星载 AIS 信号的相干接收

胡文庆，罗义军，乔 洋（. 武汉大学 电子信息学院 湖北 武汉 430079；. 上海航天技术研究院，上海 009）

星载 AIS 信号的相干接收

胡文庆1，罗义军1，乔 洋2
（1. 武汉大学 电子信息学院 湖北 武汉 430079；2. 上海航天技术研究院，上海 201109）

针对星载 AIS （船舶自动识别系统）接收系统覆盖范围广及运动速度快等特点，以及现有的非相干算法存在不足，提出一种相干接收方案。首先分析星载 AIS 信号的特点；然后介绍相干接收方案的结构，并详细论述各部分的解决方案；最后在 Simulink 中实现星载 AIS 信号的发射和接收仿真系统，验证接收系统的误码性能。仿真实验表明，此接收系统能有效提高抗噪声能力和抗干扰能力，解决非相干系统抗干扰能力不足的问题，有一定的工程应用价值。

星载AIS；相干；仿真；检测

0 引 言

船舶自动识别系统是为了给船与船之间或者船与岸之间提供通信的新型助航系统，用于交换位置、航班，航线和速度等信息，便于保障海上安全［1］。为了保证船与船之间、船与基站之间的通信互不干扰，陆地船舶AIS系统采用自组织时分多址（Self Organized Time Division Multiple Access，SOTDMA）发射突发信号进行通信，覆盖范围不能大于 40 n mile。随着远距离海上监控的需求越来越强烈，基于星载的 AIS 系统受到越来越多的关注。由于星载 AIS 系统覆盖范围广，可同时覆盖很多自组织区域，而不同的自组织区域发送的 AIS 信号，在接收端就可能相互重叠，存在信息冲突。星载 AIS 系统运动速度较快和接收距离远，也引入多普勒频移和低信噪比等问题。为了解决这些问题，提出 2 bit 差分解调方案［2］，这种方案的优势是结构简单便于实现，有很好的抗频偏和抗相偏特性，也能兼容不同的 BT 值，但是它在低信噪比条件下抗干扰能力不佳［3］。

本文介绍星载 AIS 信号的特点及相干解调方案，详细说明各部分的实现，测试相干接收系统的性能，并与 2 bit 差分解调系统的性能作对比。并提出一种相干解调方案，在对频偏和时延的估计后，对信号进行相干解调，最终结果表明本方案有着良好的抗干扰能力和抗噪声能力。

1 星载AIS信号特点

星载 AIS 系统以自组织时分多址（SOTDMA）方式传播船舶信息，工作频率为 VHF 波段 CH87B/88B频段2个信道，即 161.975 MHz 和 162.025 MHz，信道码元传输速率为 9.6 kbs，1 帧数据1 min，分为 2 250个时隙，每个时隙 26.67 ms，每个时隙可发送 256 bit码元信息［1］。AIS 信号采用高斯最小频移键控（GMSK）调制，GMSK 调制信号通常表示为

其中，

为相位函数；fc为载波频率；θ 为初始相位；Eb为一个码元宽度 Tb内的信号能量； aj=±1 为信源的比特信息；h（t） 为高斯滤波器的冲击响应函数。

如果接收端接收到的信号是由2个 GMSK 信号 s1（t）和 s2（t） 混叠而成，接收端信号的表达式为

式中：Ai、τi（i=1， 2）分别为 i 路信号的幅度和延时；n（t） 为零均值、功率谱密度为 N0的高斯白噪声。

相对于一般的连续 GMSK 信号，星载 AIS 信号有以下4个特点：

1）信号是突发的，不是连续的，不能确定当前时刻是否存在信号。

2）由于信号传播存在多普勒频移，接收端信号的载波频率不是定值，需要测量。

3）信号间存在干扰，多个 SOTMDA 区域内的信号在接收端时域和频域可能存在重叠。

4）一个时隙的信号长度较短，只有 256 bit 的码元长度。这些特点给解调带来很大困难。

综上所述，星载 AIS 信号是突发的、有频移、有混叠及低信噪比的 GMSK 调制信号，接收系统要从星载 AIS 信号中解调出有用信息，实现监控覆盖范围内的船舶［4］。

