基于同步序列的AIS信号简化采样判决法

王 佩，陈 萍，方 莉

(北京邮电大学信息与通信工程学院，北京100876)

0 引言

随着无线通信的发展，数字信号传输已成为当今信号研究的热点。采样判决方法是数字信号传输系统中的一个重点问题，选取不同的采样值将直接影响到判决的结果，即直接影响解调系统的性能。文献［1］提出在数字信号传输过程中，若仅对接收信号的直接鉴相输出进行简单的门限判决或积分判决，在一定程度上限制了系统整体性能的提升。

利用全采样判决法可得到系统的最优性能，但该方法需要对系统的每个样值点进行判决分析，计算量及可行性很差。针对全采样判决算法存在的不足，提出了一种样值同步采样判决简化算法寻找最佳采样点，利用同步序列优先确定采样位置进而对信号采样判决，在不降低系统性能的前提下尽可能降低算法实现的计算复杂度以及硬件设计的繁琐度，提高采样判决算法的实用性。

1 星载AIS信号分析

根据GB/T 20068－2006标准规定，AIS系统采用帧概念，即采用帧结构传输数据信息［2］。

每帧信息由256 bit信息组成，其中上升阶段8 bit，同步序列 24 bit，开始标志 8 bit，数据 168 bit，循环冗余码校验16 bit，结束标志8 bit，缓冲24 bit。

针对星载AIS数字信号在无线信道中传输时会受到噪声以及干扰的特点，系统采用带外辐射小、频谱利用率高的GMSK(高斯最小频移键控)调制［3］，同时在接收端采用1 bit差分解调［4］。根据文献［5］可知，星载AIS信号采用4样值取样为数字信号并经NRZI变换、GMSK调制后进行发送，利用改进简化的1 bit差分解调，将IQ两路分别延时和另一路未延时的信号相乘再相减，得到相角差分的近似值，公式如下:

文献［5］提出的改进算法由于没有arctan函数的值域限制不会产生毛刺，得到的波形更有利于判决，以下所阐述的采样判决方法均在此基础上进行验证说明。

2 采样方法

与模拟调制技术相比，数字调制技术有更好的抗噪声能力、更强的抗信道损耗、更容易复用各种不同形式的信息(如语音、数据和视频图像等)以及具有更好的安全性［6］，因此系统采用4倍采样将AIS模拟信号转换为数字信号进行处理。由于每比特信号采用4个样值表示，采样时采取不同位置的样值点对判决产生直接的影响［7］，为了减小误码率与误帧率，选取合适的样值点至关重要。

星载AIS是指将船舶发送信号经卫星天线接收后在卫星上进行解调显示的过程，船舶产生的AIS调制信号经上变频后通过船舶天线发送，卫星天线将接收到的AIS调制信号下变频至基带信号进行处理［6，8，9］。因此待处理 AIS 基带信号［10］中包含高频噪声，在差分解调后，需通过低通滤波器滤除高频噪声。经过低通滤波器的信号波形如图1所示。

图1 差分解调样值分布

图1中利用不同的标识代表1～4号样值点，当样值点大于0时判决为1，当样值点小于0时判决为0，虚线表示原信号序列波形。由图1可以明显地看出，解调后的样值点分布与原序列相比，存在样值错位的问题。

2.1 全采样判决法

全采样判决法是指将每比特中的4个样值分别进行采样判决，选择误码率最小的信号作为最终判决结果，而不是仅选取其中一个采样点进行判决，因此该方法能得到最优判决结果，其流程图如图2所示。

图2 全采样判决法流程

由图2可以看出，全采样判决法对每比特信号的所有样值点都进行判决，然后对所有判决出的序列进行CRC校验，选取其中误码率最低的序列作为判决输出信号。

全采样判决法原理简单，由于样值点全部进行采样判决，不存在因为选取采样点错误造成的误码问题，性能最佳。但是操作繁琐，增加了硬件设计的复杂度，实用性不强。

2.2 样值同步法

基于全采样判决法提出了一种基于帧同步序列的样值同步采样法，在全采样判决法的基础上，增加了一个样值同步模块，通过该模块可优先确定采样点位置进而对信号进行判决，如图3所示。

图3 全采样判决法

解调信号经LPF滤除噪声后，利用全采样判决法对前32 bit位(24bit同步序列+8 bit开始标志)采样判决，锁定误码数最少的采样位置，选取该采样位置的样值点对全部256 bit信号进行判决。

样值同步采样判决法与全采样判决法的不同点在于该算法利用32 bit位进行全采样判决寻找最佳采样点，而不是直接对256 bit信号进行全采样判决。因此该方法使系统的判决次数大幅度减少，硬件设计简单，系统性能较优。

3 仿真结果及性能分析

卫星信道影响因子中，多普勒频偏(Doppler)及时延(Delay)对星载AIS系统影响最大［8］。在仿真中，信道采用随机产生0～4 kHz的频偏及0～80 bit的时延，根据GB/T20068－2006规定的数据分组格式随机产生500 000 个 AIS 帧信号［2，11］。

在简化差分算法上验证全采样判决法与样值同步采样法的性能。仿真信噪比设置为0∶2∶20 dB，实际AIS系统要求信号信噪比应大于15 dB［12］。

全采样判决法与样值同步采样判决法的误码率和误帧率曲线对比如图4和图5所示。在不同信噪比下，2种算法判决得到一帧信号所需的平均判决次数如图6所示。

由图4和图5可以看出，样值同步法与全采样判决法相比，误码率性能不会降低，在信噪比大于15 dB情况下，系统误帧率能达到10－2。由图6可以看出，利用样值同步算法，在信噪比大于15 dB的情况下，只需1～2次就能找到最佳采样点，大大减低了运算量，提升硬件解调速度。

图4 同步采样与全采样误码率对比

图5 同步采样与全采样误帧率对比

图6 同步采样与全采样判决次数对比

4 结束语

基于同步序列的AIS信号简化采样判决算法利用AIS信号同步序列优先确定采样点位置，在不降低误码率的前提下减少了对信号的判决次数。设计方法简单，易于硬件实现，大大降低了硬件复杂度。该算法适用于对数据信号前有训练序列的数字信号进行判决。

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［3］陈 旗，杨允军，宋士琼，等.GMSK信号的非相干解调技术研究［J］.航天电子对抗，2007，23(1):58 －61.

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［6］吴团锋，杨喜根，李际平，等.一种基于FFT的联合帧同步和频偏估计算法［J］.电子与信息学报，2006，28(5):840－843.

［7］张兆晨.自动识别系统(AIS)相干解调技术研究［D］.南京:南京理工大学，2012:6－28.

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