一种自动跳频的AIS单通道接收机的制作方法

本发明涉及船舶自动识别系统ais((automaticidentificationsystem))技术领域，具体是一种自动跳频的ais单通道接收机。

背景技术：

近年来，随着船舶科技的迅速发展和海洋经济的崛起，海上交通运输的地位日益显著，世界航运市场得到了前所未有的扩大与发展。世界航运业的迅猛发展在带来巨大经济利益的同时，也使海上交通情况变得越来越复杂。

ais系统是一种有效的海上避碰、导航、助航安全系统。根据国际海事组织(imo)的强制要求，目前所有300吨以上国际航行船舶和500吨以上非国际航行船舶均已经安装了ais设备。虽然目前小型船舶未被强制安装此设备，但是由于ais的自报位特性和制造成本的逐渐降低，ais逐步推广应用于海域感知、海面监视、海上救援、辅助识别、休闲、环保、缉私、打击恐怖主义等方面。

国际电信联盟(itu)和国际海事组织是ais技术标准的制定主体。ais发射机工作在两个vhf频道(161.975mhz和162.025mhz)上，工作时在两个频道上交替发射ais信息。ais通信协议在两个频道上将每分钟各划成2250个时隙，一个时隙的时间宽度为26.67ms，每艘船每次利用一个时隙来发射信号。ais系统采用时分多址(tdma，timedivisionmultipleaccess)通信制式进行船舶、岸基之间数字信息的交换和识别，以达到避碰的目的。为了达到各类终端设备能够在上述信道上自主组网实现信息的相互交换功能，国际标准中又根据终端设备组网的不同阶段先后设计了随机接入tdma(ratdma，randomaccesstdma)、增量tdma(itdma，incrementaltdma)、固定接入tdma(fatdma，fixedaccesstdma)、自组织tdma(sotdma，self-organizedtdma)和载波敏感tdma(cstdma，carrier-sensetdma)等时分多址接入模式。

一个典型的ais终端设备，包括一个发射信机和两个接收信机。发射信机根据ais协议在两个频道上交替发射ais信息，而两个接收信机在两个频道上同步接收和解析ais信息。没有发射信机的终端叫ais接收机，而只有一个接收信机的设备叫单通道接收机。单通道接收机在两个频点上交替切换，接收ais信息。相比于双通道接收机，单通道接收机具有功耗低、体积小、对基带处理能力要求低等特点。目前很多海事ais终端设备已经不是简单的具备导航作用、其兼有娱乐、通信、安全、气象、潮汐等多种功能。对于这类终端设备来说，其中的每个功能模块的功耗都直接影响到整个终端的工作续航时间。而其对于基带处理能力的要求直接影响到整个终端设备的体积、散热等工程实际问题。所以在便携式智能终端日益普及背景下，设计一种功耗更低、对基带处理能力要求更低的ais单通道接收机具有重要的现实意义。

由于ais单通道接收机在任何时刻只是监听一个频道，接收一个频道的信号，所以单通道接收机相比于双通道接收机，收到的信息只有一半。从这个角度看，单通道接收机的性能也只有双通道的一半，但是在实际应用中并非如此。首先，目前市面上多数商用的ais发射机都是在某个频道上发送了信息后，立刻切换到另外一个频道申请时隙，再次发送。因此，单通道接收机在很大概率上会捕获其在某一个频道发送的信息。ais标准协议规定发射机都是在两个频道上交替发送ais信息，所以两个频道上发送的信息都被错过的几率很低。事实上，双通道接收机同时在两个频道收到的信号中有大量的冗余信息。其次，在硬件设计上，相比于双通道接收机，射频前端部分因为不需要使用分路器将射频信号分成两路，理论上就减少了3dbm的插损。实际应用中，相同的射频前端设计，单通道接收机可以比双通道接收机高1.8到2.5dbm的灵敏度。灵敏度的提高也就提高了监听和接收范围，提高了捕获ais信号的几率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自动跳频的ais单通道接收机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自动跳频的ais单通道接收机，gps射频前端、gps接收模块、ais射频前端、ais接收模块和基带信息处理模块，所述gps射频前端与gps接收模块连接，gps接收模块连接基带信息处理模块，gps接收模块对gps射频前端发送过来的射频信号进行下变频、信号放大和模数转换后，将信号送入基带信息处理模块；所述ais射频前端与ais接收模块连接，ais接收模块连接基带信息处理模块，ais接收模块对从ais射频前端发送过来的射频信号进行、滤波、下变频、中频滤波和模数转换后送入基带信息处理模块。

