基于模糊函数的AIS信号码元序列估计算法研究

船舶 自动识别系统 (AIS)作为-种新型的助航系统，因其具有在船舶之间自动进行船舶信息交换和船舶识别的基本功能，从根本上提高船舶航行安全，提高船舶交通管理系统的服务水平和监控能力。在各种信号密集的环境中，船舶 自动识别系统需要有效地对 AIS信号码元序列进行估计，然后根据协议对信号进行信息恢复，所以对 AIS信号进行码元估计具有重要意义。

由于 AIS信号作为-种调制信号，所以以往对 AIS信号的信息恢复，都是采取先解调后信息恢复的算法。例如文献[1 3]用维特比解调算法，文献[4～6]用差分解调算法等，这些算法大多比较复杂，且都没充分利用 AIS信号丰富的先验信息。本文利用 AIS信号波形部分己知的先验信息，可以对 AIS信号的起始时刻、频偏、幅度等参数进行有效估计，进而估计出AIS信号的码元序列。

2 AIS信号特征2.1 AIS信号的时隙结构AIS采用严格的协调世 界 时 (Universal TimeCoordinated，UTC)时 间上升沿 l训练序列 l开始标志8bits I 24bits I 8 bits数 据168 bitsFCS l结束标志 l 缓冲16bits I 8biis I 24bits信息 。l用户 。l消息I图 1 时隙结构同步，以自组织时分多址 (SOTDMA)方式广播船舶信息，AIS工作频率为 VHF波段 CH87B/88B频道两个信道，即为 161.975MHz和 162.025MHz，信道码元传输率为 9.6kbps，每分钟 1帧数据，每帧划分为 2250个时隙，每个时隙为 26.67ms，亦即每时隙对应 256bit，为-个报文。每时隙传输的时隙结构7如图 l所示。

· 上升沿时间：8bits，施加射频电源时间，主要是为发射机启动提供时间。

· 训练序列：训练序列是由相互交替的 0和 1组成 (01010101)，总共 24位，发射在开始标志之前，本文中把发送同步序列的时刻定义为 AIS信号的起始时刻。

· 开始标志：8bits(01111110即 7E)，用来检查数据包的开始 。

· FCS校验：FCS(帧校验序列)使用的是 CRC (循环冗余校验)∩以用来判断估计的码元是否正确。

· 结束标志：结束标志同上述的开始标志，8bits(O1111110即 7E)。

收稿日期t 2011-11-03 修订 日期：2011-12-08基金项目t国家自然科学基金项目资助 (61171170)第 2期 闵永生等：基于模糊函数的AIS信号码元序列估计算法研究 87· 缓冲：缓冲部分通常 24bits。

2.2 AIS信号的调制样式AIS信号调制样式为高斯最小频移键控 (GMSK)，-般 GMSK调制信号的波形[ ]通常表示为- (f)1/ cos[2nf (f) ] (1) Vb其中是 载波频率， 是-个码元宽度 内的信号能量， 为信号初相位， (f)是载波相位，其具体表达式为)2砌 -，击 专 [盖( -讣e (吲]/ 2(2)(3)(4)(5) i 训练序列 开始标志其中调制指数 h0.5， 为发送信号的码元序列，ak±1，g(f)是高斯滤波器对单位矩形脉冲Rect(t)的响应函数，B为高斯滤波器的 3dB带宽，三为矩形脉冲响应长度，当 0.4时，L3。

将式 (4)代入式 (3)得q(t1空闲NRZI空闲 r]r]r.]r]r]r] 厂图 2 训练序列、开始标志及其 NRZI编码0 1 t专 - ㈤0.5 f> ±由AIS信号的特征可以知道，对于任何-个 AIS信号，它的同步序列和起始序列是己知的，如图2所示，又因为AIS只有两个己知的工作频率，也就是说对于任何-个 AIS0 5∞ 1000 1500 2000 箱 00 30O0 35o。

图 3 AIS信号波形信号，可以认为它有部分波形是已知的，不妨称这段信号为样本 AIS信号。图 3为用 MATLAB仿真- 段工作在 88b上的单位幅度的样本 AIS信号。

