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《中國測試雜志》2014年第三期

1工作原理

1.1基于VSA的AIS信號捕捉捕捉信號的方法有多種，示波器可以捕捉AIS信號，但是捕捉的是射頻信號，采樣頻率高，數(shù)據(jù)量巨大，具有一定的復(fù)雜性。VSA軟件擁有先進(jìn)的通用和標(biāo)準(zhǔn)工具，可進(jìn)行信號頻譜測量、信號調(diào)制和時域表征，自動對捕捉到的數(shù)據(jù)進(jìn)行下變頻，將射頻信號變換為基帶信號，大大降低了數(shù)據(jù)量，便于快速解碼和指標(biāo)計(jì)算等后續(xù)運(yùn)算。但是VSA無法解調(diào)具有NRZI編碼的GMSK信號。基于VSA采集的數(shù)據(jù)量小的特點(diǎn)，可將VSA捕捉的信息保存下來，然后調(diào)用用戶程序進(jìn)行AIS數(shù)據(jù)解碼和相關(guān)檢測指標(biāo)的計(jì)算。捕捉信號的方法如下：在VSA軟件中設(shè)置記錄數(shù)據(jù)的時間長度、點(diǎn)數(shù)、中心頻率、觸發(fā)電平等參數(shù)，打開船臺使其工作在自主模式，等待船臺發(fā)送信號。信號到來時VSA自動記錄船臺信號，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效捕捉。由于VSA提供可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令，該部分可以程控實(shí)現(xiàn)。

1.2數(shù)據(jù)解碼與bit定位

1.2.1GMSK解碼GMSK調(diào)制信號是在MSK調(diào)制信號的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由于GMSK具有優(yōu)良的功率譜特性（功率譜旁瓣快衰減特性），在對信號頻帶嚴(yán)格限制的各種數(shù)字通信領(lǐng)域尤其是VHF和UHF頻段的移動通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。ais系統(tǒng)就是采用GMSK調(diào)制方式[6]。GMSK解碼的方式有多種，主要包括相干解調(diào)和非相干解調(diào)。非相干解調(diào)主要有維特比解碼和差分解碼。由于是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行信號捕捉，所以不需要考慮AIS信號的時延和多普勒頻偏問題，采用常規(guī)的2比特差分解調(diào)[7]可有效解碼。

1.2.2NRZI解碼AIS數(shù)據(jù)編碼采用NRZI編碼。在NRZI編碼方式中，當(dāng)信號碼元為“1”時表示不出現(xiàn)電平變化，將保持前一碼元狀態(tài)不反轉(zhuǎn)，為“0”時表示電平發(fā)生變化，對前一碼元狀態(tài)作反轉(zhuǎn)。在解碼時，若當(dāng)前碼與前一碼相同解碼為“1”，當(dāng)前碼與前一碼不同時為“0”，則可解出原碼。

1.2.3首bit位置的確定首先根據(jù)VSA截取數(shù)據(jù)的總個數(shù)以及數(shù)據(jù)時長，得到采樣時間Ts，然后根據(jù)采樣時間與碼元速率得到采集到的數(shù)據(jù)碼元個數(shù)為N=[Rb×Ts]，其中[x]表示對x取整。記錄在第N1個碼元出現(xiàn)AIS報文起始標(biāo)志[8]“01111110”，在第N2個碼元出現(xiàn)結(jié)束標(biāo)志“01111110”。根據(jù)AIS報文結(jié)構(gòu)，在開始標(biāo)志前有24Bit組成的訓(xùn)練序列，故船臺報文的第一個Bit序號是N0=N1-24+1=N1-23。由于AIS系統(tǒng)的信道傳輸速率Rb為9600b/s[9]，一個比特?cái)?shù)據(jù)時間長為1/Rb，則檢測的起始時刻位置為N0/Rb。

1.3信號的特性分析計(jì)算

1.3.1時間頻率特性分析船臺發(fā)射的是GMSK調(diào)制信號，接收端接收的信號一般可表示為時間頻率特性主要是分析船臺的調(diào)制性能，而載波頻率是一個常數(shù)，因此分析時頻特性也就是分析信號的相位變化率性能，表現(xiàn)為時間-頻率的關(guān)聯(lián)關(guān)系，定義為在實(shí)際的船臺檢測時，經(jīng)VSA捕獲的船臺信號為去載波后的基帶采樣信號，用離散信號的差分代替連續(xù)信號的微商，即：

1.3.2發(fā)射機(jī)輸出功率隨時間函數(shù)特性由于VSA捕獲的基帶信號的同相和正交分量可以表示。

2船臺檢測方案

2.1檢測指標(biāo)

