AIS信號射頻直接采樣與數字下變頻設計與實現

第２５卷 第２０期

Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．２０ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

電子設計工程

２０１７年ｌ０月

Ｏｃｔ．２０１７

ＡＩＳ信號射頻直接采樣與數字下變頻設計與實現

王鴻曦，劉光祖，王建新

（南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇南京２１００９４）

摘要：本文為船舶自動識別系統射頻直接采樣（ＲＦ）后的ＡＩＳ信號處理提供了可行性方案。該方案

將ＣＨ８７Ｂ（ＡＩＳ１）和ＣＨ８８Ｂ（ＡＩＳ２）兩個信道的信號通過兩次數字下變頻（ＤＤＣ）搬移到基帶上，并

采用多級抽取濾波設計方法，分離出兩個信道的低速率ＡＩＳ信號。通過在Ａｒｔｉｘ７系列的ＸＣ７Ａ１００Ｔ

上進行了ＦＰＧＡ實現和大量反復測試后，結果表明，該設計有效減少了硬件資源的消耗，同時也達

到了設計指標的要求。

關鍵詞：軟件無線電；中頻采樣；ＡＩＳ信號；數字下變頻；ＦＰＧＡ

中圖分類號：ＴＮ９２７ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：１６７４—６２３６（２０１７）２０—００６４—０４

ＲＦ ｐａｓｓｂａｎｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ ａｎｄ ＤＤＣ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＡＩＳ ｓｉｇｎａｌ

ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｘｉ，ＬＩＵ Ｇｕａｎｇ—ＺＵ，ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｘｉｎ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａ ｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆＳｃｉｏｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ

．

２１００９４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＡＩＳ ｓｉｇｎａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＲＦ）Ａ／Ｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄ—

ｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｏｆ ＣＨ８７Ｂ（ＡＩＳ１）ａｎｄ ＣＨＳ８Ｂ（ＡＩＳ２）ａｒｅ ｍｏｖｅｄ ｔｏ ｂａｓｅ—

ｂａｎｄ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｄｏｗｎ ｃｏｎＶｅｒｓｉｏｎ（ＤＤＣ）．Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｓｔａｇｅ ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ ｉｆｌｔｅｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅ—

ｐａｒｔ ｔｈｅ ｔｗｏ ｌｏｗｓｐｅｅｄ ＡＩＳ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｒｏｍ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ＦＰＧＡ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ

ｂｙ ＸＣ７Ａ１００Ｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ａｒｔｉｘ７ ａｎｄ ｐｌｅｎｔｙ ｏｆ ｔｅｓｔ，ｉｔ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒ ｓｌｏｗｉｎｇ ｄｏｗｎ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ

ａｎｄ ｒｅａｃｈｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎｄｉｃｅｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｒａｄｉｏ；ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ＡＩＳ ｓｉｇｎａｌ；ｄｉｇｉｔａｌｆｒｅｑｕｅｎｅｙ ｄｏｗｎ ｃｏｎｖｅｒ—