进一步的：根据权利要求1所述的一种自动跳频的ais单通道接收机，其特征在于，接收机检测两个ais通道的拥塞情况，据此来设定接收机工作在固定跳频模式或者动态跳频模式，当ais通道处于未饱和不拥塞状态时，接收机工作在固定跳频模式，否则进入动态跳频模式；接收机只有一组ais接收单元，此接收单元在ais的两个频点上交替工作，两个频点上的切换时间根据每个频点上的拥塞和时隙冲突特征情况，动态调整，该自动跳频的实现方法的处理步骤如下：

步骤(1)：单通道ais接收机完成初始化，接收机工作在固定跳频模式下，开始工作，设置固定跳频模式下的跳频间隔时间t值为t1，设置系统标准拥塞率p为p1，随后进入步骤(2)；

步骤(2)：单通道接收机配置在第一频点(以下简称频点a)，工作t1时长，基带信息处理模块同步检测通道a在t1时间段内的负载率pa，判断a通道的负载率pa是否高于p1，若是，系统执行步骤(4)，切换到自动跳频模式，否则执行步骤(3)的过程；

步骤(3)：单通道接收机配置在第二频点(以下简称频点b)，工作t1时长，随后执行步骤(2)的过程；

步骤(4)：系统切换到自动跳频模式，随后进入步骤(5)；

步骤(5)：单通道接收机配置在第一频点a，跳频间隔时间t＝t2，基带信息处理模块按照公式的数学模型计算频点a的时隙冲突随机特征值da，随后进入步骤(6)；上式中，ti表示第i个信息在第t个时隙上传输；

步骤(6)：单通道接收机配置在第二频点，跳频间隔时间t＝t2，基带信息处理模块按照公式(1)的数学模型计算频点a的时隙冲突随机特征值db，随后进入步骤(7)；

步骤(7)：比较更新后的da和db值，如果前者小，则执行步骤(8)的过程，否则执行步骤(9)；

步骤(8)：配置单通道接收机在第一频点a工作，更新跳频间隔时间t＝t2*β，其中β是一个大于1的数字；

步骤(9)：配置单通道接收机在第二频点b工作，更新跳频间隔时间t＝t2*β，和步骤(8)一样，β是一个大于1的数字；

步骤(10)：判断自动跳频模式下的跳频时间t是否大于固定跳频模式下的跳频时间t1，若是，执行步骤(2)；否则执行步骤(11)；

步骤(11)：接收机在设定的频点和跳频间隔时间内工作，基带信息处理模块按照公式的数学模型计算执行此步骤时间内的时隙冲突随机特征值d，并更新d值为此通道的最新时隙冲突随机特征值，随后返回执行步骤(7)。

进一步的：所述gps射频前端外接gps天线，接收射频信号，并将处理后的射频信号发送至gps接收模块；所述ais射频前端外接ais天线，用于接收射频信号，接收到的射频信号在完成前端处理后送入ais接收模块。

进一步的：所述gps射频前端模块包括：低噪声放大器和带通滤波器，所述低噪声放大器接收来自天线的射频信号，并完成前端信号放大功能，所述带通滤波器和低噪声放大器连接，实现对前端信号的滤波，过滤掉噪声，允许gps频段的有效信号通过接收射频信号，并将处理后的射频信号发送至gps接收模块。

进一步的：所述gps接收模块包括：下变频器、中频放大器、模数转换器；所述下变频器接收来自gps射频前端的射频信号，经过混频后输出低于gps射频前端的中频信号，此中频信号经过中频放大器完成信号放大，随后经过模数转换器完成模拟信号到数字信号的转换，此数字信号将被输入基带信息处理模块。

进一步的：所述ais射频前端包括：低通滤波器和低噪声放大器，低通滤波器和ais天线连接，对接收到的无线信号进行高频滤波，所述低噪声放大器和低通滤波器连接，低噪声放大器对于通过低通滤波器的射频信号进行放大，随后送入ais接收模块。

