一種提高AIS 信號檢測性能的設計方法及其應用

姚元飛,龔玉超,佟 力

(中國西南電子技術研究所, 成都610036)

1 引 言

AIS 信號檢測性能是衡量船用全球自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)性能的一項關鍵技術指標。AIS 是一種新型的助航系統及設備,該系統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,它基于無線電應答器的相關監測技術,可用于船舶等運載工具的精確跟蹤,以彌補傳統雷達監測在自動識別目標以及獲取航行動向信息等方面的不足,對雷達監測起輔助或替代作用。

AIS 系統采用了GMSK 調制方式,雖然這種調制方式壓低了頻譜上的旁瓣電平,平滑了信號的相位曲線,穩定了信號的頻率變化,提高了譜利用率,滿足了移動通信環境下對鄰道干擾的嚴格要求,但是,卻帶來了不可避免的碼間串擾[1-2]。目前,市場上的AIS 設備一般是采用相干解調[3]、差分解調[4-7]的方法實現AIS 接收解調處理,雖然可以完成功能,但是,AIS 信號檢測性能不夠理想,因此,本文提出了基于GMSK 調制方式的Viterbi 解調算法和報文自動檢測算法組合成的設計方法,以提高AIS信號檢測性能。

2 設計方法

本文介紹的設計方法是在雙通道AIS 中頻數字化接收機中得到了應用,不但實現了雙通道70 MHz中頻的AIS 信號解調和報文解析功能,而且提高了AIS 信號的檢測性能。該接收機的硬件電路僅有AD 轉換器、FPGA 和簡單的外圍電路、接口電路組成,其中AD 轉換器選用的AD 公司的12 位低功耗雙路AD 轉換器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,實現了性價比與功耗的完美結合,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置系統級模塊,其中包括邏輯單元74 637 個、18 kbyte BlockRAM 172個、第二代DSP48A1 slice 132 個等資源。

首先,通過雙路AD 轉換器AD9238,采用雙路40 MHz的采樣速率,按照帶通采樣原理,實現了AIS系統兩個通道的并行模數轉換;然后,通過FPGA,采用帶通濾波和數字混頻得到了AIS 基帶信號;最后,通過FPGA,采用硬件描述語言實現了基于GMSK 調制方式的Viterbi 解調算法和AIS 報文解析兩個核心功能,實現框圖如圖1 所示。

圖1 AIS 中頻數字化實現框圖Fig.1 Block diagram of realizing AIS IF digitization

2.1 基于GMSK 調制方式的Viterbi 解調算法

GMSK(Gaussian filtered MSK)是由MSK 演變來的一種二進制數字調制方法。MSK 是一種高效的調制方法,具有很多好的特性,例如包絡恒定、帶寬較窄和誤比特率低等,但是MSK 信號沒有一個緊湊的功率譜密度,譜利用率低,不能滿足移動通信中對信號的帶外輻射功率的限制要求,因此,GMSK 將MSK 調制的二進制不歸零數據通過高斯預調制脈沖成形濾波器,濾除信號中的高頻分量,使其頻譜上的旁瓣水平進一步降低,基帶的高斯脈沖成形技術平滑了MSK 信號的相位曲線,因此穩定了信號的頻率變化,這使得發射頻譜上的旁瓣水平大大降低,提高了譜利用率,滿足了移動通信環境下對鄰道干擾的嚴格要求,其信號表達式為式(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據信號碼元, T為信號碼元寬度,g(t)為預調制高斯低通濾波器的沖激響應。

針對GMSK 信號的特點,本文采用Viterbi 解調算法,減少GMSK 調制方式本身帶來的碼間串擾,提高解調性能,實現流程如圖2 所示[8]。

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

假設路徑的記憶長度為N,當(K +1)

式中,θ(t)可以通過式(2)得到,cosθ(t)和sinθ(t)可以通過FPGA 自帶的CORDIC IP 核產生。另外,由圖1 可知,在FPGA 軟件中,通過帶通濾波、數字混頻、低通濾波等一系列處理后,可以得到AIS 基帶信號I(t)和Q(t),最后,通過周期內累加的方法,便可以實現式(3)中的積分運算,實時得到各個節點的路徑度量增量。

2.2 AIS 報文解析

AIS 報文格式如圖3 所示,由訓練序列、起始標志、數據、FCS、結束標志和緩沖區組成,其中, 訓練序列是24 bit 交替的0 和1(010101…),起始標志和結束標志都是8 bit 長的“01111110”,數據是所有AIS有效數據內容,FCS 使用循環冗余檢驗(CRC)16 bit多項式計算檢驗和。AIS 常用的動態報文長度是256 bit,但有些靜態數據報文的數據長度為424 bit,甚至更長,AIS 報文解析可以分為NRZI 解碼、報文自動檢測、比特反填充和CRC 檢驗四部分組成。

圖3 AIS 報文格式Fig.3 AIS message format

2.2.1 NRZI 解碼

NRZI 編碼是差分編碼的一種,它用信號電平的翻轉表示一個邏輯電平,信號電平保持不變代表另外一個邏輯電平。AIS 系統規定,當遇到比特串中的0 時,信號電平改變,當遇到比特串中的1 時,信號電平不變。

2.2.2 報文自動檢測

由于AIS 報文最長不會超過5 個時隙,每個時隙長度為26.67 ms,所以最長的有效數據Nmax不會超過1 216 bit,計算方法如式(4)所示,因此,在設計中開辟了2 048 bit長度的RAM 空間。