ｓｉｏｎ：ＦＰＧＡ

船舶自動識別系統以船舶為載體保障ＡＩＳ設備

其中傳統的模擬下變頻穩定因素差，存在混頻器非

之間相互通信，裝有ＡＩＳ設備的船舶能夠自動將自身

線性及本地振蕩器不穩定等諸多麻煩［５１。

信息向其他設備發送，并接收其他設備發出的信息，

隨著ＡＤＣ器件及天線性能的日趨優化，模擬接

給船舶的航行和安全提供輔助信息ｎ 。國際電信聯 收部分也隨之減少。為了使ＡＩＳ接收機具有更大靈

盟（ＩＴＵ）將海Ｅ ＶＨＦ頻段分配給ＡＩＳ兩個 酋，ｌｆＯ ＣＨ８７Ｂ 活性和應用于不同場景，基于軟件無線電技術的接

（ＡＩＳ１，１６１．９７５ＭＨｚ）和ＣＨ８８Ｂ（ＡＩＳ２，１６２．０２５ ＭＨｚ）。

收機越來越受到重視。本文研究ＡＩＳ信號射頻直接

ＡＩＳ信號帶寬為２５ｋＨｚ，發射功率為１２．５ ｗ，信息傳

采樣和數字下變頻技術，采用多級下變頻和多級抽

分離出兩個ＡＩＳ信道的低速率ＡＩＳ 取濾波設計方法，

輸速率為９ ６００ ｂｐｓｔ ，ＡＩＳ信號采用高斯最小頻移鍵

控（ＧＭＳＫ）調制，時寬帶寬積Ｂ Ｔｂ＝０．４，ＧＭＳＫ信號 信號供后續信號進行基帶解調與信息提取，并在

有效減少了硬 ＦＰＧＡ實現中采用濾波器復用等方法，

的特點是具有恒定的包絡，且頻譜利用率較高 。傳

同時也減少了信號的延時。 件資源的消耗，

統ＡＩＳ系統針對兩個信道分別設置模擬接收機，兩

個接收機將天線所接收到的信號進行放大、下變頻、

去除載波后再進行Ａ／Ｄ轉換到數字基帶進行處理。

收稿日期：２０１６—０９—０７ 稿件編號：２０１６０９０７２

１射頻直接采樣與數字下變頻設計

ＡＩＳ接收機系統包括射頻接收前端、Ａ／Ｄ轉換、

作者簡介：王鴻曦（１９９１ ，女，江蘇南京人，碩士研究生。研究方向：信號處理與通信。

一

６４—

王鴻曦，等ＡＩｓ信號射頻直接采樣與數字下變頻設計與實現

Ｉ１（ｎ）－｛－ｊＦＱ１㈤和 （ｎ）＋ 。 （ｎ）（考慮到星載情形，復基帶 Ｆ

下變頻處理、基帶處理解調等部分［６１，本文考慮Ａ／Ｄ

采樣和數字下變頻處理，原理框圖如圖１所示。Ａ／Ｄ轉

信號可以包含最大變化范圍為±４ ｋＨｚ的多普勒頻移

換器以 ＝４８ ＭＨｚ的采樣頻率對濾波放大后的ＡＩＳ射

川）。系統設計要求輸出復基帶信號的數據率為８倍

頻信號ｒ 進行Ａ／Ｄ轉換，經過正交下變頻和相應的

ＡＩＳ信號符號率，即７６．８ ｋＨｚ，因此下變頻處理中必須

低通濾波后得到包含ＡＩＳ１和ＡＩＳ２兩個信道的低中 包含抽取因子為Ｄ＝４８ＭＨｚ／７６．８ｋＨｚ＝６２５的抽取。

頻復信號，再經過復數正交下變頻和相應的低通濾

為了減少硬件資源開銷，我們采用多級濾波抽取的

波后輸出兩個信道ＡＩＳ１和ＡＩＳ２的復基帶信號

方法，分別包含在濾波抽取（Ｉ）和濾波抽取（ＩＩ）兩個

圖１射頻采樣與數字下變頻處理原理框圖

模塊中。 ．

１．１射頻直接采樣與正交下變頻

ＡＩＳ１和ＡＩＳ２兩個信道的信號。通過采樣頻率為

ｉｓ＝４８ ＭＨｚ采樣后頻譜搬至１８ ＭＨｚ處嘲，如圖２（ｂ）

射頻信號ｒ 的頻譜如圖２（ａ）所示，ＡＩＳ信號包

所示，兩個信道的中心頻率分別為１７．９７５ ＭＨｚ和

含載波頻率分別為１６１．９７５ ＭＨｚ和１６２．０２５ ＭＨｚ的

１８．０２５ ＭＨｚ，再對信號進行正交下變頻（本振頻率為

圖２ ＡＩＳ信號采樣前、采樣后、下變頻后的頻譜

１８ ＭＨｚ）和濾波。 在ＦＰＧＡ實現時減少存儲單元。

數字正交下變頻可通過數控振蕩器（ＮＣＯ）產生 １，３濾波器的設計考慮

兩個相互正交的本振信號： 由于抽取倍數 為６２５倍，因此如果數字下變

。㈨＝ｃｏｓ（２＇ｎｘ × ； ：０，１，２，…．．．）； 頻后直接進行抽取的話，抽取濾波器階數可以用下

ｓ

式估計：

ｓ（ｎ）＝ｓｉｎ（２＂ｔｒｘ睪× ； ＝０，１，２，…?．）； （１】 Ｎ＞Ｉ－２…０ｌｇ…６－７…．９５．：６ １２６ （２）

