基于解碼定位的AIS信號性能檢測

孟 鑫,郭 鑫,宮銘舉,王 艷

（天津理工大學，天津 300384）

基于解碼定位的AIS信號性能檢測

孟 鑫,郭 鑫,宮銘舉,王 艷

（天津理工大學，天津 300384）

為實現(xiàn)對AIS（船載自動識別系統(tǒng)）船臺發(fā)射時間頻率和時間功率指標的性能檢測，提出利用矢量信號分析軟件進行數(shù)據(jù)采集，對采集到的數(shù)據(jù)進行解碼再對其進行比特定位的檢測方案，以確定AIS信息的第一個Bit發(fā)送時刻，推導出針對AIS信號的時間頻率、時間功率計算公式。搭建檢測平臺并對成品船臺進行指標檢測，在Matlab環(huán)境下對數(shù)據(jù)進行計算處理，得到檢測的實驗結果，完成對該指標的檢測，提高檢測的準確性。

性能檢測；解碼；比特定位；船舶自動識別系統(tǒng)；時間頻率特性；時間功率特性

0 引 言

船載自動識別系統(tǒng)（automatic identification sys tem，AIS）是一種船舶導航設備，通過VHF天線發(fā)送本船信息并接收基站和周圍船舶發(fā)來的信息[1]，從而達到避碰目的，提高船舶的航行安全[2]。為保證船臺的通信質量，提高船臺在實際應用中的可靠性，很多機構開始關注和著手于船臺各性能的檢測[3]。發(fā)射機的時間頻率特性和時間功率特性是檢測船臺發(fā)射機性能的重要指標[4]，船臺發(fā)送的信息是否符合不同時段上的功率和頻率要求，是影響其他船臺正確接收該船舶信息的關鍵。

然而，一般的矢量信號檢測儀器只能測量和顯示信號的時間-幅值（電壓）和頻率-功率信息，不能直接得到信號各比特位對應的頻率和功率信息，也不能顯示絕對時間信息，因此不能準確確定測量的起始時刻。矢量信號分析軟件（VSA）是業(yè)界具有領先水平的應用于信號捕捉和分析的軟件，但是AIS信號是經(jīng)過反相不歸零碼編碼[5]（non return to zero inverted，NRZI）的GMSK信號，VSA軟件中沒有NRZI解碼的功能，不能直接解調AIS信號。針對以上問題，本文提出一種對AIS船臺時間頻率特性、時間功率特性檢測的方案，利用VSA進行數(shù)據(jù)采集，再通過編程進行數(shù)據(jù)比特定位與分析來完成對發(fā)射機的時間頻率特性以及時間功率特性的檢測。

1 工作原理

1.1 基于VSA的AIS信號捕捉

捕捉信號的方法有多種，示波器可以捕捉AIS信號，但是捕捉的是射頻信號，采樣頻率高，數(shù)據(jù)量巨大，具有一定的復雜性。VSA軟件擁有先進的通用和標準工具，可進行信號頻譜測量、信號調制和時域表征，自動對捕捉到的數(shù)據(jù)進行下變頻，將射頻信號變換為基帶信號，大大降低了數(shù)據(jù)量，便于快速解碼和指標計算等后續(xù)運算。但是VSA無法解調具有NRZI編碼的GMSK信號?；赩SA采集的數(shù)據(jù)量小的特點，可將VSA捕捉的信息保存下來，然后調用用戶程序進行AIS數(shù)據(jù)解碼和相關檢測指標的計算。捕捉信號的方法如下：在VSA軟件中設置記錄數(shù)據(jù)的時間長度、點數(shù)、中心頻率、觸發(fā)電平等參數(shù)，打開船臺使其工作在自主模式，等待船臺發(fā)送信號。信號到來時VSA自動記錄船臺信號，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效捕捉。由于VSA提供可編程儀器的標準命令，該部分可以程控實現(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)解碼與bit定位

1.2.1 GMSK解碼

GMSK調制信號是在MSK調制信號的基礎上發(fā)展起來的，由于GMSK具有優(yōu)良的功率譜特性（功率譜旁瓣快衰減特性），在對信號頻帶嚴格限制的各種數(shù)字通信領域尤其是VHF和UHF頻段的移動通信系統(tǒng)中得到廣泛的應用。AIS系統(tǒng)就是采用GMSK調制方式[6]。

