星载AIS信号侦收解调方法与流程

本发明涉及一种星载船舶自动识别系统AIS侦收系统，基于射频直采方案的AIS信号侦收解调的方法。更具体地说，本发明涉及星载AIS侦收系统中的AIS信号处理流程及方法。

背景技术：

自动识别系统(Automatic Identification System，简称AIS)是用于船舶及基站间集海上船舶识别、安全监控和通信导航功能于一体的新型助航系统。星载AIS系统具有多普勒频移较大、信道时变较快、多用户干扰严重等特点，相干检测复杂度增大。AIS系统主要用于传输AIS报文信息以短消息数据传输为主，且运行卫星数量较少，属于低轨小卫星系统。星载AIS属于非实时通信系统，它使用存储转发技术来传输AIS数据，即用户发送的报文在卫星上解调、解码，若信宿站就在当前卫星覆盖范围内，文件就被立即转发到信宿站，否则文件将由卫星固态存储器保存，等待卫星飞临信宿站上空时再被转发。传统的AIS系统针对两个频道设置两个接收机，每接收机一般是将天线接收到的信号先进行各级放大、下变频、A/D转换，再进行后续解码处理，而对于星载AIS系统接收机，对模拟器件的稳定性、精确度等性能要求更高。卫星AIS是一种船舶定位技术，通过低轨道的卫星接收船舶发送的AIS报文信息，卫星将接收和解码AIS报文信息转发给相应的地球站，从而让陆地管理机构掌握船舶的相关动态信息，实现对远海海域航行船舶的监控。在各种信号密集的环境中，自动识别系统能有效地对信号进行解调、协议分析、信息恢复，对于有效识别AIS信号信息有着非常重要的作用。星载AIS调制方式为高斯最小移频键控(Gaussian Minimum Shift Keying,GMSK),相干解调需要的载波频率、多普勒频移和传播时延等先验信息增加了解调时间和硬件复杂度,因此,星载AIS一般采用非相干解调算法。对于非相干解调,应用最广泛的1比特差分解调和2比特差分解调,虽然算法复杂度低、处理效率高,但对于恶劣环境下的星载AIS信号处理效果不理想,主要体现在抗噪性能差,CCI条件下信号解调性能剧降。现有技术引入判决反馈,提出了1、2比特联合差分反馈和2、3比特联合差分反馈,理论上2、3比特联合差分反馈比1、2比特联合差分扩大了眼图判决距离,但信噪比低时多比特差分码元会产生连带性错判。目前对星载AIS的研究主要集中在如何解决时隙碰撞问题，Migule 2011年提出将bit差分解调算法应用于星载AIS接收机，该算法虽然比船载AIS接收机的bit差分解调算法解调能力高，但解调效果仍不理想，相比高成本的卫星载荷该算法不适合工程应用。

AIS信号的调制方式是根据带宽进行调整的。调频高斯滤波最小频移键控GMSK/FM。GMSK是最小频移键控MSK在调制前经过窄带高斯滤波器形成的。基带码元经过窄带高斯滤波器以后，码元宽度展宽，产生了码间串扰。它以误码换取较小的带宽，在实际中要对两者间进行平衡。对于GMSK信号，可以用维特比算法、差分算法和基于PAM分解方法进行解调，前两种算法研究相对比较多，Viterbi算法实现比较复杂，利用相位差分计算瞬时频率时，计算相位要进行除法和反正切运算，这对于非专用数字处理器来说是较复杂的。由于实际AIS信号主要工作在161.975MHz和162.025MHz这两个频点上，所以对射频信号采用162MHz的本振下变频时，就会产生±25kHz的频偏，因此在解调前先要估计频偏。现有技术对实际接收的AIS信号解调方法，通常采用相位差分解调方法实现解调，最后根据AIS协议给出原始信源信息恢复方法，并根据实际采集的AIS信号，进行解调和信息恢复实验。由于卫星的高速运行，典型中低轨轨道卫星覆盖范围内AIS目标信号被星上AIS载荷接收时多普勒频移达±4kHz，且不同区域船舶的发射信号到达星载接收端时的时延差异很大，对AIS信号接收解调来说，大频偏的存在、信号到达时间的巨大差异会对这种突发信号的解调侦收带来很大难度。

