基于軟件無線電技術的AIS數字接收機總體設計

機電技術 ２０１３年８月

基于軟件無線電技術的ＡＩＳ數字接收機總體設計

陳學新

（福建省電子產品監督檢驗所，福建福州３５０００３）

摘要：文中主要介紹了采用軟件無線電、大信號動態檢測、數字信號處理、多路ＨＤＬＣ按位智能糾錯等技術的

ＡＩＳ數字接收機總體構建方案，及其主要特性和設計技術，通過實時接收監測范圍內船舶的靜態和動態信息，達到實現

船舶目標監視、跟蹤和識別的目的。

關鍵詞：ＡＩＳ；軟件無線電；數字信號處理

中圖分類號：ＴＮ９２５＋．９１ ＴＮ８５１文獻標識碼：Ａ文章編號：１６７２．４８０１（２０１３）０４．０６０．０３

ＡＩＳ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｈｉｐｂｏｍｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａ—

ｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ船舶自動識別系統 是采用時分多址

信系統模塊化設計，模塊的物理及電氣接口性能

指標符合統一、開放的標準。通過更換模塊，可

維護或提高系統的性能，也便于系統間復用。

方式工作的岸基和船載自動識別報告系統，是一

種整合了衛星定位和羅經計程儀、ＶＨＦ無線電通

信、雷達和電子海圖顯示等技術的航海、導航、

信息通信的新型航行設備和系統［１】。通過該系統

可以自動連續地向他船或岸臺發射和接收船舶的

靜態、動態信息、航次信息和安全短消息等，是船

舶避碰和監控的技術保障【２】。

本文介紹的ＡＩＳ數字接收機，是船舶自動識

別系統中自動連續接收設備，其總體設計采用軟

件無線電解調方案，綜合運用大信號動態檢測、

數字信號處理、多路ＨＤＬＣ按位智能糾錯等技術，

通過實時接收監測范圍內船舶的靜態和動態信

息，實現對Ａ類、Ｂ類船舶目標監視、跟蹤和識

別的目的。

２總體設計

２．１采用基于ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０２ ＣＰＵ處理器核心

的數字信號處理器ＤＳＰ的軟件無線電技術方案

ＡＩＳ數字接收機采用基于１ＭＳ３２０ＶＣ５５０２

ＣＰＵ處理器核心的數字信號處理器ＤＳＰ軟件無線

電技術是要構造一個通用、可編程的，以數字信號

處理器ＤＳＰ為主的硬件平臺，通過在該平臺上運

行不同的軟件模塊，實現無線通信的不同功能。

１軟件無線電技術的特點

傳統的無線通信設備都是以電路為基礎實現

的，在性能上存在很大的缺陷，往往只能工作在

單一頻段和單一信號模式，功能相對比較簡單，

系統的靈活性不夠，擴展維護困難【３】。采用軟件

無線電技術具有如下特點：

１）數字化。軟件無線電最主要的目的就是從

通信系統的基帶直到中頻、射頻段都采用數字化

處理技術；

圖Ｉ ＭＳ數字接收機軟件無線電硬件平臺原理框圖

ＡＩＳ數字接收機主要由天線、ｌ６２ＭＨｚ超短波

接收模塊、ＡＧＣ檢測和控制電路、ＧＭＳＫ解調模

塊、ＤＳＰ數字信號處理模塊、輸出接口等組成，

各功能模塊以開放式總線結構相連，其工作原理

如圖１所示。

２１可編程性。軟件無線電通過硬件平臺，將

