基于软件无线电技术的AIS数字接收机总体设计

机电技术 ２０１３年８月

基于软件无线电技术的ＡＩＳ数字接收机总体设计

陈学新

（福建省电子产品监督检验所，福建福州３５０００３）

摘要：文中主要介绍了采用软件无线电、大信号动态检测、数字信号处理、多路ＨＤＬＣ按位智能纠错等技术的

ＡＩＳ数字接收机总体构建方案，及其主要特性和设计技术，通过实时接收监测范围内船舶的静态和动态信息，达到实现

船舶目标监视、跟踪和识别的目的。

关键词：ＡＩＳ；软件无线电；数字信号处理

中图分类号：ＴＮ９２５＋．９１ ＴＮ８５１文献标识码：Ａ文章编号：１６７２．４８０１（２０１３）０４．０６０．０３

ＡＩＳ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｈｉｐｂｏｍｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａ—

ｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ船舶自动识别系统 是采用时分多址

信系统模块化设计，模块的物理及电气接口性能

指标符合统一、开放的标准。通过更换模块，可

维护或提高系统的性能，也便于系统间复用。

方式工作的岸基和船载自动识别报告系统，是一

种整合了卫星定位和罗经计程仪、ＶＨＦ无线电通

信、雷达和电子海图显示等技术的航海、导航、

信息通信的新型航行设备和系统［１】。通过该系统

可以自动连续地向他船或岸台发射和接收船舶的

静态、动态信息、航次信息和安全短消息等，是船

舶避碰和监控的技术保障【２】。

本文介绍的ＡＩＳ数字接收机，是船舶自动识

别系统中自动连续接收设备，其总体设计采用软

件无线电解调方案，综合运用大信号动态检测、

数字信号处理、多路ＨＤＬＣ按位智能纠错等技术，

通过实时接收监测范围内船舶的静态和动态信

息，实现对Ａ类、Ｂ类船舶目标监视、跟踪和识

别的目的。

２总体设计

２．１采用基于ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０２ ＣＰＵ处理器核心

的数字信号处理器ＤＳＰ的软件无线电技术方案

ＡＩＳ数字接收机采用基于１ＭＳ３２０ＶＣ５５０２

ＣＰＵ处理器核心的数字信号处理器ＤＳＰ软件无线

电技术是要构造一个通用、可编程的，以数字信号

处理器ＤＳＰ为主的硬件平台，通过在该平台上运

行不同的软件模块，实现无线通信的不同功能。

１软件无线电技术的特点

传统的无线通信设备都是以电路为基础实现

的，在性能上存在很大的缺陷，往往只能工作在

单一频段和单一信号模式，功能相对比较简单，

系统的灵活性不够，扩展维护困难【３】。采用软件

无线电技术具有如下特点：

１）数字化。软件无线电最主要的目的就是从

通信系统的基带直到中频、射频段都采用数字化

处理技术；

图Ｉ ＭＳ数字接收机软件无线电硬件平台原理框图

ＡＩＳ数字接收机主要由天线、ｌ６２ＭＨｚ超短波

接收模块、ＡＧＣ检测和控制电路、ＧＭＳＫ解调模

块、ＤＳＰ数字信号处理模块、输出接口等组成，

各功能模块以开放式总线结构相连，其工作原理

如图１所示。

２１可编程性。软件无线电通过硬件平台，将

其中，１６２ ＭＨｚ超短波接收模块包括２Ｍ带