2.1.1發(fā)射機(jī)時間頻率特性檢測時間頻率特性檢測是檢測發(fā)射機(jī)發(fā)射的經(jīng)過GMSK調(diào)制的信號在不同比特位對應(yīng)的頻率是否符合國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，檢測指標(biāo)要求如表1所示。

2.1.2發(fā)射機(jī)輸出功率隨時間函數(shù)特性檢測發(fā)射機(jī)時間功率特性是指船臺發(fā)送信號的發(fā)送啟動和釋放時間與信號功率之間的對應(yīng)關(guān)系。檢測指標(biāo)如表2所示。

2.2檢測方案由于成品船臺在啟動發(fā)射信號時并沒有向外部輸出一個同步電信號，造成無法與檢測儀器達(dá)到時間上的同步，因此從絕對時間來測試上述兩個指標(biāo)所獲得的起始位置是不準(zhǔn)確的。由于AIS系統(tǒng)是以自組織時分多址（SOTDMA）協(xié)議為核心技術(shù)[10]，該技術(shù)將時間分成若干幀，一幀為1min，每一幀又分成2250個時隙，則每個時隙長為22.67ms，AIS系統(tǒng)的信道傳輸速率為9600b/s，每個時隙為256（bit）。因此可以將信息的比特位與時間關(guān)聯(lián)起來，通過判斷AIS信息的比特位來確定起始時刻位置。設(shè)計(jì)可行的檢測方案如下：首先利用VSA軟件獲取船臺發(fā)射的AIS信號；然后將截取的數(shù)據(jù)載入計(jì)算機(jī)對該GMSK信號進(jìn)行解調(diào)并做NRZI解碼；再根據(jù)AIS信息報文的結(jié)構(gòu)，對解調(diào)后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行比特位的位置確定；計(jì)算具體比特位上的功率和頻率偏移；最后根據(jù)指標(biāo)要求，衡量所測AIS信號是否達(dá)標(biāo)。

3檢測結(jié)果

選取CS-B類船臺作為檢測對象，首先連接檢測儀器如圖1所示，將船臺的VHF天線口和頻譜儀的射頻輸入口通過傳輸線相連接，以獲取船臺發(fā)出的AIS信號，中間連接衰減器來防止由于船臺發(fā)出的信號功率過大而造成對檢測儀器的損害。頻譜儀內(nèi)裝有VSA軟件以進(jìn)行數(shù)據(jù)的截取。打開船臺，讓其工作在自主模式后截取信號，利用USB設(shè)備將捕獲的數(shù)據(jù)傳入到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行后續(xù)處理。圖2為檢測實(shí)物圖。根據(jù)VSA讀取數(shù)據(jù)的個數(shù)以及采樣間隔，可知采樣時間Ts約為32.5ms，因此數(shù)據(jù)包括312個碼元，在第73個碼元處開始出現(xiàn)AIS報文起始標(biāo)志“01111110”，在第257個碼元處出現(xiàn)AIS報文結(jié)束標(biāo)志“01111110”。故CS-B報文的第一個比特序號是50，則對應(yīng)的起始時間為5.208ms。利用Matlab對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，求群延遲的波形如圖3所示。圖中標(biāo)記部分為表1中對應(yīng)的常規(guī)和極端條件下的頻率范圍，可以看出有部分頻率超出常規(guī)條件下的頻率要求，但是超出范圍有限且幅度較小，基本符合指標(biāo)要求。圖4是利用Matlab對采集的數(shù)據(jù)計(jì)算時間-功率波形圖。圖中標(biāo)記部分為表2中對應(yīng)的功率范圍。可以看出該船臺的時間功率特性基本符合指標(biāo)要求。

4結(jié)束語

本文針對發(fā)射機(jī)時間頻率特性和時間功率特性的檢測方法無法準(zhǔn)確確認(rèn)AIS信息的第一個比特發(fā)送時刻的問題，提出了對截取的AIS信息解碼，并利用AIS信息結(jié)構(gòu)對第一個比特位置進(jìn)行確認(rèn)，根據(jù)比特位置對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量的方案。首先利用VSA軟件進(jìn)行船臺信號捕捉，得到信號數(shù)據(jù)后，通過在Matlab環(huán)境下進(jìn)行計(jì)算仿真，從而得到對應(yīng)比特位的頻率和功率信息，比對指標(biāo)要求得到檢測結(jié)果，更準(zhǔn)確地完成了對船臺指標(biāo)的檢測，具有一定的可靠性。

作者：孟鑫郭鑫宮銘舉王艷單位：天津理工大學(xué)