其中，１６２ ＭＨｚ超短波接收模塊包括２Ｍ帶

寬射頻前置抗干擾濾波電路、ＡＧＣ控制放大電

路、混頻放大濾波電路、ＡＧＣ中頻控制放大電路：

ＡＧＣ控制放大電路和ＡＧＣ中頻控制放大電路分

別受控于ＡＧＣ檢測和控制電路；ＡＧＣ檢測和控

各種通信功能完全由相應軟件實現，如信道解調、

信源解碼方式等；

３１系統功能的可擴展性和升級的便捷性。由

于軟件無線電系統的功能主要由軟件實現，因此，

只需改變相應的功能軟件便可實現系統升級。通

過軟件工具還可以擴展通信系統功能；

制電路能對輸入的大動態信號進行衰減并對波動

信號進行平滑處理。

為了達到１００ ｄＢ的信號動態控制范圍，１６２ Ｍ

４）系統的模塊化。利用軟件無線電可實現通

作者簡介：陳學新（１９６１一 ，男， 高級工程師，從事無線電技術、數字通信技術、檢測技術研究。

第４期 陳學新：基于軟件無線電技術的ＡＩＳ數字接收機總體設計 ６１

超短波接收模塊采用了抗干擾措施和兩極ＡＧＣ

的技術方案，其中抗干擾濾波減少了干擾信號對

動態信號的影響，兩極ＡＧＣ擴大了接收動態范 圖，并找出一種計算度量作為路徑選取的依據，

圍；超短波接收模塊的前置抗干擾濾波器的帶寬 通過判決使整個輸出碼序列是一個最大似然序

為２ ＭＨｚ，插入損耗為１．８ ｄＢ，模塊的輸出中頻

為２１．４ ＭＨｚ，經過ＡＧＣ控制后輸出的電平為

一

７ ｄＢｍ～一１３ ｄＢｍ。

ＧＭＳＫ解調模塊包括抗混迭窄帶濾波放大電

路、１４比特Ａ／Ｄ轉換電路、ＦＰＧＡ處理模塊， 序網格搜索算法，用來執行最大似然檢測。ＭＬｓＥ

ＧＭＳＫ解調的數據速率為９．６ Ｋｂｐｓ，ＢＴ值為０．３

或０．５。

ＤＳＰ數字信號處理模塊采用基于ＴＭＳ３２ＯＶＣ

５５０２ ＣＰＵ處理器核心的數字信號處理器，具 接收的多徑信號，求取最優的判決解。在快速衰

有大規模集成性、穩定性好、精度高、可編

程性、高速性能、可嵌入性、接口和集成方

便等優點。

２．２采用大頻偏ＧＭＳＫ信號的解調技術提高接

收ＡＩＳ信息目標數目

在ＡＩＳ數字接收機中，高斯濾波最小頻移鍵

控ＧＭＳＫ是關鍵技術，它適用于快衰落信道，占

有較小的帶寬，帶外輻射小，對臨近信道的干擾

小。ＧＭＳＫ采用高斯濾波器做調制前基帶濾波器，

使基帶信號成形為高斯脈沖，再進行ＭＳＫ（最小

移頻鍵控）的調制。為了減少己調信號的頻譜寬

度，可以減少高斯低通濾波器的歸一化帶寬ＢＴ（Ｔ

是比特寬度），根據仿真結果我們取ＢＴ的數值為

０．３或者０．５。

在進行ＧＭＳＫ信號解調時，由于各個船載

ＡＩＳ終端的信號發射和接收通道的頻率均有誤

差，這必將在接收機輸出中引入較大的頻偏。而

ＧＭＳＫ是頻率調制信號，數據傳輸速率只有９．６Ｋ，

因此該信號的解調對頻偏較為敏感，如何克服大

頻偏對解調性能的影響并校正來自不同 Ｓ終端

的突發信號是ＧＭＳＫ信號解調的關鍵技術。本設

計在硬件上采用相干解調并配合軟件的基于

Ｖｉｔｅｒｂｉ算法，針對大頻偏和每次突發接收進行逐

次估計并校正頻偏來提高頻差容忍性能，從而提

高了接收ＡＩＳ信息目標數目。

２．３采用基于Ｖｉｔｅｒｂｉ算法的ＭＬＳＥ（最大似然序

列估計）檢測實現ＧＭＳＫ信號的解調

