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新中华抗战风云录:AIS地面测试系统设计概要

时间: 2018-12-11阅读:

摘 要

星载AIS系统通过对可视范围内的船舶信号进行监听和解调,并将解调后的信息打包下传至地面站,为海洋管理及船舶运营提供了大范围、高效率的状态数据。AIS分系统接收机主要实现对船载AIS信号的实时捕获和数据解调功能,为完成对AIS分系统接收机的综合测试,进行AIS地面测试系统信号源的研制。AIS地面测试系统信号源主要任务是通过对低轨卫星、船舶状态等的仿真和维持,依据国际电联无线电通讯部门ITU-RM.1371-5建议书规定的通信协议实时生成仿真数据、通信帧并模拟生成AIS信号,从而对AIS星载接收机功能和性能进行评估。

【关键词】星载AIS 测试系统

星载AIS系统通过低轨道卫星接收海面船舶发送的AIS信号,解码后转发给相应地球站,从而监督管理远海域中航行的船只。然而存在一些问题:

(1)由于卫星运行速度快,接收到的来自海面的AIS信号有较大的多普勒频偏;

(2)由于卫星观测范围广阔,卫星天线将会同时接收多个独立海面区域发来的船只信号,造成信号冲突,若直接放弃解调冲突信号,会大大降低星载AIS系统性能。由于AIS信号在卫星接收端的冲突不可避免,因此需要搭建AIS测试系统,以便对冲突信号的解调算法进行研究。

1 总体设计方案

1.1 系统组成及原理

AIS地面测试系统信号源由三部分组成,分别为上位机主控软件、基带信号处理板、射频通道模块如图1所示。

信号源主控软件主要由通信模块、界面显示模块、轨道及场景运算模块构成。通信模块负责主控软件与基带信号处理板中运行的ARM软件的以太网通信功能;界面显示模块负责信号源主控软件的主体框架并提供图形化用户接口界面;轨道及场景运算模块则负责完成卫星轨道计算和所模拟的海面终端场景计算。

基带信号处理板的核心处理器件为ARM和FPGA。

其中,ARM软件负责:

(1)与主控软件的网络通信接口,接收并解析卫星轨道数据、场景终端数据、用户配置数据,反馈信号源当前的运行状态和硬件设备状态等基础信息;

(2)根据协议的要求产生基带AIS帧数据;

(3)根据不同的工作模式对FPGA进行配置。

FPGA软件负责完成:

(1)GMSK信号调制;

(2)信道特性调制;

(3)主用通道信号与碰撞通道信号的合成;

(4)信号自环接收解调验证。

FPGA调制产生的GMSK信号送至ADC芯片转换和发射,经过射频通道模塊进行滤波和功率调整后发射输出。射频通道模块的工作模式由ARM通过串行总线进行控制。此外,设备提供一路备用发射通道,直接输出DAC原始信号。

1.2 工作模式设计

信号源主控软件根据卫星轨道、海面终端分布及卫星天线方向图等约束条件在一定可视范围内选择船只终端,并将所选终端信息(含基带数据信息和信道特性信息)通过网口发送给ARM。ARM解析收到的数据包,并且进行时隙分配,通过EIM总线将数据打包发送至FPGA。

正常场景模式的工作流程见图2。其中,矩形框过程在上位机主控软件中完成,平行四边形框过程在ARM软件中实现,圆形框过程在FPGA中实现。

1.3 仿真模块设计

1.3.1 卫星轨道仿真

星载AIS的运行轨道是低轨卫星。一般而言,低轨道卫星的轨道高度为二百至两千千米。在本设计中采用STK软件接口生成卫星轨道,STK可以通过上位机中输入轨道个数实时产生卫星的各项参数,包括卫星当前位置、运行速度、角速度和姿态等。

AIS卫星的轨道高度将直接影响其可观测范围,如图3所示。

在不考虑卫星天线角度限制的情况下,卫星的观测半径Rs即为卫星到地球切线AB与卫星到地面垂线AC之间的弧段BC的长度:

其中,Re为地球半径近似取6371km,h为卫星轨道距离地面高度。按照上式可计算得到地轨卫星的对地观测范围如表1所示:

1.3.2 船舶分布仿真

在星载AIS系统中,卫星接收船载AIS设备发送的信号,船般的分布疏密情况会直接影响到信号的时隙分布情况。AIS地面测试系统信号源在生成终端信号时,为了能够尽量精确地模拟实际船舶分布,需要以真实的船舶分布情况为基础。

为了仿真卫星运行和船舶运动过程中通信时隙的切换以及船舶终端分布情况的变化,在本设计中规定主控软件每1分钟通过STK软件接口更新一次卫星轨道数据,并计算星下可观测范围内的船舶数据。

1.3.3 卫星信道仿真

星载AIS系统是一个卫星移动通信系统,卫星和船舶都处于相对运动当中。对于AIS地面测试系统信号源来说,卫星移动通信信将产生多方面的影响。在本设计中,为了模拟出AIS卫星天线端接收信号的功率衰减,考虑两方面的影响因素:自由空间传输损耗、天线指向增益变化。