2 接收系统的结构

星载 AIS 接收机处理算法和结构中，最关键之处在于从频域和时域上重叠的干扰信号中准确提取相应信号的相干载波和定时信号。由于 AIS 通信所采用的调制方式为突发 GMSK，每个突发包长度有限（256 bit，9.6 K bit 速率），现有算法［2-3］受限于数据长度而使得相位和频率的估计精度有限，大大低于连续模式GMSK 的载波和定时恢复精度，所以一般采用非相干解调。本文提出一种相干解调方案，能够达到连续模式 GMSK 的载波和定时恢复精度。

本文中接收机的结构与文献［5］中类似，星载 AIS 信号从 VHF 天线采集进来，经过射频前端处理，再由AD（模数转换器）采样转换为数字信号。射频前端包括低噪声功放和两级下变频器和滤波器，只考虑一个信道，将载波频率 161.975 M 下变频到 23.2 K，由于多普勒频移，载波存在正负 4 kHz 的偏差，在接收端载波的频率范围为 19.2～27.2 kHz。AD 的采样频率为153.6 kHz，是 16 倍的比特速率。由于接收载波的频率范围为 8 kHz 左右，为了滤除其他频率范围的噪声，在 AD 采样后经过一个带通滤波器，中心频率为 23.2 kHz，带宽为 16 kHz。

带通滤波后，是星载 AIS 系统的关键部分——中频解调器。中频解调器主要包括频偏时延预估计、载波恢复、定时同步和帧同步4个部分，解调数据再调制如图 1 所示。

图 1 星载 AIS 接收机系统框图Fig. 1 Block diagram of the AIS satellite receiver

2.1 频偏时延预估计

AIS 信号是突发的 GMSK 信号，每艘船发送信号的时间不确定，所以要对信号的突发性进行初步估计，也就是估计信号时延。本文采用滑动窗口法检测突发信号的时延，其原理如图 2 所示。

图 2 滑动窗口法检测原理图Fig. 2 Block diagram of the sliding window method

滑动窗口法是用检测窗口 A 内信号能量变化的方法检测信号，由于 AIS 信号一个时隙是 256 bit 的信息，AD 的采样频率为 16 倍的比特速率，所以窗口 A的长度为 4 096，在时刻 n， 窗口 A 中的能量为：

当有信号或者有主信号时，an会不断增大，当 an最大时，窗口 A 正好包含一个时隙信号，根据 n 的值，可以算出时延，对此时窗口 A 内的数据作FFT（快速傅里叶变换），可以算出载波频率的估计值，可作为载波恢复部分的载波初始值。采样频率为153.6 kHz，作 4 096 个点的 FFT，每个点精度为 37.5 Hz，满足载波恢复部分载波初始值精度。

2.2 载波恢复和定时同步

本系统根据图 3 所示的前馈式载波和定时恢复算法［6］，提出新的突发模式 GMSK 载波和定时恢复算法。中频信号经过频偏和时延初步估计后可获得 2 f+ 和 2 f– 的粗略频率值，将其作为 f+ 和 f- 估计的初始值，得到 GMSK 的2个频率 f+ 和 f– 信号后相乘，再分别经低通和高通滤波，即可得到符号时钟和相干载波。f+ 和 f- 的提取可采用反馈方式，如图 4 所示，由相位误差检测（phaseerror）、环路滤波器（loop_filter）和 NCO 构成［7］。

经载波恢复［8］后，整个突发包的频差估计误差小于0.37 Hz，相差误差小于 5°，满足相干解调的条件。

图 3 GMSK 前馈式载波和定时恢复算法Fig. 3 Timing and carrier frequency synchronization block of GMSK

