东海科学技术学院
毕业论文（设计）文献综述
题目：船舶自动识别系统中数
字调制算法的编程实现
系：机电工程系
学生姓名：
专业：电子信息工程
班级：
指导教师：
起止日期：
一、前言
目前，船舶自动识别系统(AIS)已经逐步开始在航行船舶上装备，在提高船舶通信导航能力方面发挥了重要的作用。我国各大专院校和研究单位争相研制开发AIS产品,并取得了一定的成绩,但各类产品均存在各自的局限性,需要进一步完善其使用功能,提高可靠性。AIS是一种工作在海上VHF波段的船载自动广播系统，其目的是为了帮助识别船舶，协助进行目标跟踪，简化信息交换以及提供额外的信息，其主要功能包括以下三个方面：
(1)连续向其他船舶和VTS站传送船舶自身数据；
(2)连续接受其他船舶和VTS站的数据；
(3)显示这种数据。
在AIS基带处理模块中,高斯滤波最小频移键控(GMSK)的调制解调是本次设计的关键技术。这次设计运用高斯滤波最小频移键控（GMSK）(AutomaticIdentificationSys2tem,AIS)是一种船舶导航设备,能增强船舶间避免碰撞的措施,加强ARPA雷达、船舶交通管理系统、船舶报告的功能,能在电子海图上显示所有船舶可视化的航向、航线、船名等信息,达到改进海事通信的功能和提供一种船舶进行语音和文本通信的方法,可增强船舶的全局意识[1]。AIS工作原理：它是一种基于自组织时分多址技术(SOTDMA)的海上无线通信系统，该系统在通信中使用的是开放系统互联(OSI)模型的第一到第四层(物理层、链路层、网络层、传输层)，AIS通信系统的技术核心就位于链路层。链路层的介质接入控制子层(MAC)提供有准许接入数据传输介质的方法，主要采用同时间基准的TDMA接入方案。链路层的数据链路服务子层(DLS)则使用循环多余码检测编CRC技术以及高级数据链路控制规程(HDLC技术)来对需要发射的数据进行打包，同时对接收的数据进行拆包[2]。
AIS系统发射端输出是的将信息转化为较低频率的电信号。将信息直接转换得到的较低频率的原始电信号称为基带信号，通常基带信号不宜在信道中传输，因此在通信系统的发送端需讲基带信号的频谱搬移（调制）到适合于信道传输频率范围内，一方面通过调制可以把基带信号的频谱搬移到希望的位置上去，从而使调制信号的转换适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，另一方面，通过调制可以提高信号通过信道传输时的抗干扰能力。基带传输：在数据通信中，由计算机或终端等数字设备直接发出的信号是二进制数字信号，是典型的矩形电脉冲信号，其频谱包括直流、低频和高频等多种成份。在数字信号频谱中，把直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称为基带。因此，数字信号被称为数字基带信号，在信道中直接传输这种基带信号就称为基带传输。在基带传输中，整个信道只传输一种信号，通信信道利用率低。由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，因此，在局域网中通常使用基带传输技术。在基带传输中，需要对数字信号进行编码来表示数据。频带传输：远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术完成的[3]。
因为GMSK调制能适用于快衰落信道，占有较小的带宽，带外辐射少，对邻近信道的干扰小，所以被广泛运用到AIS系统的发射接收信号中。在此之前先了解MSK的相关知识。MSK信号时一种相位连续、包络恒定并且占用带宽最小的二进制正交2FSK信号。在FSK方式中,每一码元的频率不变或者跳变一个固定值,而两个相邻的频率跳变码元信号,其相位通常是不连续的。所谓MSK方式,就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式,可以看成是调制指数为0.5的一种CPFSK信号。MSK具有以下优点:恒定的包络、相对稳定的窄带、具有相干检测能力。MSK可以有频率调制FM直接产生。然而它不能严格满足对于SCPC移动无线电的带外辐射的要求。GMSK基本原理是基带信号先经过调制前高斯滤波器成形,再进行MSK调制。由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿,也无拐点,经调制后的已调波相位路径在MSK基础上进一步得到平滑。此高斯型低通滤波器的频率特性表示式为H（f）=exp[-(ln2/2)(f/B)]式中：B为滤波器的3db带宽[3][4][5]。GMSK与MSK的主要区别在于,GMSK在MSK基础上加了个高斯滤波器,是基带数字信号经高斯低通滤波器处理的MSK调制。为了减少已调信号的频谱宽度,可以减少高斯低通滤波器的归一化带宽BT(T是比特宽度),常取0.2,0.25,0.3,0.4,0.5?等值,若BT=1,那么GMSK=MSK。该次设计选用了MATLAB语言对GMSK调制信号的仿真：在MSK前面增加一个高斯低通滤波器然后在经过I,Q信道最后形成GMSK信号。首先产生输入信号,这里选择方波,利用MATLAB的函数产生方波脉冲,同时对方波的频谱进行仿真。其次产生一个高斯低通滤波器,并使方波脉冲通过该滤波器。使该输出信号通过模拟I,Q信道,产生GMSK信号。最后对I,Q信道的信号进行眼图分析。选择BbTb=0.25,调制指数为0.5。I,Q信道的输出信号分别为:I=cos(2πFc(t+1/Fs))cos(p)；Q=sin(2πFc(t+1/Fs))sin(p)[6]。
此次设计需要熟悉AIS系统结构和工作原理。所以查阅了称佩青编著的《数字信号处理教程》和徐志京，许开宇，浦皆伟发表的《AIS中四种协议的应用探讨》学位论文。AIS信号的发射接收要涉及到基带信号和频带信号的概念及传输，通过学校的图书馆的网络(http://61.153.216.111/tsg/mm1/index.asp)和樊昌信著的《通信原理》。GMSK对AIS系统信号的调制是本次设计的关键，所以对GMSK的工作原理需要掌握，因此查阅了樊昌信编著的《通信原理》、王松武编著的《移动通信基础》、张辉,曹丽娜编著的《现代通信原理与技术》。调试运行结果我选用了matlab语言进行了仿真，仿真原理参考了KazuakiMurota,KenkichiHirade发表的期刊《GMSKModulationforDigitalMobileRadioTelephony》。关于matlab的一些程序命令参阅了由陈怀琛、吴大正、高西全编著的《MATLAB及在电子信息课程中的应用》[7]。
三、总结
对于该毕业设计的船舶自动识别系统中数字调制算法的实现，首先要了解AIS系统的结构和工作原理，还要了解频带通信的概念。最主要的是对GMSK的概念，工作原理都要求理解并掌握。对Matlab需要更多的了解及使用。通过这次的设计努力提高自己的动手能力和把理论知识运用到处理实际问题中去，为自己以后踏入社会打下基础。
参考文献：
[1]称佩青，数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社,1997
[2]徐志京，许开宇，浦皆伟.AIS中四种协议的应用探讨[D].上海海运学院
[3]樊昌信等，通信原理[M].北京：国防工业出版社，2002
[4]王松武，移动通信基础[M].哈尔滨：工程大学出版社,2001.6
[5]张辉,曹丽娜,现代通信原理与技术[M].西安：电子科技大学出版社，2002.274-279
[6]KazuakiMurota,KenkichiHirade.GMSKModulationforDigitalMobile
RadioTelephony[J].IEEETras.onCommunications,1981,29(7)
[7]陈怀琛等，MATLAB及在电子信息课程中的应用[M].北京：电子工业出版社，2006.3
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