行設(shè)計的：按時隙緩存采樣數(shù)據(jù)、按時隙啟動頻率測量、按時隙匹配同步序列實現(xiàn)位同步，而時隙的正確產(chǎn)生有賴于來自GPS接收系統(tǒng)提供的秒脈沖和UTC時間，因此GPS接收系統(tǒng)起到的作用非常關(guān)鍵，一旦GPS接收系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定導(dǎo)致秒脈沖丟失或者無法提供UTC時間，使得AIS偵收系統(tǒng)的時隙與實際AIS信號的時隙發(fā)生偏差，這時整個信號處理流程將完全失效。

4　改進的AIS信號偵收算法

改進的AIS偵收系統(tǒng)組成及AIS信號處理流程如圖3所示。AIS天線接收到的AIS信號進入AIS偵察接收機，經(jīng)由信道模塊進行放大濾波。信道模塊中心頻率為162 MHz，帶寬為75 kHz。信號處理模塊對信道模塊輸出的信號進行射頻采樣以及數(shù)字信道化，從而完成對AIS信號161.975 MHz和162.025 MHz兩個頻點的預(yù)處理。預(yù)處理的輸出為每個采樣點的瞬時相位θ(n)，采樣率為96 kHz。瞬時相位進行1 b差分算法處理后得到瞬時頻率f(n)。信號檢測算法對瞬時頻率f(n)進行處理，實現(xiàn)測量瞬時頻率中心值以及計算同步序列相關(guān)的功能。當同步序列相關(guān)運算結(jié)果超過設(shè)定的門限并達到最大時，達到位同步狀態(tài)并找到最佳采樣點，繼而完成后續(xù)解調(diào)。

圖3改進AIS偵收系統(tǒng)組成及信號處理流程圖

Fig.3 Improved system of AIS reconnaissance and signal processing procedure

4.1FPGA中1 b差分算法的等效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

因為AIS信號的符號速率為9.6 kb/s，所以在FPGA中進行預(yù)處理時，設(shè)計濾波抽取后的IQ數(shù)據(jù)的采樣率為96 kHz，這時AIS信號每個符號有10個采樣點，1 b差分算法可按公式(1)實現(xiàn):

f(n)=θ(n)-θ(n-10)。

(1)

在FPGA中通過CORDIC算法[5]求相位θ(n)，其取值范圍為[-π，π),所以在使用公式(1)時存在相位模糊，并且由于θ(n)與θ(n-10)在采樣點上不相鄰，其模糊相位難以計算消除[6]，也不便于FPGA流水線處理，因此需要將公式(1)改進為

f(n)=θ(n)-θ(n-10)=

θ(n)-θ(n-1)+θ(n-1)-θ(n-2)+…+

θ(n-8)-θ(n-9)+θ(n-9)-θ(n-10)。

(2)

公式(2)中將θ(n)與θ(n-10)之間的相位差轉(zhuǎn)換為相鄰采樣點的相位差之和，不僅使模糊相位便于求解，而且運算結(jié)構(gòu)便于FPGA流水線處理，其FPGA流水線處理流程圖如圖4所示。

圖41 b差分算法的FPGA實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

Fig.4 Structure of FPGA realization of 1b differential algorithm

4.2AIS信號檢測算法

AIS信號檢測算法的框圖如圖5所示。

圖5AIS信號檢測算法框圖

Fig.5 Block diagram of AIS signal detecting algorithm

本算法采用計算AIS同步序列相關(guān)峰的方式對AIS信號進行檢測。為了做到每個采樣點對AIS信號檢測一次，需要對瞬時頻率f(n)進行流水線緩存。因為在設(shè)計時使AIS信號每個符號有10個采樣點，而AIS同步序列共24個符號，所以f(n)的緩存長度為240個采樣點。由于星上偵收AIS信號存在較大的多普勒頻偏，因此需要測量f(n)的中心值，即計算緩存下來的f(n)的均值fd。將緩存的f(n)與均值fd進行比較判決，大于等于fd則判為“1”，小于fd則判為“-1”。將240個緩存值的判決結(jié)果與標準同步序列進行相關(guān)運算，當計算出的相關(guān)峰值超過設(shè)定門限時，則判斷AIS信號已經(jīng)出現(xiàn)；隨著采樣的進行，繼續(xù)計算相關(guān)峰值，當相關(guān)峰值達到最大時，則判斷已經(jīng)找到最佳采樣點，實現(xiàn)了位同步，可以開始后續(xù)解調(diào)。

本算法在進行相關(guān)峰檢測時采用了固定門限。當240個緩存值的判決結(jié)果全部正確時，計算出的相關(guān)峰值是240。實際應(yīng)用中將容錯下限設(shè)定為平均每個碼元的10個采樣點中出現(xiàn)1個采樣點判決錯誤，在這種情況下計算出的相關(guān)峰值為192，以此為依據(jù)將固定門限設(shè)為192。

4.3AIS信號偵收算法的適用條件

多個船舶用戶在不同時隙發(fā)送的AIS信號到達衛(wèi)星平臺，只要在時間上是錯開的(即多個AIS信號在時域上沒有重疊)，就可以按照到達衛(wèi)星平臺的先后順序依次被解調(diào)偵收；如果多個船舶用戶發(fā)送的AIS信號到達衛(wèi)星平臺在時域上有重疊(即發(fā)生“信號碰撞”)，則出現(xiàn)時域重疊的AIS信號不能用本算法偵收。