差分解调一般包括1-bit差分解调、2-bit差分解调和多比特联合差分解调算法,其在同信道干扰下的解调性能不够理想。目前国内针对AIS接收的解调技术，在方案上主要采用的是中频带通采样方案，该实现方案需要在接收通道采用模拟下变频的方式将接收到的AIS信号变换到一个指定的中频，后端采样采用带通采样的方式进行信号采样。AD器件采样率按照实际信号的带宽进行选取。这种架构接收通道实现复杂，需要频率合成器和混频器，在星载平台上实现起来代价成本高。在信号解调上主要依赖专用AIS信号解调处理芯片，且专用处理芯片只能处理±2.5kHz的频偏，不能满足卫星平台上AIS信号解调的需求；此外，不同生产厂家在生产AIS设备时设计出的信号参数和频谱特性会有所不同，使用专用处理芯片在接收处理这些信号时性能上的差异将无法避免。因此，新的AIS信号解调技术对卫星平台上AIS信号的侦收具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对卫星平台上存在大多普勒频移和大信号时延的侦收环境，以及硬件资源有限的条件下侦收解调AIS信号的需求，提供一种能够简化接收设备架构和复杂程度，以适应大多普勒频移和大信号时延且消耗资源较少的星载AIS信号侦收解调的方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种星载AIS信号侦收解调的方法，其特征在于包括如下步骤：将AIS天线接收的射频信号送入信道模块，信道模块对天线输出的射频信号进行滤波、放大输出，通过AD模块对信道模块输出的模拟信号进行模数AD采样；AD采样数据在FPGA内进行两路数字信道化预处理输出两路基带IQ数据，再分别计算两路基带IQ数据的瞬时相位，根据瞬时相位运用1bit差分算法求出两路基带IQ数据的瞬时频率，FPGA设定同步序列相关峰值门限，实时缓存瞬时频率值f(n)，测量瞬时频率的中心值，然后通过频率测量模块将缓存的瞬时频率值f(n)与计算出的频率中心值进行比较判决，再将缓存值的判决结果与标准同步序列进行同步序列相关运算；当同步序列相关运算结果超过设定的门限并达到极大值时，则判断解调达到位同步并找到最佳采样点开始解调；解调过程中实时进行AIS信号结尾标记检测，当出现AIS信号结尾标记时停止解调并将全部解调结果输出。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明采用射频直采方案，对AIS天线输出的以162MHz为中心频率的75kHz带宽内的射频信号进行滤波、放大输出；然后对接收信道输出的模拟信号进行AD采样，AD采样数据在FPGA内进行两路数字信道化预处理输出基带IQ数据，大大简化了接收设备的设计，降低了成本并提高了工程实现的可靠性。克服了现有技术接收通道采用模拟下变频的方式将接收到的AIS信号变换到一个指定的中频，后端采样采用带通采样的方式进行信号采样，接收通道实现复杂，需要频率合成器和混频器，在星载平台上实现起来代价成本高的缺陷。

本发明通过计算基带IQ数据的瞬时相位，对瞬时相位进行1bit差分算法处理后得到瞬时频率，测量瞬时频率中心值后再进行后续的同步序列相关检测，可以解决多普勒频移为±4KHz范围内的AIS信号接收解调，大多普勒频移环境下适应性优于国外专用AISC处理芯片。解决了现有技术在信号解调上依赖专用AIS信号解调处理芯片，专用处理芯片只能处理±2.5kHz的频偏，不能满足卫星平台上AIS信号解调的需求的问题。

本发明由FPGA设定同步序列相关峰值门限，实时缓存瞬时频率值f(n)，测量瞬时频率的中心值，然后通过频率测量模块将缓存的瞬时频率值f(n)与计算出的频率中心值进行比较判决，再将缓存值的判决结果与标准同步序列进行同步序列相关运算，采用同步序列相关运算实现信号检测及解调位同步，计算方法简单、运算量小；采用在瞬时频率处理后进行多普勒频移估计，在低信噪比下获得了理想的检测性能，具有非常好的可移植性、鲁棒性。

本发明在同步序列相关峰值超过设定的门限并达到最大时，判定解调达到位同步状态，并找到最佳采样点，继而完成后续解调。在解调的同时，进行信号结尾标记的搜索，当出现信号结尾标记时就停止解调输出解调结果。可工程化应用于低轨卫星平台AIS信号的接收处理，体现了其工程应用性好、稳定性高、消耗资源少的特点。可推广用于多普勒环境下FSK、MSK、GMSK信号的解调处理。此AIS信号接收解调设计方案可广泛应用于航海、航空、路基、观测站等各民用AIS侦收系统，并可以直接应用于卫星、地面、机载、舰载等平台上。

本发明适用于卫星平台大多普勒频移和大信号时延侦收环境下的AIS信号侦收解调。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图给出最佳实施例，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。