图 4 f+和 f-的提取方法Fig. 4 Extraction method of f+and f-

2.3 帧同步

由于星载 AIS 信号是突发信号，需要定位有信号的部分，才有利于进行载波恢复和符号同步。在频偏和时延预估计部分对时延进行了初步估计，估计精度为 1/960 0 s，经过第一次载波恢复和下变频滤波后，能得到基带信号。将基带信号直接判决，负数直接判决为 –1，正数判决为 1。AIS 信号每个时隙的格式如图 5所示［1］，将判决数据与已知序列做相关运算。这里只用到开始标志和结束标志，中间数据补零。相比传统相干算法［9］，本文的算法在变频滤波后进行，克服了传统算法的载波和噪声的影响，提高了估计精度。

图 5 AIS 信息的帧结构Fig. 5 Frame structure of AIS information

开始标志和结束标志 ｛0，1，1，1，1，1，1，0｝ 经符号映射和差分编码后，变为 ｛–1，1，–1，1，–1，1，–1，–1｝。Sn=｛–1，1，–1，1，–1，1，–1，–1，0…0，–1，1，–1，1，–1，1，–1，–1，｝ 为已知序列，rn为 n 时刻的接收序列。互相关函数

式中：m 为可能的帧起始时刻采样序列；N 为接收序列包含的码元数，这里为 200；Q 为过采样因子，取为16。

则时延为 τ=mmaxTs，其中，τ 即为估计的相应采样率下的帧起始时刻。

2.4 解调数据再调制

解调出主信号后，还要解调干扰信号，才能完成整个 AIS 系统的信息接收。由前面3步可以得到主信号的解调序列、时延和载波及要还原主信号，还需对主信号幅度进行估计。估计幅度后，根据突发 GMSK 信号的特点及 AIS 帧格式调制信号，得到主信号。为了解调出干扰信号，必须去除主信号的影响，在经 AD采集的数据缓存中，减去主信号就能得到干扰信号。干扰信号再经过前面3个步骤得到解调结果，完成整个系统的解调。

3 仿真结果与性能分析

基于星载 AIS 信号的特点，在 Simulink 环境中模拟了信号的生成及解调，对于复基带信号，实部和虚部分别用 16 倍码元速率（153.6 kHz）采样，仿真中用高斯白噪声模拟信道环境，如图 6 所示。

图 6 星载 AIS 发射接收系统 simulink 仿真图Fig. 6 Simulink simulation model of AIS transmitter and receiver

在没有干扰的条件下，对比理想相干检测，本文方法和 2 bit 差分检测在不同信噪比条件下的误码性能，结果如图 7 所示。本文方法的误码率接近理想相干检测，明显优于 2 bit 差分检测。本文方法比 2 bit 差分检测至少提升 5 dB 的抗噪声性能，而且随着信噪比的不断增大，优势越明显。在有干扰 C/I = 6 dB（载干比，载波功率与干扰功率之比）的条件下，对比本文方法与 2 bit 差分检测的性能，结果如图 7 所示。可以看出本文方法在低信噪比条件下，抗干扰能力明显优于 2 bit 差分检测。

图 7 三种检测方法性能比较Fig. 7 Three methods of detection performance comparison

本文对比了不同载干比条件下，系统在不同信噪比下的性能，如图 8 所示。结果表明，当只有一个干扰源，载干比越大，也就是干扰功率越小，系统性能越好。在载干比为 12 dB 时，系统性能接近无干扰条件下的性能。

图 9 展示了主信号载波与干扰载波在不同频率间隔下系统性能。实验结果表明，系统性能与主信号频偏无关，即主信号频偏对系统影响不大。系统性能与载波频率间隔有关，主信号载波离干扰载波越近，系统性能越差，离干扰载波越远，系统性能越好，在信噪比较大时越明显。

图 8 不同载干比下接收机的误码性能Fig. 8 Ber performance of receiver with different C/I

图 9 不同频率间隔下接收机的误码性能（C/I = 6 dB）Fig. 9 Ber performance of the receiver with different frequency interval