宽射频前置抗干扰滤波电路、ＡＧＣ控制放大电

路、混频放大滤波电路、ＡＧＣ中频控制放大电路：

ＡＧＣ控制放大电路和ＡＧＣ中频控制放大电路分

别受控于ＡＧＣ检测和控制电路；ＡＧＣ检测和控

各种通信功能完全由相应软件实现，如信道解调、

信源解码方式等；

３１系统功能的可扩展性和升级的便捷性。由

于软件无线电系统的功能主要由软件实现，因此，

只需改变相应的功能软件便可实现系统升级。通

过软件工具还可以扩展通信系统功能；

制电路能对输入的大动态信号进行衰减并对波动

信号进行平滑处理。

为了达到１００ ｄＢ的信号动态控制范围，１６２ Ｍ

４）系统的模块化。利用软件无线电可实现通

作者简介：陈学新（１９６１一 ，男， 高级工程师，从事无线电技术、数字通信技术、检测技术研究。

第４期 陈学新：基于软件无线电技术的ＡＩＳ数字接收机总体设计 ６１

超短波接收模块采用了抗干扰措施和两极ＡＧＣ

的技术方案，其中抗干扰滤波减少了干扰信号对

动态信号的影响，两极ＡＧＣ扩大了接收动态范 图，并找出一种计算度量作为路径选取的依据，

围；超短波接收模块的前置抗干扰滤波器的带宽 通过判决使整个输出码序列是一个最大似然序

为２ ＭＨｚ，插入损耗为１．８ ｄＢ，模块的输出中频

为２１．４ ＭＨｚ，经过ＡＧＣ控制后输出的电平为

一

７ ｄＢｍ～一１３ ｄＢｍ。

ＧＭＳＫ解调模块包括抗混迭窄带滤波放大电

路、１４比特Ａ／Ｄ转换电路、ＦＰＧＡ处理模块， 序网格搜索算法，用来执行最大似然检测。ＭＬｓＥ

ＧＭＳＫ解调的数据速率为９．６ Ｋｂｐｓ，ＢＴ值为０．３

或０．５。

ＤＳＰ数字信号处理模块采用基于ＴＭＳ３２ＯＶＣ

５５０２ ＣＰＵ处理器核心的数字信号处理器，具 接收的多径信号，求取最优的判决解。在快速衰

有大规模集成性、稳定性好、精度高、可编

程性、高速性能、可嵌入性、接口和集成方

便等优点。

２．２采用大频偏ＧＭＳＫ信号的解调技术提高接

收ＡＩＳ信息目标数目

在ＡＩＳ数字接收机中，高斯滤波最小频移键

控ＧＭＳＫ是关键技术，它适用于快衰落信道，占

有较小的带宽，带外辐射小，对临近信道的干扰

小。ＧＭＳＫ采用高斯滤波器做调制前基带滤波器，

使基带信号成形为高斯脉冲，再进行ＭＳＫ（最小

移频键控）的调制。为了减少己调信号的频谱宽

度，可以减少高斯低通滤波器的归一化带宽ＢＴ（Ｔ

是比特宽度），根据仿真结果我们取ＢＴ的数值为

０．３或者０．５。

在进行ＧＭＳＫ信号解调时，由于各个船载

ＡＩＳ终端的信号发射和接收通道的频率均有误

差，这必将在接收机输出中引入较大的频偏。而

ＧＭＳＫ是频率调制信号，数据传输速率只有９．６Ｋ，

因此该信号的解调对频偏较为敏感，如何克服大

频偏对解调性能的影响并校正来自不同 Ｓ终端

的突发信号是ＧＭＳＫ信号解调的关键技术。本设

计在硬件上采用相干解调并配合软件的基于

Ｖｉｔｅｒｂｉ算法，针对大频偏和每次突发接收进行逐

次估计并校正频偏来提高频差容忍性能，从而提

高了接收ＡＩＳ信息目标数目。

２．３采用基于Ｖｉｔｅｒｂｉ算法的ＭＬＳＥ（最大似然序

列估计）检测实现ＧＭＳＫ信号的解调

数字信号在无线信道中传输，会受到噪声干

扰并导致误码，如何在有限的资源条件下降低信

道干扰解出正确的码字，是衡量ＡＩＳ数字接收机

优劣的重要依据【４Ｊ。

维特比（Ｖｉｔｅｒｂｉ）译码算法是一种针对卷积码