GMSK解碼的方式有多種，主要包括相干解調和非相干解調。非相干解調主要有維特比解碼和差分解碼。由于是實驗室內進行信號捕捉，所以不需要考慮AIS信號的時延和多普勒頻偏問題，采用常規(guī)的2比特差分解調[7]可有效解碼。

1.2.2 NRZI解碼

AIS數(shù)據(jù)編碼采用NRZI編碼。在NRZI編碼方式中，當信號碼元為“1”時表示不出現(xiàn)電平變化，將保持前一碼元狀態(tài)不反轉，為“0”時表示電平發(fā)生變化，對前一碼元狀態(tài)作反轉。在解碼時，若當前碼與前一碼相同解碼為“1”，當前碼與前一碼不同時為“0”，則可解出原碼。

1.2.3 首bit位置的確定

首先根據(jù)VSA截取數(shù)據(jù)的總個數(shù)以及數(shù)據(jù)時長，得到采樣時間Ts，然后根據(jù)采樣時間與碼元速率得到采集到的數(shù)據(jù)碼元個數(shù)為N=[Rb×Ts]，其中[x]表示對x取整。記錄在第N1個碼元出現(xiàn)AIS報文起始標志[8]“0111 1110”，在第N2個碼元出現(xiàn)結束標志“0111 1110”。根據(jù)AIS報文結構，在開始標志前有24Bit組成的訓練序列，故船臺報文的第一個Bit序號是N0=N1-24+1=N1-23。由于AIS系統(tǒng)的信道傳輸速率Rb為9 600 b/s[9]，一個比特數(shù)據(jù)時間長為1/Rb，則檢測的起始時刻位置為N0/Rb。

1.3 信號的特性分析計算

1.3.1 時間頻率特性分析

船臺發(fā)射的是GMSK調制信號，接收端接收的信號一般可表示為

式中：A（t）——時變幅度；

φ（t）——信號的相位信息；

ωc——載波角頻率。

時間頻率特性主要是分析船臺的調制性能，而載波頻率是一個常數(shù)，因此分析時頻特性也就是分析信號的相位變化率性能，表現(xiàn)為時間-頻率的關聯(lián)關系，定義為

由于去載波后的基帶信號可以表示為

其中I（t）=A（t）cosφ（t），Q（t）=A（t）sinφ（t）。

因此，相位信息可以通過求IQ兩路信號的反正切函數(shù)得到，即φ（t）=arctan[Q（t）/I（t）]，對其求導數(shù)得到：

由于GMSK調制是一種恒包絡調制，盡管幅度也是時變的，但在分析時頻特性時，A（t）可以近似為常數(shù)，仍記為A，所以

在實際的船臺檢測時，經(jīng)VSA捕獲的船臺信號為去載波后的基帶采樣信號，用離散信號的差分代替連續(xù)信號的微商，即：

其中n為離散時間序號。

1.3.2 發(fā)射機輸出功率隨時間函數(shù)特性

由于VSA捕獲的基帶信號的同相和正交分量可以表示為

所以電壓幅值為

所以可得到信號的時間-功率的關聯(lián)關系為

式中：Z——負載阻抗；

P（n）——在不同時間采樣點上對應的功率值，

單位為dBm。

2 船臺檢測方案

2.1 檢測指標

2.1.1 發(fā)射機時間頻率特性檢測

時間頻率特性檢測是檢測發(fā)射機發(fā)射的經(jīng)過GMSK調制的信號在不同比特位對應的頻率是否符合國際標準規(guī)定，檢測指標要求如表1所示。

2.1.2 發(fā)射機輸出功率隨時間函數(shù)特性檢測

發(fā)射機時間功率特性是指船臺發(fā)送信號的發(fā)送啟動和釋放時間與信號功率之間的對應關系。檢測指標如表2所示。

2.2 檢測方案

由于成品船臺在啟動發(fā)射信號時并沒有向外部輸出一個同步電信號，造成無法與檢測儀器達到時間上的同步，因此從絕對時間來測試上述兩個指標所獲得的起始位置是不準確的。由于AIS系統(tǒng)是以自組織時分多址（SOTDMA）協(xié)議為核心技術[10]，該技術將時間分成若干幀，一幀為1min，每一幀又分成2250個時隙，則每個時隙長為22.67 ms，AIS系統(tǒng)的信道傳輸速率為9600b/s，每個時隙為256（bit）。因此可以將信息的比特位與時間關聯(lián)起來，通過判斷AIS信息的比特位來確定起始時刻位置。設計可行的檢測方案如下：