數字信號在無線信道中傳輸，會受到噪聲干

擾并導致誤碼，如何在有限的資源條件下降低信

道干擾解出正確的碼字，是衡量ＡＩＳ數字接收機

優劣的重要依據【４Ｊ。

維特比（Ｖｉｔｅｒｂｉ）譯碼算法是一種針對卷積碼

的最大似然譯碼算法。它將可能的路徑組成網絡

列。Ｖｉｔｅｒｂｉ譯碼算法的優點是在碼的約束比較小

時，它比序列譯碼算法效率更高、速度更快，譯

碼器也更簡單。

ＧＭＳＫ信號運用Ｖｉｔｅｒｂｉ算法的解調是一種順

檢測算法根據接收信號的信道影響和噪聲的分布

特征，在靜態信道下，可以得到接收信號的最優

解。這主要是因為ＭＬＳＥ檢測算法可以充分利用

落信道中，通過跟蹤信道的變化，求取發送的信

號，可以得到更好的結果。ＭＬＳＥ檢測算法通過

對一段長度的接收信號使用ＭＬ（Ｍａｘｉｍｕｍ．

１ｉｋｅｌｉｈｏｏｄ）準則求取的，其數據長度主要受ＤＳＰ

計算能力限制。

ＭＬＳＥ是采用最大似然（ＭＬ）準則的檢測算

法。其工作原理是：接收信號先通過匹配濾波器，

然后用速率采樣，得到的離散序列再通過白化濾

波器，變成白噪聲序列，最后進行序列估計。

ＭＬＳＥ檢測算法中，可以采用Ｖｉｔｅｒｂｉ算法在每步

中選取最優的路徑，通過序列估計的似然函數公

式ｒ（，）＝ｓ（ｔ，口）＋ （ｆ）（其中ｎ（Ｏ是高斯白噪聲，ａ是

傳輸的序列），計算得出ＧＭＳＫ信號的解調遞推

求解數據。

在實際通信條件下，由于ＭＳ數字接收機和

信道變化特性常常會產生較大的頻率偏移，對信

號接收和解調性能帶來較大影響，因此，對ＧＭＳＫ

各種解調方式在頻率偏移情況下的接收性能進行

了仿真并比較了Ｖｉｔｅｒｂｉ算法解調、二比特差分解

調和一比特差分解調三者之間的系統增益。結果

顯示，在誤碼率為１０ 時，Ｖｉｔｅｒｂｉ解調算法較二

比特差分解調算法可獲得７ｄＢ的系統增益，

Ｖｉｔｅｒｂｉ解調算法較一比特差分解調算法有更大的

系統增益。從仿真數據上證明了基于Ｖｉｔｅｒｂｉ算法

的ＭＬＳＥ檢測是ＧＭＳＫ信號解調的最佳算法，該

算法具有很好的抗噪聲性能和很好的抗多徑、抗

頻偏性能。

２．４在ＭＳ數字接收機中實現１００ ｄＢ大信號動

態范圍的調制

在ＭＳ數字接收機的設計中，為了盡量提高

６２ 機電技術 ２０１３年８月

收模塊采用了抗干擾措施和兩級ＡＧＣ的技術方

案，其中抗干擾濾波減少了干擾信號對動態信號的 ｒｅｓ高級數據鏈路控制規程）廣泛應用于數據通信

影響，兩級ＡＧＣ擴大了接收動態范圍。超短波接

收模塊的前置抗干擾濾波器的帶寬為２ ＭＨｚ，插

入損耗為１．８ ｄＢ，模塊的輸出中頻為２１．４ ＭＨｚ，

經過ＡＧＣ控制后輸出的電平為一７ ｄＢｍ～ 制規程，其鏈路監控功能通過一定的比特組合所

一

ＨＤＬＣ（Ｈｉｇｈ??ｌｅｖｅｌ Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｃｅｄｕ?－

領域，是確保數據信息可靠互通的重要技術【 。

ＨＤＬＣ規程主要由幀結構、規程要素、規程

類別三個部分組成。ＨＤＬＣ是面向比特的鏈路控

表示的命令和響應來實現，這些監控比特和信息 １３ ｄＢｍ，射頻信號在一１ １２ ｄＢｍ時，中頻輸出信

比特一起以幀的形式傳送并按位進行智能糾錯。