3 算法描述3.1 基于模糊函数的 AIS信号起始时刻与频偏联合估计模糊函数是对雷达、通信等信号进行分析研究和波形设计的-种十分有效的工具。当雷达把-般目标视为 点”目标时，回波信号的波形与发射信号相同，但是有不同的时延 和不同的频偏 ，这就使模糊函数成了雷达信号匹配滤波输出对 、.店的二维响应。-般情况下，模糊函数的定义为R( ，Z"d)Ix(t)So(t-rd)exp(-j2nfat)dt (7)- ∞ 而对于 AIS信号而言，把接收机接收到的信号当做回波信号，用己知的 AIS样本信号对接收到的AIS信号进行时频二维模糊，并做归-化处理，则式 (7)的离散形式可写为88 电路与系统学报 第 l8卷∑x(t.)so(t -rd)exp(-j2rcfat.)r( ，Z"d) ------ ------ (8)V0当样本信号在时延、频偏上与接收信号都完全匹配时，在时频二维模糊图上得到相应的最大峰值。

由于 AIS样本信号的特殊性，此时信号的时延就是 AIS信号的起始时刻。根据这-原理，模糊图可以直观地反映出AIS信号的起始时刻与频移，即r( ， )maxr(fa， ) (9)Jd，d可知，模糊图的最大峰值max ( ， )对应的 、 即 AIS信号的起始时刻估计 、频偏估计 。

而此时模糊图的最大峰值也就是接收到的 AIS信号的幅度估计，即Amaxr(fa， )) (10)3.2 基于模糊函数的码元序列估计模糊函数反映的是样本信号和接收信号的波形匹配关系，波形越匹配模糊函数的峰值就越大。本节利用这-思想可以估计出AIS信号的码元序列。

假设 Ⅳ为信号的码元长度 (-般N248，这里不考时隙结构中上升沿时间所占前 8比特)，c 为第 个码元值，把同步序列的第-个码元记为cI，则码元状态值C1，C：，c，，，C3：)己知。AIS信号可以用(c ，c ，c，，，c， )表示，由于 AIS信号发送的码元有两种状态值：0，1，即M位码元的对应的信号波形有2 种形式，将所有的组合与观测值 (f )， n ≤r f(nM-1)Tb模糊相关，可得：r(c ，c川，，c删)∑x(t - ) ，c ，，c )exp(- 2 f 、" Il( 1，2，，2 33，34，，248-M)由于信号的起始时刻与频偏都已经估计得到，即式 (11)中的 和 都是已知的，所以式 (11)反映的不是模糊函数的二维谱，而是二维谱中的谱峰值。只要对 位码元的对应的2M个信号波形分别模糊相关，并求谱峰值，并进行比较就可以得到码元序列的估计。下面分别介绍三种估计方法：(1)直接估计位码元，即 推位 码 元 Cn，Cn巾，C )的 参 考 信 号 样 本 集 共 2M个 ，将 所 有 的 组 合 样 本 与 观 测 值 (f )，f，z t f(nM-1)Tb)模糊相关 ，将谱峰值最大的组合做为当前 M 位码元的状态估计值 ， ，，色 。。即rl l l16川，， 删 maxI∑ (f - ) ，c川，，c )exp(-j2rfdt )I l (12) U”， lJ令，z，2M，依次类推，直至估计出整个码元序列 ， ：1，2，，N。

可以看出当 增大时，待估计的码元组合的个数成几何倍增加，带来的庞大的计算量，不宜实际运用，所以基于第-种方法的思想提出第二种方法。

(2)基于已知的M-1位码元估计下-位码元状态值，即M推 1。

对于-个 AIS信号，前 32位码元的状态值 cl，c：， ，，c3：是已知的，所以可以用 己知码元和要估计的码元组合，减小估计码元组合的个数。用已知的M-1位码元和待估计的下-位码元c 组合，组合的个数只要两种。

