解碼定位的AIS信號檢測范文

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《中國測試雜志》2014年第三期

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，數據量巨大，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，自動對捕捉到的數據進行下變頻，將射頻信號變換為基帶信號，大大降低了數據量，便于快速解碼和指標計算等后續運算。但是VSA無法解調具有NRZI編碼的GMSK信號。基于VSA采集的數據量小的特點，可將VSA捕捉的信息保存下來，然后調用用戶程序進行AIS數據解碼和相關檢測指標的計算。捕捉信號的方法如下：在VSA軟件中設置記錄數據的時間長度、點數、中心頻率、觸發電平等參數，打開船臺使其工作在自主模式，等待船臺發送信號。信號到來時VSA自動記錄船臺信號，從而實現數據的有效捕捉。由于VSA提供可編程儀器的標準命令，該部分可以程控實現。

1.2數據解碼與bit定位

1.2.1GMSK解碼GMSK調制信號是在MSK調制信號的基礎上發展起來的，由于GMSK具有優良的功率譜特性（功率譜旁瓣快衰減特性），在對信號頻帶嚴格限制的各種數字通信領域尤其是VHF和UHF頻段的移動通信系統中得到廣泛的應用。ais系統就是采用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，采用常規的2比特差分解調[7]可有效解碼。

1.2.2NRZI解碼AIS數據編碼采用NRZI編碼。在NRZI編碼方式中，當信號碼元為“1”時表示不出現電平變化，將保持前一碼元狀態不反轉，為“0”時表示電平發生變化，對前一碼元狀態作反轉。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VSA截取數據的總個數以及數據時長，得到采樣時間Ts，然后根據采樣時間與碼元速率得到采集到的數據碼元個數為N=[Rb×Ts]，其中[x]表示對x取整。記錄在第N1個碼元出現AIS報文起始標志[8]“01111110”，在第N2個碼元出現結束標志“01111110”。根據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系統的信道傳輸速率Rb為9600b/s[9]，一個比特數據時間長為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射的是GMSK調制信號，接收端接收的信號一般可表示為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，因此分析時頻特性也就是分析信號的相位變化率性能，表現為時間-頻率的關聯關系，定義為在實際的船臺檢測時，經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信號的微商，即：

1.3.2發射機輸出功率隨時間函數特性由于VSA捕獲的基帶信號的同相和正交分量可以表示。

2船臺檢測方案

2.1檢測指標

2.1.1發射機時間頻率特性檢測時間頻率特性檢測是檢測發射機發射的經過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定，檢測指標要求如表1所示。

2.1.2發射機輸出功率隨時間函數特性檢測發射機時間功率特性是指船臺發送信號的發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系統是以自組織時分多址（SOTDMA）協議為核心技術[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22.67ms，AIS系統的信道傳輸速率為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軟件獲取船臺發射的AIS信號；然后將截取的數據載入計算機對該GMSK信號進行解調并做NRZI解碼；再根據AIS信息報文的結構，對解調后的二進制數據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，以獲取船臺發出的AIS信號，中間連接衰減器來防止由于船臺發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軟件以進行數據的截取。打開船臺，讓其工作在自主模式后截取信號，利用USB設備將捕獲的數據傳入到計算機內進行后續處理。圖2為檢測實物圖。根據VSA讀取數據的個數以及采樣間隔，可知采樣時間Ts約為32.5ms，因此數據包括312個碼元，在第73個碼元處開始出現AIS報文起始標志“01111110”，在第257個碼元處出現AIS報文結束標志“01111110”。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對采集的數據進行計算，求群延遲的波形如圖3所示。圖中標記部分為表1中對應的常規和極端條件下的頻率范圍，可以看出有部分頻率超出常規條件下的頻率要求，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對采集的數據計算時間-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，根據比特位置對相關參數進行測量的方案。首先利用VSA軟件進行船臺信號捕捉，得到信號數據后，通過在Matlab環境下進行計算仿真，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。

作者：孟鑫郭鑫宮銘舉王艷單位：天津理工大學