的最大似然译码算法。它将可能的路径组成网络

列。Ｖｉｔｅｒｂｉ译码算法的优点是在码的约束比较小

时，它比序列译码算法效率更高、速度更快，译

码器也更简单。

ＧＭＳＫ信号运用Ｖｉｔｅｒｂｉ算法的解调是一种顺

检测算法根据接收信号的信道影响和噪声的分布

特征，在静态信道下，可以得到接收信号的最优

解。这主要是因为ＭＬＳＥ检测算法可以充分利用

落信道中，通过跟踪信道的变化，求取发送的信

号，可以得到更好的结果。ＭＬＳＥ检测算法通过

对一段长度的接收信号使用ＭＬ（Ｍａｘｉｍｕｍ．

１ｉｋｅｌｉｈｏｏｄ）准则求取的，其数据长度主要受ＤＳＰ

计算能力限制。

ＭＬＳＥ是采用最大似然（ＭＬ）准则的检测算

法。其工作原理是：接收信号先通过匹配滤波器，

然后用速率采样，得到的离散序列再通过白化滤

波器，变成白噪声序列，最后进行序列估计。

ＭＬＳＥ检测算法中，可以采用Ｖｉｔｅｒｂｉ算法在每步

中选取最优的路径，通过序列估计的似然函数公

式ｒ（，）＝ｓ（ｔ，口）＋ （ｆ）（其中ｎ（Ｏ是高斯白噪声，ａ是

传输的序列），计算得出ＧＭＳＫ信号的解调递推

求解数据。

在实际通信条件下，由于ＭＳ数字接收机和

信道变化特性常常会产生较大的频率偏移，对信

号接收和解调性能带来较大影响，因此，对ＧＭＳＫ

各种解调方式在频率偏移情况下的接收性能进行

了仿真并比较了Ｖｉｔｅｒｂｉ算法解调、二比特差分解

调和一比特差分解调三者之间的系统增益。结果

显示，在误码率为１０ 时，Ｖｉｔｅｒｂｉ解调算法较二

比特差分解调算法可获得７ｄＢ的系统增益，

Ｖｉｔｅｒｂｉ解调算法较一比特差分解调算法有更大的

系统增益。从仿真数据上证明了基于Ｖｉｔｅｒｂｉ算法

的ＭＬＳＥ检测是ＧＭＳＫ信号解调的最佳算法，该

算法具有很好的抗噪声性能和很好的抗多径、抗

频偏性能。

２．４在ＭＳ数字接收机中实现１００ ｄＢ大信号动

态范围的调制

在ＭＳ数字接收机的设计中，为了尽量提高

６２ 机电技术 ２０１３年８月

收模块采用了抗干扰措施和两级ＡＧＣ的技术方

案，其中抗干扰滤波减少了干扰信号对动态信号的 ｒｅｓ高级数据链路控制规程）广泛应用于数据通信

影响，两级ＡＧＣ扩大了接收动态范围。超短波接

收模块的前置抗干扰滤波器的带宽为２ ＭＨｚ，插

入损耗为１．８ ｄＢ，模块的输出中频为２１．４ ＭＨｚ，

经过ＡＧＣ控制后输出的电平为一７ ｄＢｍ～ 制规程，其链路监控功能通过一定的比特组合所

一

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

领域，是确保数据信息可靠互通的重要技术【 。

ＨＤＬＣ规程主要由帧结构、规程要素、规程

类别三个部分组成。ＨＤＬＣ是面向比特的链路控

表示的命令和响应来实现，这些监控比特和信息 １３ ｄＢｍ，射频信号在一１ １２ ｄＢｍ时，中频输出信

比特一起以帧的形式传送并按位进行智能纠错。

根据ＩＳＯ／ＩＥｃ ３３０９标准规定的ＨＤＬＣ的基本

帧结构包括，起始标志、地址数据、控制数据、

信息数据、帧校验序列、结束标志。每帧的起始

和结束以“７Ｅ”（０１ １ ｌ １ ｌ １０）做标志，两个“７Ｅ”之间

为数据段（含地址数据、控制数据、信息数据 和

帧校验序列。

ＭＳ数字接收机在接收多路具有ＨＤＬＣ帧结

