文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172175
中文引用格式： 唐然，吳虹，程樹軍，等. 帶通采樣星載AIS非相干接收機的FPGA實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(1)：33-36.
英文引用格式： Tang Ran，Wu Hong，Cheng Shujun，et al. FPGA implementation of satellite based AIS non-coherent receiver with bandpass sampling[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(1)：33-36.
0 引言
AIS系統(tǒng)是一種船舶交通信息交換系統(tǒng)，船載AIS設(shè)備不斷發(fā)送自身信息，如航向、噸位等，用以領(lǐng)航調(diào)度、避免碰撞。隨著海運貿(mào)易的高速增長，迫切需要建立對大片海域船舶動態(tài)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，衛(wèi)星平臺因覆蓋范圍廣而受到重視。加拿大等國家相繼發(fā)射載有AIS信號接收設(shè)備的衛(wèi)星[1]。AIS系統(tǒng)采用高斯濾波最小頻移鍵控(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK)調(diào)制，可以通過相干方式或非相干方式解調(diào)。相干解調(diào)具有較好的抗噪聲性能[2]，但是需要準(zhǔn)確恢復(fù)載波頻率，而載有AIS設(shè)備的近地衛(wèi)星軌道高度一般在500 km左右，多普勒頻移可達(dá)±4 kHz，因此精確的載波恢復(fù)比較困難；非相干解調(diào)主要采用鑒頻器，從接收GMSK信號中提取頻率的變化信息，因此對頻偏不敏感且結(jié)構(gòu)簡單，在很多GMSK移動通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用[3-4]，如GSM。目前，AIS接收機射頻端多采用一級或二級下變頻方案[5-6]，這種方案使射頻前端硬件比較復(fù)雜，硬件成本高。鑒于AIS信號是窄帶信號，因此本文設(shè)計中對接收到的射頻信號直接帶通采樣，以簡化接收機硬件結(jié)構(gòu)。
本文主要工作如下：在Xilinx xc4vlx80 FPGA上設(shè)計了基于帶通采樣的AIS非相干解調(diào)軟件接收機，設(shè)計文件通過綜合映射后下載到FPGA中，以實際AIS信號源作為測試信號，通過嵌入式邏輯分析工具Chipscope在PC上觀察FPGA內(nèi)部信號來驗證設(shè)計，并給出了硬件資源消耗。
1 GMSK信號調(diào)制和非相干解調(diào)原理
AIS信號是GMSK調(diào)制信號，其調(diào)制和非相干解調(diào)過程如圖1所示。
發(fā)射端比特脈沖為：
比特流d(t)通過帶寬時間積(Bandwidth-Time product，BT)為BbTb的高斯濾波器進(jìn)行脈沖成型。Bb為高斯濾波器的3 dB帶寬，Tb為比特速率。高斯成型濾波器的沖激響應(yīng)為：
式中*表示卷積運算。最后通過電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換，形成調(diào)頻信號并調(diào)制到規(guī)定頻段發(fā)射出去。
對于非相干解調(diào)的接收機，首先將接收信號進(jìn)行正交下變頻，濾除高頻分量和帶外噪聲后得到基帶正交信號I(t)、Q(t)，再通過下式進(jìn)行頻率/電壓(F/V)轉(zhuǎn)換：
2 AIS接收機的FPGA設(shè)計
帶通采樣AIS非相干接收機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.1 帶通采樣率
AIS信號有A、B兩個發(fā)射頻點，分別為161.975 MHz和162.025 MHz，數(shù)據(jù)速率Rb為9.6 kb/s，帶寬不超過25 kHz，接收機射頻前端的帶通濾波器(Band Pass Filter，BPF)中心頻率為162 MHz，帶寬為250 kHz，因此可對BPF輸出射頻信號直接采樣。理論上ADC的帶通采樣頻率fS1只要滿足下式即可：
式中，B為BPF的帶寬，fH為采樣信號的最高頻率成分，[]表示取不超過該數(shù)的最大整數(shù)。采樣頻率越小，對FPGA的處理速度要求就越低。但實際系統(tǒng)中由于BPF過渡帶的緩變特性，一些邊帶噪聲不能被完全抑制，當(dāng)采樣頻率過小時，采樣得到的信號頻譜周期重疊次數(shù)過多，導(dǎo)致更多的噪聲疊加到有用信號上。因此，本系統(tǒng)采用的采樣時鐘頻率為fS1=24 MHz。帶通采樣后AIS信號中心頻率fC1可通過下式計算：
2.2 兩級數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)中FPGA和ADC共用時鐘源，F(xiàn)PGA系統(tǒng)主頻為fSYS=24 MHz。天線接收的AIS信號經(jīng)過低噪放和帶通濾波，再經(jīng)過14 bit ADC采樣后，輸入FPGA。輸入FPGA的AIS信號中心頻率fC1=6 MHz、采樣率fS1=24 MHz、帶寬為250 kHz。由于信號帶寬遠(yuǎn)小于采樣頻率，可以進(jìn)行下變頻和降采樣處理，以減輕后級處理壓力。首先將采樣信號與FPGA內(nèi)數(shù)控振蕩(NCO)IP核產(chǎn)生的位寬為10 bit、頻率fO1=6 MHz的正弦信號進(jìn)行混頻，再通過數(shù)據(jù)位寬為16 bit、截止頻率為100 kHz的51階低通濾波器，濾除高頻成分；再對低通信號進(jìn)行48倍降采樣，得到的數(shù)據(jù)速率為500 kHz、中心頻率為±25 kHz(A、B兩個發(fā)射頻點)的AIS信號；再將該信號與NCO產(chǎn)生的位寬為10 bit、頻率fO2=25 kHz的正弦信號進(jìn)行混頻，再通過數(shù)據(jù)位寬為16 bit、截止頻率為25 kHz的51階低通濾波器來濾除高頻分量，得到包含多普勒頻偏(小于4 kHz)的基帶正交信號。