Ｊ ｓ ｌｑ?３ｕ‘ ｜１ ｓ

其中 ＝１８ ＭＨｚ。 其中，ＡＵ＝Ｌ－Ｌ，通帶頻率 ＝１０ ｋＨｚ，止帶頻率

正交下變頻的信號經過抽取濾波（Ｉ）（此模塊在 ：３８

４ ｋＨ ，波紋６：０．０１。

．

—

下節討論）后的頻譜如圖２（ｃ）所示，￣＃ＡＩＳ１ 可見

濾波器由于階數過高變得無法實現，為此

和ＡＩｓ２兩個信道的信號，它們的中心頻率分別為 我們采用多級抽取濾波進行級聯的方法

分配到圖１

２５ ｋＨｚ￣２５ ｋＨｚ。 中抽取濾波（Ｉ）和抽取濾波（ＩＩ）模塊中實現

，

，

。

如上所述，信號ｙ，（ ＋Ｊｙ （ｎ）包含兩個信道的ＡＩｓ ２ ＡＩＳ信號接收系統的抽取與濾波設計

信號，為了分離出這兩個ＡＩＳ信號，進行兩次復正交 上章節圖１所示的濾波抽取分為兩個模塊

一

把

下變頻，復正交下變頻中心頻率分別為２５ ｋＨｚ和 總抽取倍數 ６２５分解成Ｄ ｘＤ，ｘＤ ：２５ ｘ ５ ｘ ５

抽

２５ ｋＨｚ，再通過抽取濾波（ＩＩ）處理后輸出最終要求 取濾波（Ｉ）模塊包含了兩次濾波

兩次抽取，抽取濾

，

，

、

的信號。 波（ＩＩ）模塊為兩次低通濾波與一次 倍抽取

。

以下

本振頻率產生的方法類似于式（１），根據三角公 兩節將分別介紹抽取濾波的這兩個模塊：

式的性質，兩個信道余弦函數序列完全相同，正弦函 ２

１抽取濾波（Ｉ）模塊

數互為相反數，直接取反輸出后與信號相乘，有利于 本模塊如圖３所示

實現Ｄ，ｘＤ，：ｌ２ 抽取，分

，

，

一

６５—

《電子設計工程》２０１７年第２０期

成 和 兩次濾波抽取： 少需要２５個乘法器。

經過１３３倍抽取后的數據率為８倍過采樣率，即

７６．８ ｋＨｚ，數據率的減少有效降低了ＦＩＲ３的濾波階

圖３抽取濾波（Ｉ）模塊

數。為了得到ＡＩＳ信號還需通過低通濾波ＦＩＲ３將干擾

和噪聲濾除干凈，ＦＩＲ３低通濾波器設計中，通帶頻率

ＣＩＣ濾波器是一種高效簡單的濾波器，其濾波

滿足 ≥Ｂｂ：１０ ｋＨｚ（包含多普勒頻移最大為４ ｋＨｚ），

結構本質上只有相加和延時，相比于低通濾波器簡

而阻帶頻率盡可能接近信號的截止頻率，阻帶衰減

化了硬件結構，還減少了調用乘法器帶來的延時，因

此適用于高速率信號處理的第一級濾波抽取 。

ＣＩＣ的抽取因子選取Ｄ ＝２５，抽取后的數據率降

低為后續信號處理分擔壓力。抽取倍數 與ＣＩＣ濾

波階數并不相互獨立，當濾波階數與抽取倍數相等

時，硬件實現上可以將輸入的 個數據組成堆棧直

接相加輸出，而無需重復調用這些數據引起資源的

消耗 。因此濾波階數選定之后，抽取因子隨之選

定 “。

單級ＣＩＣ濾波器的旁瓣抑制比較小，其阻帶衰

減程度并不理想，本文采用兩級級聯的方式增加主

旁瓣比ｎ２１。信號經過ＣＩＣ濾波抽取后數據率降為

１＝ｆ，／Ｄｌ＝１．９２ ＭＨｚ。

為達到 抽取，信號還需進行ＦＩＲ１濾波，根據

輸入信號頻譜，考慮到信號存在±４ ｋＨｚ范圍內的多

普勒頻偏，ＦＩＲ１此時的通帶頻率取為ｆ ＝ ｏ ３５ ｋＨｚ； 為

了防止抽取產生信號混迭，止帶截止頻率 ，由抽取

因子確定，即／２Ｄ：＝１９２ ｋＨｚ，根據指標止帶衰

＝

．

．

減取６，＝４５ ｄＢ，根據上述條件設計所得的濾波階數

為１９階（硬件資源消耗較少）ｎ。 ４］。為了節省乘法器

的開支，在實現時采用乘法器復用的方法（在第４節

具體闡述），實現濾波乘法器復用大大減少ＦＰＧＡ的

壓力提高運算效率。

２．２抽取濾波（Ⅱ）模塊

本模塊如圖４所示，實現Ｄ ＝５倍抽取以及ＦＩＲ２

和ＦＩＲ３兩次濾波：

圖４抽取濾波（１Ｔ）模塊

抽取濾波的設計思路同上，ＦＩＲ２通帶頻率

＝１０ ｋＨｚ，止帶截止頻率由抽取因子確定，即

＝

ｆｓ ／２Ｄ ＝３８．４ ｋＨｚ，得到通帶衰減為３ ｄＢ，阻帶衰