在假设信源和信宿均采用,无线信号在自由空间中的传输损耗主要与传输距离和信号频率相关。工程中常用的传输损耗计算公式为:

其中,Los为传输损耗,单位为dB;d为传输距离,单位为km;f为频率,单位为MHz。

根据上文对卫星轨道的分析,可以推算出,信号源针对卫星可观测范围内不同距离的终端所需模拟出的信号增益变化,如表2所示。

对于收发天线指向不同造成的信号增益变化,在主控软件中提供天线方向图数据接口,用户可以按照接口格式提供实际的天线性能数据,信号源将实时产生复合方向图功率约束的模拟信号。

天线角度约束包括海面终端天线的发射方向φT和卫星接收机天线的接收方向φR,如图4所示。

2 硬件设计方案

2.1 基带处理板卡设计方案

基带处理板卡包含逻辑处理单元、数据管理单元、时钟管理单元、两路中频输入接口、两路中频输出接口、外部接口和电源模块等六个部分。

逻辑处理单元的功能是实现信号的调制、解调、数学信号处理等,主要的器件是Xilinx公司的XC7K325T,兼容XC7K410T。数据管理单元的功能是实现网口通信、配合FPGA完成整个板卡的管理,选用的是Cortex-A9,LINUX操作系统。时钟管理单元的功能是为AD、DA、FPGA、ARM提供时钟信号,主要器件是TI公司的LMK03806。中频输入接口主要的器件是TI公司的ADS42LB69,16bit,最大采样率为250MHz,最大模拟带宽为1GHz。中频输出接口主要的器件是TI公司的AD9788,16bit,最大采样率为800MHz,可输出DC~400M的中频信号。外部接口部分包括16位LVTTL输入、16位LVTTL输出、4位LVDS输入、4位LVDS输出,实现板卡与外界的数字信号传输。电源模块的功能是为整个板卡提供所需要的电压,保证板卡的正常工作。

2.2 射频通道模块设计方案

射频通道模块的主要功能是:对信号源产生的射频信号进行带通滤波和功率调整,并且对自环输入信号进行带通滤波。

所采用的4个频点的信号中心频率为:161.975MHz、162.025MHz、156.775 MHz、156.825 MHz。因此可以选择将输入、输出带通滤波器的中心频率设计为fc=160MHz,截止帶宽设计为fstop=10MHz。LC滤波器的矩形系数一般在1.2~1.3之间,因此带通滤波器的3dB带宽为f3dB≈7.7~8.3MHz,足以满足AIS信号的频带要求。滤波器的幅频特性如图5所示。

在本项目中,规定信号源的输出功率范围需达到-130dBm~-20dBm,且功率调节分辨率为1dB。

在基带信号处理板中,通过调节FPGA输出数字信号的幅度以及调整DAC芯片的幅度控制参数,可以实现不小于20dB的输出功率变化范围。因此,还需要在射频通道模块中解决剩余的90dB功率动态范围。

射频通道模块中采用Analog Device公司的HMC759LP3E实现可变衰减模块。HMC759LP3E是一款最大衰减可达31.75dB的数控衰减器,其步进精度为±0.25dB,频率适应范围1-~300MHz,采用串行数字总线控制,输入IP3高达+40dBm。

3 主控软件设计方案

信号源主控软件主要由通信模块、界面显示模块、轨道及场景运算模块构成 。

3.1 主控软件结构

如图6所示,信号源主控软件的工作原理为:

第一步,用户通过主控软件界面,设置信号源的工作模式和工作参数;

第二步,提供软件接口,供用户指定终端场景分布、卫星轨道、天线方向图和基带AIS信息帧数据;

第三步,使用Socket API实现TCP/IP数据接收与发送;

第四步,根据内部通信协议,对信道特性数据和基带帧数据进行组包封装;

第五步,接收ARM反馈的信号源工作状态数据,显示在软件界面。

3.2 工作流程设计

主控软件流程如图7所示。

3.3 主控软件界面

主控软件主界面如图8所示。

如图9所示,主控软件界面部分,分为通道信号编辑区,日志记录区和指令区,同时,仿真软件具备基带数据管理功能,能够让用户导入和导出需要的基带数据。

4 结论

对解调算法进行性能方面的研究,需要利用星载AIS信号数据作为基础。所以,仿真设计星载AIS信号模拟源,并对模拟信号进行全面分析,对比不同解调算法的解调性能,将有助于加快AIS冲突信号解调算法的研究。

本文实现了AIS的测试系统的软硬件功能,为进一步解决信号冲突算法,提供了仿真数据源的基础。

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作者简介

沈天翼(1992-),男,硕士在读,主要研究方向为卫星导航、软件仿真平台等。

作者单位

北京航空航天大学电子信息工程学院 北京市 100191

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