假 定 C 1时 ， 利 用 Cn-Ml C - ，C )M 位 码 元 的 参 考 信 号 样 本 集 与 观 测 值 (f )，f” f f(nM-1)Tb模糊相关，即I I l l∑ ( - ) ，c ，， )exp(-j2ztfJ.)I J (13) 1I假定C 0时，进行模糊相关，即第 2期 闵永生等：基于模糊函数的 AIS信号码元序列估计算法研究 89 I∑ ( - ) ( CnIC%CnM)exp(-j2erfdt.)l J (14) c ：0I判断决定 C 的取值：比较 、 的比值。

令 1，依次类推，直至 M，进而估计出整个码元序列 ， 1，2，，N。

考虑到 AIS信号调制时关联长度 L3，即当前时刻的信号的相位状态与下-码元值相关，所 以这种推 1定 1的方法缺乏准确性，基于此种方法又提出推 2定 I的思想。

(3)基于己知的位码元估计下-位码元状态值，即 推 2定 1，M 3基于已知的M-2位码元状态值，向下递推下两位的码元状态值，但只确定相邻那位的码元状态值，第二位的码元状态值暂不定，即利用- - M ， 共 位码元的参考信号样本集与观测值 ( )， " ( M-1)Tb)模糊相关。贝0rl I 1] m axf∑ ( - ) ( ，c ，，CnM-I)exp(-j2rcfat，)f fi1，2，3，4 (15) U J令 n1，依次类推，直至，2M，进而估计出整个码元序列 ， 1，2，，N。

4 实际AIS信号的码元估计实验实验采用的数据均为在空旷处实际环境采得的，采样率为 50M。下面就对- 个实际采样得到的信号进行参数估计和码元序列估计。

步骤-：前期预处理。由于接收到的信号采样率过高，而且噪声污染严重，所 以要对信号进行滤波、抽娶再滤波的前期预处理，然后对其进行周期图法功率谱估计。

图 4(a)是未作任何处理的原始信号，可以看出含有较多噪声，而且数据(a)原始时域波形 (b)滤波盾时域波形0 01 0 02 0 03 0 04 005 0 06 007频率：MHz比较长，不宜下-步处理；图 4(b)是进行滤波、1/so倍抽娶再滤波后的信号，可以看出信号已经比较纯净； 。

图 4(c)是直接对处理后的信号做傅里叶变换，从图中基 粤本可以估计信号的载频，该信号经过抽润信号的载频 。

约为 0.025M；图4(d)是先对信号平方处理后再傅里叶变换，从图中可以看出信号的功率谱出现了明显的两个峰， (d]平方预处 警的傅量叶变 04 理盾 lI图4 前期预处理图5就是 AIS信号的二维模糊图，可以看出模糊图上最大谱峰所对应的频率和时延就是接收到的AIS信号的频偏和起始时刻的估计值，即 OHz，f142.81Tb， 为码元宽度。

步骤三：码元序列估计。信号的准确载频和起始时刻估计出后，采用码元估计的第三种方法，即推 2定 1的思想，对 AIS信号的码元序列进行估计。

电路与系统学报 第 18卷图 6(a)是该 AIS信号的估计出的码元比特流，把估计出的比特流先进行 NRZI解码、去填充位，再进行 CRC校验，判断估计的码元是否正确，最后再每 8bit进行反转，就可以得到 AIS信号的码元序列，图6fb1就是估计出的码元序列。由于估计出的序列通过了 CRC校验，所以用该方法估计出的码元序列没有误码，就可以很据 AIS信号的协议提取该信号包含的船舶状态信息。

5 结束语1 510 500 51 510 500 50.0 50针对 AIS信号的码元序列估计问题，本文提出了-种基于模糊函数的码元序列估计算法，该算法不需要对 AIS信号进行解调，就可以非常准确的估计出AIS信号的码元序列，上平台方面的应用已经非常广泛，因此本算法在 AIS的工程应用fa)AIS'信号码元比特流1JIHIJSt IA： 10o 150 200(b)AIs信号码元序列图 6 AIS信号码元序列估计没有误码且运算量校AIS系统在海具有实际价值。