采用這種兩級下變頻的好處，除了可以降低采樣速率，減輕FPGA處理壓力外，還可以減少邏輯資源消耗。如果對采樣率為fS1=24 MHz的信號直接進(jìn)行正交數(shù)字下變頻，由于混頻后的FIR低通濾波器驅(qū)動時鐘頻率(即系統(tǒng)主頻fSYS=24 MHz)和輸入濾波器的混頻信號數(shù)據(jù)速率(即采樣率為fS1=24 MHz)相同，那么FIR濾波器IP核經(jīng)過綜合后，需要26個乘法器。而正交下變頻需要兩個低通濾波器，因此共需要26×2=52個乘法器；采用兩級下變頻方案時，一級混頻后的濾波器同樣需要26個乘法器，降采樣后，輸入濾波器的混頻信號數(shù)據(jù)速率降為fS2=500 kHz，而驅(qū)動時鐘不變，仍為fSYS=24 MHz，因此在輸入一個數(shù)據(jù)的周期內(nèi)，最多可以復(fù)用該乘法器fSYS/fS2=48次，大于51階FIR濾波器所需要的26個乘法器，所以正交下變頻后的濾波器經(jīng)綜合，僅需1個乘法器即可，如圖3所示。兩級下變頻中需要3個低通濾波器(如圖2所示)，然而需要的乘法器個數(shù)僅為26+1×2=28個。
2.3 數(shù)字鑒頻以及后檢測濾波
對正交下變頻得到的基帶正交信號進(jìn)行式(6)所示的數(shù)字鑒頻操作，提取頻率信號。數(shù)字鑒頻器的硬件主要由延時模塊、乘法器、除法器、加法器和減法器構(gòu)成。由于理論上數(shù)字鑒頻是非線性操作，對噪聲十分敏感，輸出中會包含高頻的噪聲分量，因此有必要對鑒頻器輸出進(jìn)行后檢測低通濾波。圖4是在MATLAB中，仿真采用不同截止頻率的低通濾波器時AIS解調(diào)的誤碼率曲線，橫坐標(biāo)為信號功率和噪聲功率比值。由圖中可以看出，低通濾波器的截止頻率Bo為0.4Rb(Rb為AIS比特速率)時，誤碼性能最好。因此，F(xiàn)PGA中后檢測濾波的帶寬設(shè)為0.4Rb=0.4×9.6 kb/s=3.84 kHz。
3 AIS信號解調(diào)實際測試
在Xilinx開發(fā)環(huán)境ISE13.2中設(shè)計AIS接收機各模塊，將設(shè)計好的模塊進(jìn)行綜合、映射、布局布線，生成下載文件。并調(diào)用Chipscope嵌入式邏輯分析儀IP核，通過JTAG仿真器來連接FPGA和PC，以便實時觀察FPGA內(nèi)部信號。利用實際AIS信號源作為測試信號，用同軸線將AIS信號源輸出連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9246輸入，帶通采樣信號讀入FPGA進(jìn)行解調(diào)。觀察到各級信號如圖5所示。在圖5(d)中可以看到A、B兩個不同頻點AIS信號的24比特位同步序列00110011…0011以及幀起始標(biāo)志01111110。設(shè)計所占用的Slice數(shù)為231，僅占總資源數(shù)的1%。
4 結(jié)束語
本文根據(jù)GMSK信號的非相干解調(diào)原理，在Xilinx FPGA上設(shè)計了帶通采樣的AIS非相干接收機，利用AIS窄帶信號的特點，采用兩級下變頻方案，將數(shù)據(jù)速率降至合理范圍，減輕FPGA處理壓力，同時也大大減少了低通濾波器對硬件邏輯資源的消耗；在MATLAB中進(jìn)行了AIS解調(diào)的理論仿真，設(shè)置了一個最優(yōu)的數(shù)字鑒頻后檢測濾波器截止頻率，以抑制實際環(huán)境中的噪聲干擾；最后在硬件系統(tǒng)上對設(shè)計的接收機進(jìn)行了測試，并觀察到解調(diào)出的A、B兩個頻點的基帶信號。該設(shè)計消耗的邏輯資源不到器件總資源數(shù)的1%，可以為AIS接收機小型化、批量化生產(chǎn)提供參考。
參考文獻(xiàn)
[1] 潘寶鳳，梁先明.星載AIS接收系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2011，51(5)：1-5.
[2] ISHIZUKA M，YASUDA Y.Improved coherent detection of GMSK[J].IEEE Transactions on Communication，1984，32(3)：308-311.
[3] SIMON M K，WANG C C.Differential versus limiter-discriminator detection of narrowband FM[J].IEEE Transactions on Communication，1983，31(11)：1227-1234.
[4] ELNOUBI S M.Analysis of GMSK with discriminator detection in mobile radio channels[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，1996，35(2)：71–76.
[5] 王浩軍，劉篤仁.AIS系統(tǒng)中VHF數(shù)傳電臺接收系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用，2008，10(8)：36-39.
[6] 王祥杰.AIS接收機射頻前端電路的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連：大連海事大學(xué)，2014.