首先利用VSA軟件獲取船臺發(fā)射的AIS信號；然后將截取的數(shù)據(jù)載入計算機對該GMSK信號進行解調并做NRZI解碼；再根據(jù)AIS信息報文的結構，對解調后的二進制數(shù)據(jù)進行比特位的位置確定；計算具體比特位上的功率和頻率偏移；最后根據(jù)指標要求，衡量所測AIS信號是否達標。

3 檢測結果

選取CS-B類船臺作為檢測對象，首先連接檢測儀器如圖1所示，將船臺的VHF天線口和頻譜儀的射頻輸入口通過傳輸線相連接，以獲取船臺發(fā)出的AIS信號，中間連接衰減器來防止由于船臺發(fā)出的信號功率過大而造成對檢測儀器的損害。頻譜儀內裝有VSA軟件以進行數(shù)據(jù)的截取。打開船臺，讓其工作在自主模式后截取信號，利用USB設備將捕獲的數(shù)據(jù)傳入到計算機內進行后續(xù)處理。圖2為檢測實物圖。

根據(jù)VSA讀取數(shù)據(jù)的個數(shù)以及采樣間隔，可知采樣時間Ts約為32.5ms，因此數(shù)據(jù)包括312個碼元，在第73個碼元處開始出現(xiàn)AIS報文起始標志“0111 1110”，在第257個碼元處出現(xiàn)AIS報文結束標志“0111 1110”。故CS-B報文的第一個比特序號是50，則對應的起始時間為5.208ms。

利用Matlab對采集的數(shù)據(jù)進行計算，求群延遲的波形如圖3所示。圖中標記部分為表1中對應的常規(guī)和極端條件下的頻率范圍，可以看出有部分頻率超出常規(guī)條件下的頻率要求，但是超出范圍有限且幅度較小，基本符合指標要求。

圖4是利用Matlab對采集的數(shù)據(jù)計算時間-功率波形圖。圖中標記部分為表2中對應的功率范圍。可以看出該船臺的時間功率特性基本符合指標要求。

4 結束語

本文針對發(fā)射機時間頻率特性和時間功率特性的檢測方法無法準確確認AIS信息的第一個比特發(fā)送時刻的問題，提出了對截取的AIS信息解碼，并利用AIS信息結構對第一個比特位置進行確認，根據(jù)比特位置對相關參數(shù)進行測量的方案。首先利用VSA軟件進行船臺信號捕捉，得到信號數(shù)據(jù)后，通過在Matlab環(huán)境下進行計算仿真，從而得到對應比特位的頻率和功率信息，比對指標要求得到檢測結果，更準確地完成了對船臺指標的檢測，具有一定的可靠性。

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[2]韓芝玲.船舶自動識別系統(tǒng)的體系結構及優(yōu)缺點[J].中國水運：理論版，2006（3）：133-134.

[3]Andis D.Testbed for performance evaluateon of SAT-AIS receivers[C]∥Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and 12th Signal Processing for Space Communications Workshop，2012（6）：253-257.

[4]IEC 62287-1 Maritime navigation and radiocomunication equipment and system-Class B shipborne equipment of the automatic identification system（AIS）[S].IEC，2006.

[5]鄭忠國，來飛.AIS系統(tǒng)中NRZI編碼及GMSK的調制與解調的仿真[J].電子質量，2011（10）：253-258.

[6]包雄關，龐憲良.船載AIS系統(tǒng)中GMSK基帶調制解調的實現(xiàn)[J].浙江海洋學院學報，2005，24（1）：54-57.

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[10]劉鵬，謝永鋒.AIS系統(tǒng)中SOTDMA協(xié)議仿真與分析[J].電訊技術，2010，50（3）：33-36.

Performance detection of AIS signals based on decode position

MENG Xin，GUO Xin，GONG Ming-ju，WANG Yan
（Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

In order to implement the transmitter time-frequency and time-power detection of AIS，this paper proposed a new detection scheme to determine the first bit position.It utilizes vector signals analysis（VSA）software for data acquisition.Then decodes these data and gets bit positioning. It also derives the formula of time-frequency function and time-power function of AIS signals and sets up a testing platform to detect the performance of berth.Finally，it calculates the data in matlab to get the results of detection with a higher accuracy.

performance detection；decoding；bit-position；AIS；time-frequency function；timepower function

TN929.11；TN911.7；U675.7；TP274

：A

：1674-5124（2014）04-0141-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.035

2013-07-14；

：2013-09-25

孟 鑫（1981-），男，天津市人，講師，碩士，研究方向為移動通信。