进一步的：所述ais接收模块包括声表滤波器、下变频器、中频滤波器、模数转换器，所述声表滤波器连接ais射频前端的低噪声放大器，接收射频信号，信号经过下变频器完成射频信号到中频信号的转换，随后中频信号被输入到中频滤波器进行带通滤波，模数转换器和中频滤波器连接，完成从中频滤波器发送的中频信号数字化处理；模数转换器发送出来的数字信号将被输入基带信息处理模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明和市面上常用的双通道接收机相比，电源功耗、硬件体积和对基带处理能力要求都有显著降低。这些特点可以更好的满足海上便携式设备的需求，为ais接收机的发展有着积极的推动作用。

本发明不同于其他固定跳频时间的单通道接收机，实时检测两个ais接收通道的负载情况，并根据时隙冲突的随机特性，动态调整单通道接收机在两个ais接收通道的工作时间，最大限度的优化在单位时间内接收到的ais信息数，从而提高此单通道接收机的信息捕获时间和接收数量。本发明在深圳蛇口港和英国南安普顿港进行了多次重复测试。测试结果表明，相比于同类固定跳频时间的单通道接收机，捕获时间和信息接收数量都有显著提高。

附图说明

图1为一种自动跳频的ais单通道接收机系统结构示意图。

图2为一种自动跳频的ais单通道接收机中gps射频前端和gps接收模块的的结构示意图。

图3为一种自动跳频的ais单通道接收机中ais射频前端和ais接收模块的结构示意图。

图4为一种自动跳频的ais单通道接收机中软件算法的流程示意图。

图中：1-gps射频前端，1.1-低噪声放大器，1.2-带通滤波器，2-gps接收模块，2.1-下变频器，2.2-中频放大器，2.3-模数转换器，3-ais射频前端，3.1-低通滤波器，3.2-低噪声放大器，4-ais接收模块，4.1-声表滤波器，4.2-下变频器，4.3-中频滤波器，4.4-模数转换器，5-基带信息处理模块。

具体实施方式

请参阅图1，本发明实施例中，一种自动跳频的ais单通道接收机，包括gps射频前端(1)、gps接收模块(2)、ais射频前端(3)、ais接收模块(4)和基带信息处理模块(5)。

所述gps射频前端(1)外接gps天线，接收射频信号，并将处理后的射频信号发送至gps接收模块(2)进行下一步的处理。所述gps接收模块(2)和gps射频前端(1)连接，gps接收模块(2)对gps射频前端(1)发送过来的射频信号进行下变频、信号放大和模数转换后，将信号送入基带信息处理模块(5)，进行数字化处理。

所述ais射频前端(3)外接ais天线，用于接收射频信号。接收到的射频信号在完成前端处理后送入ais接收模块(4)进行下一步的处理。

所述ais接收模块(4)和ais射频前端(3)连接，ais接收模块(4)对从ais射频前端(3)发送过来的射频信号进行下变频、中频放大和模数转换后送入基带信息处理模块(5)，进行下一步的数字化处理。

所述基带信息处理模块(5)和所述gps接收模块(2)、ais接收模块(4)连接。基带信息处理模块完成如下功能：

1、接收来自gps接收模块(2)的数字信号，完成位置信息的解析。

2、接收来自ais接收模块(4)的数字信号，完成对ais信号所在频点上的信号检测、解码。

3、检测两个ais信道负载率，根据信道负载率值，配置ais接收机在固定跳频模式和自动跳频模式之间切换。ais接收机只有在系统出现时隙冲突的时候才进入自动跳频模式，否则就按照固定的时间在两个频点切换、工作。

4、在自动跳频模式下，实时检测时隙冲突的随机性，从而动态切换接收机工作的信道。基带处理模块实时比较两个频点的平均时隙冲突比率，配置ais接收机在时隙冲突比率小的频点更多的工作时间。

5、在自动跳频模式下，实时计算动态跳频的最大间隔时间。当配置的最大间隔时间大于固定跳频的工作时间时，配置单通道接收机返回固定跳频模式下工作。

如图2所示，所述gps射频前端(1)和gps接收模块(2)相连，完成把从gps天线接收到的射频信号转换成数字基带信号的完整过程。所述gps射频前端(1)模块包括：低噪声放大器(1.1)、带通滤波器(1.2)。所述低噪声放大器(1.1)接收来自天线的射频信号，并完成前端信号放大功能。所述带通滤波器(1.2)和低噪声放大器(1.1)连接，实现对前端信号的滤波，过滤掉噪声，允许gps频段的有效信号通过。