4 结 语

针对星载 AIS 信号的特点，提出一种相干接收方案，对方案中的关键部分进行了分析和论述，分别提出了解决方案，在对信号各种参数的估计上，实现了星载 AIS 信号的解调。在 Simulink 中实现星载 AIS 系统的仿真设计，统计了不同条件下的误码性能，还对比了本系统与 2 bit 差分检测系统的系统性能，实验结果表明本系统的解调误码率与 2 比特差分系统相比，

当载干比为 6 dB，误码率等于 10-2时，在加性高斯信道下具有 9 dB 左右的性能优势，解决了非相干系统在低信噪比条件下抗干扰能力差的问题。本系统在存在干扰，C/I=6 dB， Eb/N0=12 dB 时，系统检测性能仍在10–2以下，具有良好的抗干扰和抗噪声性能。

［1］国家质量监督检验检疫总局. 船载自动识别系统（AIS）技术要求: GB/T 20068–2006［S］. 北京: 中国标准出版社， 2006.General Administration of Quality Supervision. Inspection and Quarantine of the People's Republic of China. Technical requirements of shipborne automatic identification system: GB/T 20068–2006［S］. Beijing: Standards Press of China， 2006.

［2］CERVERA M A， GINESI A， ECKSTEIN K. Satellite—based vessel automatic identification system: a feasibility and performance analysis［J］. International Journal of Satellite Communication and networking， 2011， 29（2）: 117–142.

［3］ZHANG Z S， WEINFIELD J， SONI T. Combined differential demodulation schemes for satellite based AIS with GMSK signals［C］//Proceedings of the SPIE 7691， Space Missions and Technologies. Orlando， Florida， USA: SPIE， 2010: 76910C.

［4］潘宝凤， 梁先明. 星载AIS接收系统设计及关键技术［J］. 电讯技术， 2011， 51（5）: 1–5. PAN Bao-feng， LIANG Xian-ming. Satellite-based AIS receiver system design and related key techniques［J］. Telecommunication Engineering， 2011， 51（5）: 1–5.

［5］BURZIGOTTI P， GINESI A， COLAVOLPE G. Advanced receiver design for satellite-based automatic identification system signal detection［J］. International Journal of Satellite Communications and Networking， 2012， 30（2）: 52–63.

［6］XIONG F Q. Digital modulation techniques［M］. Boston: Artech House， 2000: 212–216.

［7］LUISE M， REGGIANNINI R. Carrier frequency recovery in alldigital modems for burst-mode transmissions［J］. IEEE transactions on Communications， 1995， 43（2/4）: 1169–1178.

［8］MORELLI M， MENGALI U. Joint frequency and timing recovery for MSK-type modulation［J］. IEEE Transactions on Communications， 1999， 47（6）: 938–946.

［9］MENGALI U， D’ANDREA A N. Synchronization techniques for digital receivers （applications of communications theory）［M］. New York: Plenum Press， 1997: 28–29， 149.

Coherent reception of satellite-based AIS signal

HU Wen-qing1， LUO Yi-jun1， QIAO Yang2
（1. School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430079， China；2. Aerospase System Engineering Shanghai， Shanghai 201109， China）

According to the characters of the satellite-based AIS（Automatic Identification System） receiver with wide coverage and fast moving speed，as well as the defact of existing non-coherent algorithm，a coherent reception scheme is proposed. Firstly， the characters of the satellite-based AIS signal was analyzed，then the structure coherent reception scheme was introduced， and the various parts of the solution was discussed in detail.Finally some simulations and experiments based on AIS transmitter and receiver are presented to verify the performance on the Simulink simulation model.The simulation results show that the devised receiver with a grate value in engineering has an excellent performance in terms of enhanced sensitivity to noise floor，excellent resilience to interference over the non-coherent system.

satellite-based AIS；coherent；simulation；detection

TN911

A

1672 – 7619（2016）04 – 0131 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.027

2015 – 08 – 24；

2015 – 10 – 12

胡文庆（1990 – ），男，硕士研究生，主要研究方向为高速调制解调及软件无线电技术。