減４５ ｄＢ的２５階濾波器，從直接型濾波結構來看至

一

６６一

取為５５ ｄＢ，此時２８階濾波器可以滿足要求。兩次

下變頻和多級濾波抽取的形成了完整的ＡＩＳ接收機

的框架，在硬件消耗和指標上均是可行的。

在噪聲一定的環境下（Ｅｂ／ＮＯ＝１３ ｄＢ）ＡＤ采樣

后的數據通過本文所設計的多級下變頻和抽取濾

波，所得頻譜如圖５所示，頻譜具有ＧＭＳＫ頻譜的基

本特征。圖６為一幀ＡＩＳ信號的時域波形的部分截

取（便于與后文ＦＰＧＡ實現圖做比較），再通過測試

解調結果得出其正確性。

圖５下變頻系統最后得到的ＡＩＳ頻譜

圖６下變頻系統最后得到的ＡＩＳ時域圖

王鴻曦，等ＡＩＳ信號射頻直接采樣與數字下變頻設計與實現

３數字下變頻的ＦＰＧＡ實現

ＡＩＳ信號通過合路器合路后再經過１００ ｄＢ的衰減送

到射頻輸入端，射頻前端對信號進行濾波和放大后

Ｄ轉換器。讀取上位機最終的解調結果與原 送至Ａ／

本文Ａ／Ｄ轉換器采用分辨率為１４位的ＡＤ９６４９，

通過多次反復調整頻率和大量實 始信號進行比對，

ＦＰＧＡ采用Ａｒｔｉｘ７系列的ＸＣ７Ａ１００Ｔ。本文中下變頻

最終解調成功率均在９８．７％以上，達到了測試指 驗，

的載波固定，利用ＲＯＭ存儲ＮＣＯ產生的１４位量化

標要求。

信號更便捷。同理，復正交下變頻ＮＣＯ量化位數為

１６位，通過一個ＲＯＭ存儲器演變為４路正交信號。

ＣＩＣ濾波器通過形似先進先出的堆棧結構來實

現，通過兩級ＣＩＣ級聯的方式在每級擴展一位，最終

４結束語

本文通過兩級下變頻、多級抽取濾波以及乘法

輸出信號位寬為１６位。

抽取可以通過與濾波器中乘法器復用一起實 采樣和下變頻濾波處理算法，減少了ＦＰＧＡ資源的

現。為了降低資源消耗，濾波器的實現主要采用了 開銷。測試表明本設計達到了系統設計要求，為基

乘法器復用的方法。濾波器中乘法器的復用有兩種

方法，其一是利用標志位控制乘法器的邏輯時間順

序來實現，另一種方法利用了高效網絡結構，實現時

采取抽取前的時鐘作為采樣率，用抽取之后數據率

作為輸出頻率，即將乘法器運算安排在低抽樣率的

一

端（本文采用第二種優化方式）。例如本文ＦＩＲ１

中，進人濾波器的信號數據率為３８４ ｋＨｚ，將濾波器 ［Ｊ］．艦船科學技術，２０１６（３８）：１３１—１３５．

工作時鐘設為１．９２ ＭＨｚ，即可實現乘法器的復用。 ［３】鄭力，鐘杰．基于ＦＰＧＡ的ＡＩＳ中頻收發信機設計

全文中兩次抽取濾波的實現均采用了乘法器復用的

方法減少ＦＰＧＡ的硬件壓力。

若將與此前仿真相同的射頻采樣數據存人

ＲＯＭ中，通過下變頻和抽取濾波的過程的實現，最

終得到的Ｍｏｄｅｌｓｉｍ仿真圖。由圖可知，ｒ （ 、ｒ ，㈤為

信道ＡＩＳ２需要解調的ＧＭＳＫ波形。通過對比圖６、

圖７可知，信號實際載波頻率為１６２．０２５ ＭＨｚ

（ＡＩＳ２），其結果與仿真完全一致。

一

Ｖ ／ 、

一

ｔ 人 八

圖７ ＡＩＳ２下變頻后的時域譜ＦＰＧＡ實現圖

整個設計的ＦＰＧＡ資源消耗如下：乘法器為１８％

（４４個），存儲單元為１０％，ＬＵＴ（查找表）為４％，達到

了設計要求的同時消耗的資源較少，乘法器資源的

減少帶來了延時的減小，約４６個時鐘。

為了驗證本文的設計方案是合理可行的，本文

對ＡＩＳ接收機進行了瞬時動態范圍測試。測試中使

用兩臺ＡＩＳ信號源，第一臺產生出信號頻率為

１６２．０２５ ＭＨｚ的ＡＩＳ２信號（功率為一１２ ｄＢｍ），第二臺

產生出信號頻率為１６１．９７５ ＭＨｚ的ＡＩＳ１信號（功率

為３３ ｄＢｍ，功率相比于ＡＩＳ２信號高出４５ ｄＢｍ），兩路

器復用等方法，設計并實現了ＡＩＳ信號的射頻直接

于軟件無線電技術的接收機提供了方案，被證明是

有效可行的。

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