如图2所示，所述gps接收模块(2)包括：下变频器(2.1)、中频放大器(2.2)、模数转换器(2.3)。所述下变频器(2.1)接收来自gps频段的射频信号，经过混频后输出低于gps频段的中频信号。此中频信号经过中频放大器(2.2)完成信号放大，随后经过模数转换器(2.3)完成模拟信号到数字信号的转换。此数字信号将被输入基带信息处理模块(5)，进行下一步的数字信号处理。优选的，所述下变频器(2.1)将使用4.092mhz作为中频频率。

如图3所示，所述ais射频前端(3)和ais接收模块(4)连接。所述ais射频前端(3)包括：低通滤波器(3.1)和低噪声放大器(3.2)。低通滤波器(3.1)和ais天线连接，对接收到的无线信号进行高频滤波。所述低噪声放大器(3.2)和低通滤波器(3.1)连接，低噪声放大器(3.2)对于通过低通滤波器(3.1)的射频信号进行放大，随后送入ais接收模块(4)。

如图3所示，所述ais接收模块(4)包括声表滤波器(4.1)、下变频器(4.2)、中频滤波器(4.3)、模数转换器(4.4)。所述声表滤波器(4.1)连接ais射频前端(3)的低噪声放大器(3.2)，接收射频信号，信号经过下变频器(4.2)完成射频信号到中频信号的转换，随后中频信号被输入到中频滤波器(4.3)进行带通滤波。模数转换器(4.4)和中频滤波器(4.3)连接，完成从中频滤波器(4.3)发送的中频信号数字化处理。模数转换器(4.4)发送出来的数字信号将被输入基带信息处理模块(5)，进行下一步的数字信号处理。

图4是本实施例进行示位的方法的流程图。此实施例的流程包括如下各步骤：

步骤1：单通道ais接收机完成初始化，接收机工作在固定跳频模式下，开始工作。设置固定跳频模式下的跳频间隔时间t值为t1，设置系统标准拥塞率p为p1。随后进入步骤2。

步骤2：单通道接收机配置在第一频点(以下简称频点a)，工作t1时长。基带信息处理模块同步检测通道a在t1时间段内的负载率pa。判断a通道的负载率pa是否高于p1，若是，系统执行步骤4，切换到自动跳频模式，否则执行步骤3的过程。

步骤3：单通道接收机配置在第二频点(以下简称频点b)，工作t1时长。随后执行步骤2的过程。

步骤4：系统切换到自动跳频模式，随后进入步骤5。

步骤5：单通道接收机配置在第一频点a，跳频间隔时间t＝t2。基带信息处理模块按照公式(1)的数学模型计算频点a的时隙冲突随机特征值da，随后进入步骤6。

步骤6：单通道接收机配置在第二频点，跳频间隔时间t＝t2。基带信息处理模块按照公式(1)的数学模型计算频点a的时隙冲突随机特征值db，随后进入步骤7。

步骤7：比较更新后的da和db值。如果前者小，则执行步骤8的过程，否则执行步骤9。

步骤8：配置单通道接收机在第一频点a工作，更新跳频间隔时间t＝t2*β，其中β是一个大于1的数字。优选的，根据仿真和试验测试结果，β值配置成1.12。

步骤9：配置单通道接收机在第二频点b工作，更新跳频间隔时间t＝t2*β。和步骤8一样，β是一个大于1的数字。优选的，根据仿真和试验测试结果，β值配置成1.12。

步骤10：判断自动跳频模式下的跳频时间t是否大于固定跳频模式下的跳频时间t1，若是，执行步骤2；否则执行步骤11。此步骤的目的是设定自动跳频模式下的跳频时间任何时候都不会大于固定跳频模式的跳频时间。并且提供了从自动跳频模式转到固定跳频模式的途径。

步骤11：接收机在设定的频点和跳频间隔时间内工作。基带信息处理模块按照公式(1)的数学模型计算执行此步骤时间内的时隙冲突随机特征值d，并更新d值为此通道的最新时隙冲突随机特征值。随后返回执行步骤7。

上述实例中，步骤7到步骤11是一个循环过程，在自动跳频模式下，当跳频时间小于固定跳频模式的跳频时间t1，系统实时检测和更新两个通道的时隙冲突随机特征值，选择特征值较小的通道工作，从而达到系给统接收性能最优的特性。

上述实施例中，单通道接收机频道切换时间t2的初始值小于t1。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。