基于解码定位的AIS信号性能检测

孟 鑫,郭 鑫,宫铭举,王 艳

（天津理工大学，天津 300384）

基于解码定位的AIS信号性能检测

孟 鑫,郭 鑫,宫铭举,王 艳

（天津理工大学，天津 300384）

为实现对AIS（船载自动识别系统）船台发射时间频率和时间功率指标的性能检测，提出利用矢量信号分析软件进行数据采集，对采集到的数据进行解码再对其进行比特定位的检测方案，以确定AIS信息的第一个Bit发送时刻，推导出针对AIS信号的时间频率、时间功率计算公式。搭建检测平台并对成品船台进行指标检测，在Matlab环境下对数据进行计算处理，得到检测的实验结果，完成对该指标的检测，提高检测的准确性。

性能检测；解码；比特定位；船舶自动识别系统；时间频率特性；时间功率特性

0 引 言

船载自动识别系统（automatic identification sys tem，AIS）是一种船舶导航设备，通过VHF天线发送本船信息并接收基站和周围船舶发来的信息[1]，从而达到避碰目的，提高船舶的航行安全[2]。为保证船台的通信质量，提高船台在实际应用中的可靠性，很多机构开始关注和着手于船台各性能的检测[3]。发射机的时间频率特性和时间功率特性是检测船台发射机性能的重要指标[4]，船台发送的信息是否符合不同时段上的功率和频率要求，是影响其他船台正确接收该船舶信息的关键。

然而，一般的矢量信号检测仪器只能测量和显示信号的时间-幅值（电压）和频率-功率信息，不能直接得到信号各比特位对应的频率和功率信息，也不能显示绝对时间信息，因此不能准确确定测量的起始时刻。矢量信号分析软件（VSA）是业界具有领先水平的应用于信号捕捉和分析的软件，但是AIS信号是经过反相不归零码编码[5]（non return to zero inverted，NRZI）的GMSK信号，VSA软件中没有NRZI解码的功能，不能直接解调AIS信号。针对以上问题，本文提出一种对AIS船台时间频率特性、时间功率特性检测的方案，利用VSA进行数据采集，再通过编程进行数据比特定位与分析来完成对发射机的时间频率特性以及时间功率特性的检测。

1 工作原理

1.1 基于VSA的AIS信号捕捉

捕捉信号的方法有多种，示波器可以捕捉AIS信号，但是捕捉的是射频信号，采样频率高，数据量巨大，具有一定的复杂性。VSA软件拥有先进的通用和标准工具，可进行信号频谱测量、信号调制和时域表征，自动对捕捉到的数据进行下变频，将射频信号变换为基带信号，大大降低了数据量，便于快速解码和指标计算等后续运算。但是VSA无法解调具有NRZI编码的GMSK信号。基于VSA采集的数据量小的特点，可将VSA捕捉的信息保存下来，然后调用用户程序进行AIS数据解码和相关检测指标的计算。捕捉信号的方法如下：在VSA软件中设置记录数据的时间长度、点数、中心频率、触发电平等参数，打开船台使其工作在自主模式，等待船台发送信号。信号到来时VSA自动记录船台信号，从而实现数据的有效捕捉。由于VSA提供可编程仪器的标准命令，该部分可以程控实现。

1.2 数据解码与bit定位

1.2.1 GMSK解码

GMSK调制信号是在MSK调制信号的基础上发展起来的，由于GMSK具有优良的功率谱特性（功率谱旁瓣快衰减特性），在对信号频带严格限制的各种数字通信领域尤其是VHF和UHF频段的移动通信系统中得到广泛的应用。AIS系统就是采用GMSK调制方式[6]。

GMSK解码的方式有多种，主要包括相干解调和非相干解调。非相干解调主要有维特比解码和差分解码。由于是实验室内进行信号捕捉，所以不需要考虑AIS信号的时延和多普勒频偏问题，采用常规的2比特差分解调[7]可有效解码。

1.2.2 NRZI解码

AIS数据编码采用NRZI编码。在NRZI编码方式中，当信号码元为“1”时表示不出现电平变化，将保持前一码元状态不反转，为“0”时表示电平发生变化，对前一码元状态作反转。在解码时，若当前码与前一码相同解码为“1”，当前码与前一码不同时为“0”，则可解出原码。

1.2.3 首bit位置的确定

首先根据VSA截取数据的总个数以及数据时长，得到采样时间Ts，然后根据采样时间与码元速率得到采集到的数据码元个数为N=[Rb×Ts]，其中[x]表示对x取整。记录在第N1个码元出现AIS报文起始标志[8]“0111 1110”，在第N2个码元出现结束标志“0111 1110”。根据AIS报文结构，在开始标志前有24Bit组成的训练序列，故船台报文的第一个Bit序号是N0=N1-24+1=N1-23。由于AIS系统的信道传输速率Rb为9 600 b/s[9]，一个比特数据时间长为1/Rb，则检测的起始时刻位置为N0/Rb。

