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）

為實現對AIS（船載自動識別系統）船臺發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據采集，對采集到的數據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環境下對數據進行計算處理，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；時間頻率特性；時間功率特性

0 引 言

船載自動識別系統（automatic identification sys tem，AIS）是一種船舶導航設備，通過VHF天線發送本船信息并接收基站和周圍船舶發來的信息[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]。發射機的時間頻率特性和時間功率特性是檢測船臺發射機性能的重要指標[4]，船臺發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進行數據采集，再通過編程進行數據比特定位與分析來完成對發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

1.2.1 GMSK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。

1.2.2 NRZI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]“0111 1110”，在第N2個碼元出現結束標志“0111 1110”。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9 600 b/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

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，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

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得到，即φ（t）=arctan[Q（t）/I（t）]，對其求導數得到：

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，仍記為A，所以

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：

其中n為離散時間序號。

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為

所以電壓幅值為

所以可得到信號的時間-功率的關聯關系為

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22.67 ms，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“0111 1110”，在第257個碼元處出現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。

[1]Scorzolini A，Perini V D，Razzano E，et al.European enhanced space-based AIS system study[C]∥Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 11th Signal Processing for Space Communications Workshop，2010（5）：9-16.

[2]韓芝玲.船舶自動識別系統的體系結構及優缺點[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系統中GMSK基帶調制解調的實現[J].浙江海洋學院學報，2005，24（1）：54-57.

[7]樊昌信.通信原理[M].北京：國防工業出版社，1995.

[8]黃標，尚俊娜，陸輝.AIS信號解調及其信息恢復[J].機電工程，2010，27（10）：123-126.

[9]Cervera M A，Ginesi A.On the perfomance analysis of a satellite-based AIS system[C]∥10th Signal Processing for Space Communications International Workshop，2008：1-8.

[10]劉鵬，謝永鋒.AIS系統中SOTDMA協議仿真與分析[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。