图1是本发明星上侦收解调AIS信号的流程示意图。

图2是本发明数字信道化预处理示意图。

图3是本发明FPGA采用1bit差分算法的实现示意图。

图4是本发明实时相关峰检测及解调位同步的FPGA实现示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，将AIS天线接收的射频信号送入信道模块，信道模块对天线输出的射频信号进行滤波、放大输出，通过AD模块对信道模块输出的模拟信号进行模数AD采样；AD采样数据在FPGA内进行两路数字信道化预处理输出两路基带IQ数据，再分别计算两路基带IQ数据的瞬时相位，根据瞬时相位运用1bit差分算法求出两路基带IQ数据的瞬时频率，FPGA设定同步序列相关峰值门限，实时缓存瞬时频率值f(n)，测量瞬时频率的中心值，然后通过频率测量模块将缓存的瞬时频率值f(n)与计算出的频率中心值进行比较判决，再将缓存值的判决结果与标准同步序列进行同步序列相关运算；当同步序列相关运算结果超过设定的门限并达到最大时，判定解调达到位同步状态找到了最佳采样点，继而完成后续解调；解调的同时不断搜索AIS信号结尾标记，当出现AIS信号结尾标记时就停止解调并输出解调结果。

接收信道两路数字信道化的中心频率分别为161.975MHz和162.025MHz，带宽均为20kHz。

信道模块对AIS天线接收到的AIS信号进行模拟滤波放大处理之后，直接在射频进行AD采样；在FPGA内对AD采样数据进行数字信道化处理，分别得到161.975MHZ和162.025MHz两个频点上的AIS信号的基带IQ数据；基带IQ数据经过1bit差分算法处理后得到信号的瞬时频率；实时缓存240个瞬时频率值f(n)进行频率中心值的测量，再将缓存的240个瞬时频率值f(n)与频率中心值进行比较判决，判决结果与标准同步序列进行相关运算；当相关峰值超过设定门限并达到极大值时，则判定解调达到位同步并找到最佳采样点开始解调；解调的过程中实时进行信号结尾标记检测，当出现结尾标记时停止解调并将全部解调结果输出。

具体包括如下步骤：首先，AIS天线接收AIS射频信号，信道模块对天线输出的以162MHz为中心频率的75kHz带宽内的射频信号进行滤波、放大输出；

第二步，模数转换模块AD以34.56MHz的采样率对信道模块输出的射频信号进行带通采样；第三步，参阅图2。在数字信道化预处理中，由现场可编程门阵列FPGA对AIS信号采样数据进行降采样处理，首先将采样率为34.56MHz的采样数据直接抽取12倍后变换成采样率为2.88MHz的数据；然后，分别乘以直接数字式频率合成器DDS1和直接数字式频率合成器DDS2实现数字下变频，DDS1的频率为695kHz(对应AIS频点161.975MHz)，DDS2的频率为745kHz(对应AIS频点162.025MHz)；最后经过带宽为20kHz的FIR低通滤波器进行30倍的抽取滤波，得到采样率为96kHz的基带IQ数据。

第四步，参阅图3。在1bit差分算法中，FPGA根据基带I、Q数据计算反正切值arctan来求出每个基带I、Q数据的瞬时相位，计算前后相邻两个采样点的相位差，再去除相位差模糊；去相位差模糊的方法为，当前后相邻两个采样点的相位差大于π时，原相位差减去2π；当前后相邻两个采样点的相位差小于-π时，原相位差加上2π；最后将去除模糊后的相位差经过一个系数全为1的9阶FIR滤波器滤波输出瞬时频率曲线f(n)。

第五步，参阅图4。在实时相关峰检测及解调位同步中，FPGA设定同步序列相关峰值的门限值为192，实时缓存240个瞬时频率值f(n)，同时计算出缓存下来的240个瞬时频率值f(n)的均值fd，将缓存的f(n)与均值fd进行比较判决，大于等于均值fd则判为‘1’，小于均值fd则判为‘0’，再将240个缓存值的判决结果与标准同步序列进行相关运算，当计算出的相关峰值超过设定门限值时，则判断AIS信号已经出现；随着采样的进行，继续计算相关峰值，当相关峰值达到最大时，则判断已经找到最佳采样点，实现了位同步，可以开始后续解调。

第六步，在解调过程中，FPGA实时地将瞬时频率值f(n)与极大相关峰对应的瞬时频率均值fd进行比较判决，f(n)大于等于fd则判为‘1’，f(n)小于fd则判为‘0’，解调的同时对信号结尾标识进行实时检测，当解调结果中的连续8个比特构成‘00000001’或者‘11111110’时，则判断信号结束，停止解调，输出解调结果。

以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的是仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如可以结合具体的工程项目选用适合本工程项目的采样率变换方式、可以根据需要调整预处理时数字信道滤波器的带宽以适应不同的多普勒频移。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。