1.3 信号的特性分析计算

1.3.1 时间频率特性分析

船台发射的是GMSK调制信号，接收端接收的信号一般可表示为

式中：A（t）——时变幅度；

φ（t）——信号的相位信息；

ωc——载波角频率。

时间频率特性主要是分析船台的调制性能，而载波频率是一个常数，因此分析时频特性也就是分析信号的相位变化率性能，表现为时间-频率的关联关系，定义为

由于去载波后的基带信号可以表示为

其中I（t）=A（t）cosφ（t），Q（t）=A（t）sinφ（t）。

因此，相位信息可以通过求IQ两路信号的反正切函数得到，即φ（t）=arctan[Q（t）/I（t）]，对其求导数得到：

由于GMSK调制是一种恒包络调制，尽管幅度也是时变的，但在分析时频特性时，A（t）可以近似为常数，仍记为A，所以

在实际的船台检测时，经VSA捕获的船台信号为去载波后的基带采样信号，用离散信号的差分代替连续信号的微商，即：

其中n为离散时间序号。

1.3.2 发射机输出功率随时间函数特性

由于VSA捕获的基带信号的同相和正交分量可以表示为

所以电压幅值为

所以可得到信号的时间-功率的关联关系为

式中：Z——负载阻抗；

P（n）——在不同时间采样点上对应的功率值，

单位为dBm。

2 船台检测方案

2.1 检测指标

2.1.1 发射机时间频率特性检测

时间频率特性检测是检测发射机发射的经过GMSK调制的信号在不同比特位对应的频率是否符合国际标准规定，检测指标要求如表1所示。

2.1.2 发射机输出功率随时间函数特性检测

发射机时间功率特性是指船台发送信号的发送启动和释放时间与信号功率之间的对应关系。检测指标如表2所示。

2.2 检测方案

由于成品船台在启动发射信号时并没有向外部输出一个同步电信号，造成无法与检测仪器达到时间上的同步，因此从绝对时间来测试上述两个指标所获得的起始位置是不准确的。由于AIS系统是以自组织时分多址（SOTDMA）协议为核心技术[10]，该技术将时间分成若干帧，一帧为1min，每一帧又分成2250个时隙，则每个时隙长为22.67 ms，AIS系统的信道传输速率为9600b/s，每个时隙为256（bit）。因此可以将信息的比特位与时间关联起来，通过判断AIS信息的比特位来确定起始时刻位置。设计可行的检测方案如下：

首先利用VSA软件获取船台发射的AIS信号；然后将截取的数据载入计算机对该GMSK信号进行解调并做NRZI解码；再根据AIS信息报文的结构，对解调后的二进制数据进行比特位的位置确定；计算具体比特位上的功率和频率偏移；最后根据指标要求，衡量所测AIS信号是否达标。

3 检测结果

选取CS-B类船台作为检测对象，首先连接检测仪器如图1所示，将船台的VHF天线口和频谱仪的射频输入口通过传输线相连接，以获取船台发出的AIS信号，中间连接衰减器来防止由于船台发出的信号功率过大而造成对检测仪器的损害。频谱仪内装有VSA软件以进行数据的截取。打开船台，让其工作在自主模式后截取信号，利用USB设备将捕获的数据传入到计算机内进行后续处理。图2为检测实物图。

根据VSA读取数据的个数以及采样间隔，可知采样时间Ts约为32.5ms，因此数据包括312个码元，在第73个码元处开始出现AIS报文起始标志“0111 1110”，在第257个码元处出现AIS报文结束标志“0111 1110”。故CS-B报文的第一个比特序号是50，则对应的起始时间为5.208ms。

利用Matlab对采集的数据进行计算，求群延迟的波形如图3所示。图中标记部分为表1中对应的常规和极端条件下的频率范围，可以看出有部分频率超出常规条件下的频率要求，但是超出范围有限且幅度较小，基本符合指标要求。

图4是利用Matlab对采集的数据计算时间-功率波形图。图中标记部分为表2中对应的功率范围。可以看出该船台的时间功率特性基本符合指标要求。

4 结束语

本文针对发射机时间频率特性和时间功率特性的检测方法无法准确确认AIS信息的第一个比特发送时刻的问题，提出了对截取的AIS信息解码，并利用AIS信息结构对第一个比特位置进行确认，根据比特位置对相关参数进行测量的方案。首先利用VSA软件进行船台信号捕捉，得到信号数据后，通过在Matlab环境下进行计算仿真，从而得到对应比特位的频率和功率信息，比对指标要求得到检测结果，更准确地完成了对船台指标的检测，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]韩芝玲.船舶自动识别系统的体系结构及优缺点[J].中国水运：理论版，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]郑忠国，来飞.AIS系统中NRZI编码及GMSK的调制与解调的仿真[J].电子质量，2011（10）：253-258.

[6]包雄关，庞宪良.船载AIS系统中GMSK基带调制解调的实现[J].浙江海洋学院学报，2005，24（1）：54-57.

[7]樊昌信.通信原理[M].北京：国防工业出版社，1995.

[8]黄标，尚俊娜，陆辉.AIS信号解调及其信息恢复[J].机电工程，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]刘鹏，谢永锋.AIS系统中SOTDMA协议仿真与分析[J].电讯技术，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，讲师，硕士，研究方向为移动通信。