构的ＡＩＳ信息时，关键在于准确定位帧头和帧尾。

号的信噪比为１６ ｄＢ，可保证ＧＭＳＫ调制信号的

良好解调。

２．５在ＡＩＳ数字接收机中实现空中时隙状态的实

时监测

在ＡＩＳ系统中普遍采用ＳＯＴＤＭＡ（Ｓｅｌｆ－

Ｏｒｇａｎｉｚｅｄ ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ自组织时

分多址）技术实现彼此的通信，它是在时分多址方

式（ＴＤＭＡ）技术基础上发展起来的一种用于航海

的新型数字通信技术，是全球定位及通信系统的

核心。在ＳＯＴＤＭＡ技术中，信道时间被分为固

定长度的时间间隔。一帧包括一组时隙，跨度为

２ ｒｎｉｎ，所有数据链上的ＡＩＳ系统都易于接收和传

送信息。信息报告在数据链上可以根据传输情况

占有一个或更多的时隙。ＳＯＴＤＭＡ网络中各台站

为了保证信息帧不丢失并获取更多的目标信息，

本设计采用了多路ＨＤＬＣ按位智能纠错技术。即

帧校验采用ＣＲＣ算法，对除了插入的“零”以外的

所有数据进行校验。为了避免将数据中的“７Ｅ”误

为标志，在发送端和接收端要相应地对数据流和

根据先验知识和智能算法来确定其自身的发送时

间表而不需要主控台来对时隙进行分配，这样可

以尽量避开数据链路的冲突，并可以为新信息的

传送选择和保留时隙。

ＡＩＳ数字接收机通过实时监测Ｓ０ＴＤＭＡ网

络中的通信状况，监视一帧ＡＩＳ信息包中的时隙

使用情况，包括“空闲时隙、已使用时隙、未使用

时隙”等信息并输出到后端设备处理分析，根据

ＡＩＳ系统空中组网协议，能够将接收到的所有信

号包，依据其在空中所占时隙位置进行编号，实

现对空中时隙占用不标准的情况进行发现并迅速

定位，有效地提高我国主管部门对在用ＡＩＳ设备

的监测管理能力。

２．６采用多路ＨＤＬＣ按位智能纠错技术的ＭＳ

脱帧算法

帧校验序列进行“插零”及“删零”操作。同时在处

理ＣＲＣ校验有错的信息帧时，进一步处理

ＭＭＳＩ（Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｉｄｅｎｔｉｔｙ海上移动

通信业务标识）号和经纬度信息，判断是否超出了

编号范围和装备可侦察的地理空间范围。此外，

根据同ＭＭＳＩ号多点航迹的前后历史数据，判断

经纬度信息的有效性。这样从ＣＲＣ校验错帧中提

取部分可用的信息帧，使ＡＩＳ数字接收机在ＡＩＳ

协议处理上具有更强的容错能力，从而大大地提

高了目标信息利用率。

３结束语

ＡＩＳ系统在国际国内已全面投入使用，然而

国内对ＡＩＳ终端设备的研制还都停留在利用国外

专用芯片来实现，缺乏核心技术掌握。采用软件

无线电技术的ＡＩＳ数字接收机研制成功将填补国

内空白，产生巨大的经济和社会效益。

参考文献：

…李宇．ＡＩＳ在航海中的应用及展望［Ｊ］．科技创新导报，２０１１（１）：１６．

［２】张国平，廖任，刘明俊．ＡＩＳ系统在海事管理中的运用探讨［Ｊ］．交通科技，２０１ ｌ（３）：１５７—１５９

［３】曹悦．软件无线电技术及其应用前景［Ｊ】．无线电工程，２００６（４）：５８．６０．

【４张志刚．４］船载ＡＩＳ无线传输系统的软硬件可靠性设计【Ｊ］．电子质量，２００６（９）：３４－３６．

【５】刘岩俊，闰海霞．ＨＤＬＣ通讯协议中ＣＲＣ的应用［Ｊ】．电子测量技术，２０１０（３）：２１—２３．