AIS信號(hào)解調(diào)算法研究與實(shí)現(xiàn)

張焱　馬金鑫

摘要：星載AIS分系統(tǒng)為海事管理機(jī)構(gòu)及船舶運(yùn)營商提供大范圍、高效率的船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了岸站AIS系統(tǒng)可視范圍受限的缺陷，實(shí)現(xiàn)了海上船舶的全球性實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文簡單介紹了星載AIS分系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，詳細(xì)介紹了AIS解調(diào)算法。

關(guān)鍵詞：AIS;解調(diào)算法;信號(hào)

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）02-0121-02

1 AIS系統(tǒng)概述

AIS分系統(tǒng)由AIS天線、AIS前置放大器、AIS接收機(jī)和高頻電纜組成。衛(wèi)星進(jìn)入在軌飛行段時(shí)，AIS分系統(tǒng)開機(jī)。AIS天線負(fù)責(zé)接收海面船臺(tái)發(fā)送的AIS信號(hào)，AIS分系統(tǒng)接收機(jī)主要完成AIS信號(hào)的接收、處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[1]。船舶臺(tái)站發(fā)出的VHF頻段信號(hào)經(jīng)由星載AIS天線接收后，經(jīng)過放大器，濾波、下變頻處理后，實(shí)現(xiàn)AIS信號(hào)的捕獲、跟蹤、解調(diào)功能，并生成AIS數(shù)字電文[2]。

2 算法實(shí)現(xiàn)

2.1 頻偏粗估計(jì)

首先32bit本地訓(xùn)練序列與延遲一個(gè)碼元周期的訓(xùn)練序列共軛相乘得：

以不同的起始位，將采樣得到的輸入信號(hào)與同樣延遲一個(gè)碼元周期的采樣信號(hào)共軛相乘得：

其中，T為碼元周期。

求Δ中的最大值Δmax，該最大值所對(duì)應(yīng)的位置即為32bit訓(xùn)練序列的位置，同時(shí)可得粗估計(jì)頻偏值：

其中，，

2.2 頻偏補(bǔ)償

利用2.1得到的訓(xùn)練序列的位置截取有用信號(hào)255bit，并將2.1中計(jì)算所得的頻偏值fre補(bǔ)償?shù)交鶐盘?hào)中。

2.3 FFT頻偏精確估計(jì)

取2.2節(jié)頻偏補(bǔ)償后的信號(hào)的32bit固定數(shù)據(jù)位（降4倍采樣取值），與本訓(xùn)練地序列作共軛相乘（T為碼元周期）：

將上式值做2048點(diǎn)的FFT變換，得到相應(yīng)的精確估計(jì)頻偏。

2.4 FFT頻偏補(bǔ)償

將2.3FFT得到的頻偏值fre，再次補(bǔ)償?shù)交鶐盘?hào)中，然后把補(bǔ)償后的基帶信號(hào)經(jīng)過低通濾波[3]。進(jìn)入濾波前的數(shù)據(jù)如圖1所示，過濾波器后的數(shù)據(jù)如圖2所示。

經(jīng)過濾波器后，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行降4倍采樣，進(jìn)入相位估計(jì)模塊，進(jìn)行相位補(bǔ)償。

2.5 相位估計(jì)

區(qū)經(jīng)濾波器并降4倍采樣后的信號(hào)的32bit固定數(shù)據(jù)位，與本地32bit訓(xùn)練序列積分累積求反正切，估算信號(hào)初相位：

其中：

然后將估計(jì)所得相位值補(bǔ)償?shù)交鶐盘?hào)中。

2.6 鎖相環(huán)

將FFT估計(jì)補(bǔ)償后的信號(hào)仍有誤差存在，對(duì)相干解調(diào)來說，如果不能完全將載波頻率提取出來，消除頻偏的影響，則誤碼情況將會(huì)嚴(yán)重惡化，故將估計(jì)的精確頻偏和初相補(bǔ)償?shù)交鶐盘?hào)后，定點(diǎn)化處理，進(jìn)入2階鎖相環(huán)進(jìn)行跟蹤修正，將修正后的信號(hào)按一包數(shù)據(jù)248bit（含同相支路和正交支路）輸出。

其中，輸出

初始值有：cosu = 8192，sinu = 0，其余各初始值均0，且有系數(shù)，，，經(jīng)此環(huán)路修正后信號(hào)輸出如圖3所示，圖3分別為I路與Q路。

3 結(jié)語

本文主要介紹了AIS信號(hào)解調(diào)算法的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于工程實(shí)現(xiàn)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王艷軍，王曉峰.AIS和北斗終端組合在船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（04）：17-21.

[2] 計(jì)科峰，趙和鵬，邢相薇，鄒煥新.小衛(wèi)星載AIS海洋監(jiān)視技術(shù)研究進(jìn)展[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2013，11（01）：9-15+20.

[3] 賀超峰，徐鐵，胡勤友，葛依東.應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的船舶AIS數(shù)據(jù)采集[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（01）：5-9.

AIS Signal Demodulation Algorithms research and Implementation

ZHANG Yan，MA Jin-xin

（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai? 201109）

Abstract：The satellite-borne AIS subsystem provides maritime authorities and ship operators with a wide range of efficient ship status data， which can make up for the limitation of the visual range of the AIS system at the shore station and realize the global real-time monitoring of the marine vessel. This article briefly introduces the principle of the satellite-borne AIS subsystem. The AIS demodulation algorithm is introduced in detail.

Key words：AIS;demodulation algorithm;signal