式中,N 為每個時隙的報文長度256 bit;Ltrain為訓練序列長度,為24 bit;L1和L2為起始標志和結束標志長度,均為8 bit;L 3 為緩沖區長度,為24 bit。

本文介紹的報文自動檢測流程如圖4 所示,對于接收到的AIS 解調數據,當檢測到報文頭標志“7E”后,置RAM 的寫使能WR 有效,解調數據既輸入buffer,又輸入RAM,同時計數器counter 開始計數(記錄已存儲的有效數據個數),當檢測到報文尾標志“7E”時,置RAM 寫使能無效,解調數據不再進入RAM。如果在連續的5 個時隙(counter=1 216)內只檢測到一個“7E”標志,說明該報文是錯誤的,丟棄該包數據, 重新檢測報文頭標志“7E”, 同時清除RAM 中存儲的數據,如果在小于5 個時隙的時間內又接收到報文尾標志“7E”,表示該包數據可能是A IS 有效數據,從而將RAM 中的數據讀出,進入比特反填充環節。

圖4 報文自動檢測流程圖Fig.4 Flowchart of realizing message automatic detection

2.2.3 比特反填充

AIS 協議規定,發送AIS 數據前要進行比特填充,因此接收數據后,需要進行比特反填充。

比特填充的定義為,在發送數據過程中,發現5個連續的“1”,應該在第5 個“1”后插入一個“0”;比特反填充的定義為,在接收數據過程中,應將5 個連續的“1”后的第一個“0”刪除。

2.2.4 CRC檢驗

AIS 使用循環冗余檢驗(CRC)16 bit 多項式計算檢驗和,按生成多項式的不同,可分成兩種:一種是CRC-16,生成多項式為(5)式所示;另一種為CRCCCITT,生成多項式為式(6)所示。該設計使用的是CRC-CCITT,通過查表法實現了CRC 校驗算法。

3 實驗結果與分析

3.1 基帶信號恢復實驗

雖然AIS 常用的動態報文長度是256 bit,但是代表不同消息的報文長度是不一樣的,最長的報文會占用5 個時隙,長度達到1 280 bit。圖5 和圖6 分別為本文介紹的中頻數字化接收機恢復出的短報文基帶信號和長報文基帶信號,從圖5 和圖6 中可以看出,無論恢復出的報文長度是多少,報文格式都符合圖3 所示AIS 報文格式,報文由訓練序列、起始標志、數據、FCS、結束標志和緩沖區組成。

圖5 AIS 短報文基帶信號Fig.5 AIS short message baseband signal

圖6 AIS 長報文基帶信號Fig.6 AIS long message baseband signal

3.2 系統試驗

系統試驗框圖如圖7 所示,首先,通過控制主機設定需要發送的消息報文, 然后通過RS232 轉RS422 接口控制AIS 模擬源將該消息報文組包、調制、發射出去,最后通過AIS 中頻數字化接收機,接收VHF 天線和AIS 射頻處理模塊輸出的70MHz 的AIS 中頻信號,并將解調、解析數據輸出到監視主機顯示,試驗中的AIS 中頻數字化接收機便是應用了本文介紹的設計方法。

圖7 系統試驗框圖Fig.7 Block diagram of system test

在實驗過程中,通過控制主機修改AIS 模擬源的MMSI(船名)、導航狀態、經度和緯度4 個參數,反復進行4 次實驗,通過監視主機可以觀測AIS 模擬源的當前狀態,將4 次實驗得到的狀態信息與控制主機4 次實驗的參數設置進行對比,結果完全一致。因此,該實驗說明應用了本文設計方法的AIS 中頻數字化接收機可以很好地完成AIS 中頻信號的解調、報文解析功能。

3.3 性能分析

本文介紹的設計方法可以減少碼間串擾,提高A IS 信號檢測性能,圖8 為采用傳統的差分解調方式和本文介紹的Viterbi 算法解調方式性能對比圖,其中,橫坐標為輸入中頻信號載噪比,縱坐標為誤碼率,橫線代表差分解調方式的誤碼率曲線,圈橫線代表Viterbi 算法解調方式的誤碼率曲線。從圖8 中可以看出采用Viterbi 算法解調方式時,輸入中頻信號載噪比大于10 dB時,誤碼率小于10-4;而采用差分解調方式時,輸入中頻信號載噪比大于10 dB時,誤碼率大于10-4。

圖8 差分解調和Viterbi 算法解調性能對比圖Fig.8 Performance comparison between differential demodulation and Viterbi algorithm demodulation

4 結束語

本文詳細介紹了通過FPGA,采用軟件無線電技術[9],實現Viterbi 算法解調和AIS 報文解析兩個核心功能的設計過程,將基于GMSK 調制方式的Viterbi 解調算法和報文自動檢測算法組合成的設計方法應用于AIS 設備中,減少了AIS 系統存在的碼間串擾,提高了AIS 信號的檢測性能。另外,該設計方法與采用AIS 專用調制解調芯片相比[10],開發設計的靈活性比較大,可以和其他通信系統共用同一個硬件平臺,通過加載不同的軟件實現相應的功能,對于多功能的大型系統可以有效地降低設備成本,縮小設備體積,同時,也有利于未來AIS 系統的功能擴展。

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