根據ＩＳＯ／ＩＥｃ ３３０９標準規定的ＨＤＬＣ的基本

幀結構包括，起始標志、地址數據、控制數據、

信息數據、幀校驗序列、結束標志。每幀的起始

和結束以“７Ｅ”（０１ １ ｌ １ ｌ １０）做標志，兩個“７Ｅ”之間

為數據段（含地址數據、控制數據、信息數據 和

幀校驗序列。

ＭＳ數字接收機在接收多路具有ＨＤＬＣ幀結

構的ＡＩＳ信息時，關鍵在于準確定位幀頭和幀尾。

號的信噪比為１６ ｄＢ，可保證ＧＭＳＫ調制信號的

良好解調。

２．５在ＡＩＳ數字接收機中實現空中時隙狀態的實

時監測

在ＡＩＳ系統中普遍采用ＳＯＴＤＭＡ（Ｓｅｌｆ－

Ｏｒｇａｎｉｚｅｄ ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ自組織時

分多址）技術實現彼此的通信，它是在時分多址方

式（ＴＤＭＡ）技術基礎上發展起來的一種用于航海

的新型數字通信技術，是全球定位及通信系統的

核心。在ＳＯＴＤＭＡ技術中，信道時間被分為固

定長度的時間間隔。一幀包括一組時隙，跨度為

２ ｒｎｉｎ，所有數據鏈上的ＡＩＳ系統都易于接收和傳

送信息。信息報告在數據鏈上可以根據傳輸情況

占有一個或更多的時隙。ＳＯＴＤＭＡ網絡中各臺站

為了保證信息幀不丟失并獲取更多的目標信息，

本設計采用了多路ＨＤＬＣ按位智能糾錯技術。即

幀校驗采用ＣＲＣ算法，對除了插入的“零”以外的

所有數據進行校驗。為了避免將數據中的“７Ｅ”誤

為標志，在發送端和接收端要相應地對數據流和

根據先驗知識和智能算法來確定其自身的發送時

間表而不需要主控臺來對時隙進行分配，這樣可

以盡量避開數據鏈路的沖突，并可以為新信息的

傳送選擇和保留時隙。

ＡＩＳ數字接收機通過實時監測Ｓ０ＴＤＭＡ網

絡中的通信狀況，監視一幀ＡＩＳ信息包中的時隙

使用情況，包括“空閑時隙、已使用時隙、未使用

時隙”等信息并輸出到后端設備處理分析，根據

ＡＩＳ系統空中組網協議，能夠將接收到的所有信

號包，依據其在空中所占時隙位置進行編號，實

現對空中時隙占用不標準的情況進行發現并迅速

定位，有效地提高我國主管部門對在用ＡＩＳ設備

的監測管理能力。

２．６采用多路ＨＤＬＣ按位智能糾錯技術的ＭＳ

脫幀算法

幀校驗序列進行“插零”及“刪零”操作。同時在處

理ＣＲＣ校驗有錯的信息幀時，進一步處理

ＭＭＳＩ（Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｉｄｅｎｔｉｔｙ海上移動

通信業務標識）號和經緯度信息，判斷是否超出了

編號范圍和裝備可偵察的地理空間范圍。此外，

根據同ＭＭＳＩ號多點航跡的前后歷史數據，判斷

經緯度信息的有效性。這樣從ＣＲＣ校驗錯幀中提

取部分可用的信息幀，使ＡＩＳ數字接收機在ＡＩＳ

協議處理上具有更強的容錯能力，從而大大地提

高了目標信息利用率。

３結束語

ＡＩＳ系統在國際國內已全面投入使用，然而

國內對ＡＩＳ終端設備的研制還都停留在利用國外

專用芯片來實現，缺乏核心技術掌握。采用軟件

無線電技術的ＡＩＳ數字接收機研制成功將填補國

內空白，產生巨大的經濟和社會效益。

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