因為在FPGA內(nèi)完成該算法大約需要360個系統(tǒng)工作時鐘，在96 kHz的采樣率下，F(xiàn)PGA的系統(tǒng)工作時鐘需要大于34.56 MHz(即96 kHz×360)。

5　算法仿真與實際測試

本文在Matlab上對第4節(jié)提出的算法進行了仿真，圖6給出了仿真結(jié)果。仿真輸入的數(shù)據(jù)為基帶的AIS信號IQ數(shù)據(jù)，如圖6(a)所示。數(shù)據(jù)根據(jù)AIS標準按照表1的格式產(chǎn)生，采樣率為96 kHz。考慮到星上接收信號的多普勒頻移因素，測頻是偵收流程中的一個重要環(huán)節(jié)，實際環(huán)境中多普勒頻率范圍是[-4 kHz,4 kHz]，所以仿真時在IQ數(shù)據(jù)上增加了一個-1.5 kHz的多普勒頻偏fd。圖6(b)是計算出的每個采樣點的相位值θ(n)，它是1 b差分算法的輸入，其取值范圍為[-π，π)。圖6(c)是根據(jù)4.1節(jié)的計算方法求出的瞬時頻率曲線f(n)。圖6(d)是根據(jù)4.2節(jié)的算法求出的相關(guān)值曲線，在相關(guān)值曲線上出現(xiàn)了3個極大值，3個極大值出現(xiàn)的時刻即為AIS信號實現(xiàn)同步的時刻。與圖6(a)中的IQ數(shù)據(jù)進行比對，發(fā)現(xiàn)這3個極大值時刻正好與3個時隙AIS信號同步序列的結(jié)束時刻一致。這一結(jié)果表明本算法對AIS短時突發(fā)信號進行檢測以及解調(diào)是有效可行的。

為了評估算法的性能，本文以有線的方式在實驗室內(nèi)進行了AIS信號偵收的測試，在測試中以誤包率作為算法性能的考量指標。統(tǒng)計誤包率時，以表1中從開始標記字段(0x7E)到結(jié)束標記字段(0x7E)的4個字段共200 b數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)包。誤包的定義為解調(diào)出的數(shù)據(jù)包中有錯誤比特或者漏包。漏包是因為在檢測AIS信號時存在這樣的情況：AIS信號實際存在，但是計算出的相關(guān)峰值低于門限，這就造成不能發(fā)現(xiàn)當前的AIS信號，從而導(dǎo)致漏包。在信噪比為13 dB(20 kHz帶寬內(nèi)信噪比)條件下，經(jīng)過連續(xù)(大于1 h)的測試，誤包率可以達到5%以下。

通常情況下，對于MSK連續(xù)信號的解調(diào)，13 dB信噪比的條件下可以達到1×10-4的誤碼率。對于AIS信號這種短時突發(fā)信號的解調(diào)，在不考慮檢測概率(即檢測概率100%)的情況下，以1×10-4的誤碼率推算出的誤包率為2%?？紤]到實際存在的檢測概率，本文的實測誤包率為5%應(yīng)是一個合理值。工程上，對誤包率這一指標的要求只需要達到15% 即可。

(a)IQ數(shù)據(jù)

(b)相位曲線

(c)瞬時頻率曲線

(d)相關(guān)值曲線

圖6算法流程仿真結(jié)果

Fig.6 Simulation result of algorithm

6　結(jié)束語

本文提出了一種通過同步序列相關(guān)運算來實時檢測AIS信號并達到位同步的星載AIS信號解調(diào)偵收算法。與傳統(tǒng)的偵收方法相比，取消了對GPS系統(tǒng)的依賴，極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計。該設(shè)計已經(jīng)應(yīng)用到實際工程中，測試檢驗了該設(shè)計的有效性和可靠性，滿足了工程應(yīng)用的需要。解決星上偵收AIS信號時會遇到的“信號碰撞”問題是需要進一步研究的內(nèi)容。

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饒坤(1983—)，男，湖北谷城人，2008年獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為通信偵察領(lǐng)域信號處理及信號分析等。

RAO Kun was born in Gucheng,Hubei Province,in 1983. He received the M.S. degree in 2008. He is now an engineer. His research concerns signal processing and analysis in communication reconnaissance.

Email:raokun83@163.com

An Improved Signal Reconnaissance Algorithm of Satellite-borne AIS

RAO Kun

(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

Through analyzing the disadvantage of traditional automatic identification system(AIS) signal reconnaissance depending heavily on global positioning system(GPS),this paper presents an improved algorithm which realizes AIS signal detection and bit synchronization according to the correlation result of synchronisation sequence in real time,and demodulates AIS signal successively. The improved algorithm doesn′t need to use GPS,resulting in a more simplified design and a lower cost. The package error rate(PER) is less than 5% at the signal-to-noise ratio of 13 dB.Key words：automatic identification system;signal detection；bit synchronization;demodulation reconnaissance

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.015

2016-03-25；

2016-06-14Received date:2016-03-25；Revised date：2016-06-14

TN971

A

1001-893X(2016)09-1034-05

引用格式：饒坤.一種改進的星載AIS信號偵收算法[J].電訊技術(shù)，2016,56(9):1034-1038.[RAO Kun.An improved signal reconnaissance algorithm of satellite-borne AIS[J].Telecommunication Engineering,2016,56(9):1034-1038.]

**通信作者：raokun83@163.comCorresponding author：raokun83@163.com