星載 AIS 信號的相干接收

胡文慶，羅義軍，喬 洋（. 武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院 湖北 武漢 430079；. 上海航天技術(shù)研究院，上海 009）

星載 AIS 信號的相干接收

胡文慶1，羅義軍1，喬 洋2
（1. 武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院 湖北 武漢 430079；2. 上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

針對星載 AIS （船舶自動識別系統(tǒng)）接收系統(tǒng)覆蓋范圍廣及運(yùn)動速度快等特點(diǎn)，以及現(xiàn)有的非相干算法存在不足，提出一種相干接收方案。首先分析星載 AIS 信號的特點(diǎn)；然后介紹相干接收方案的結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)論述各部分的解決方案；最后在 Simulink 中實(shí)現(xiàn)星載 AIS 信號的發(fā)射和接收仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證接收系統(tǒng)的誤碼性能。仿真實(shí)驗(yàn)表明，此接收系統(tǒng)能有效提高抗噪聲能力和抗干擾能力，解決非相干系統(tǒng)抗干擾能力不足的問題，有一定的工程應(yīng)用價值。

星載AIS；相干；仿真；檢測

0 引 言

船舶自動識別系統(tǒng)是為了給船與船之間或者船與岸之間提供通信的新型助航系統(tǒng)，用于交換位置、航班，航線和速度等信息，便于保障海上安全［1］。為了保證船與船之間、船與基站之間的通信互不干擾，陸地船舶AIS系統(tǒng)采用自組織時分多址（Self Organized Time Division Multiple Access，SOTDMA）發(fā)射突發(fā)信號進(jìn)行通信，覆蓋范圍不能大于 40 n mile。隨著遠(yuǎn)距離海上監(jiān)控的需求越來越強(qiáng)烈，基于星載的 AIS 系統(tǒng)受到越來越多的關(guān)注。由于星載 AIS 系統(tǒng)覆蓋范圍廣，可同時覆蓋很多自組織區(qū)域，而不同的自組織區(qū)域發(fā)送的 AIS 信號，在接收端就可能相互重疊，存在信息沖突。星載 AIS 系統(tǒng)運(yùn)動速度較快和接收距離遠(yuǎn)，也引入多普勒頻移和低信噪比等問題。為了解決這些問題，提出 2 bit 差分解調(diào)方案［2］，這種方案的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單便于實(shí)現(xiàn)，有很好的抗頻偏和抗相偏特性，也能兼容不同的 BT 值，但是它在低信噪比條件下抗干擾能力不佳［3］。

本文介紹星載 AIS 信號的特點(diǎn)及相干解調(diào)方案，詳細(xì)說明各部分的實(shí)現(xiàn)，測試相干接收系統(tǒng)的性能，并與 2 bit 差分解調(diào)系統(tǒng)的性能作對比。并提出一種相干解調(diào)方案，在對頻偏和時延的估計后，對信號進(jìn)行相干解調(diào)，最終結(jié)果表明本方案有著良好的抗干擾能力和抗噪聲能力。

1 星載AIS信號特點(diǎn)

星載 AIS 系統(tǒng)以自組織時分多址（SOTDMA）方式傳播船舶信息，工作頻率為 VHF 波段 CH87B/88B頻段2個信道，即 161.975 MHz 和 162.025 MHz，信道碼元傳輸速率為 9.6 kbs，1 幀數(shù)據(jù)1 min，分為 2 250個時隙，每個時隙 26.67 ms，每個時隙可發(fā)送 256 bit碼元信息［1］。AIS 信號采用高斯最小頻移鍵控（GMSK）調(diào)制，GMSK 調(diào)制信號通常表示為

其中，

為相位函數(shù)；fc為載波頻率；θ 為初始相位；Eb為一個碼元寬度 Tb內(nèi)的信號能量； aj=±1 為信源的比特信息；h（t） 為高斯濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)。

如果接收端接收到的信號是由2個 GMSK 信號 s1（t）和 s2（t） 混疊而成，接收端信號的表達(dá)式為

式中：Ai、τi（i=1， 2）分別為 i 路信號的幅度和延時；n（t） 為零均值、功率譜密度為 N0的高斯白噪聲。

相對于一般的連續(xù) GMSK 信號，星載 AIS 信號有以下4個特點(diǎn)：

1）信號是突發(fā)的，不是連續(xù)的，不能確定當(dāng)前時刻是否存在信號。

2）由于信號傳播存在多普勒頻移，接收端信號的載波頻率不是定值，需要測量。

3）信號間存在干擾，多個 SOTMDA 區(qū)域內(nèi)的信號在接收端時域和頻域可能存在重疊。

4）一個時隙的信號長度較短，只有 256 bit 的碼元長度。這些特點(diǎn)給解調(diào)帶來很大困難。

綜上所述，星載 AIS 信號是突發(fā)的、有頻移、有混疊及低信噪比的 GMSK 調(diào)制信號，接收系統(tǒng)要從星載 AIS 信號中解調(diào)出有用信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控覆蓋范圍內(nèi)的船舶［4］。

2 接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

星載 AIS 接收機(jī)處理算法和結(jié)構(gòu)中，最關(guān)鍵之處在于從頻域和時域上重疊的干擾信號中準(zhǔn)確提取相應(yīng)信號的相干載波和定時信號。由于 AIS 通信所采用的調(diào)制方式為突發(fā) GMSK，每個突發(fā)包長度有限（256 bit，9.6 K bit 速率），現(xiàn)有算法［2-3］受限于數(shù)據(jù)長度而使得相位和頻率的估計精度有限，大大低于連續(xù)模式GMSK 的載波和定時恢復(fù)精度，所以一般采用非相干解調(diào)。本文提出一種相干解調(diào)方案，能夠達(dá)到連續(xù)模式 GMSK 的載波和定時恢復(fù)精度。

本文中接收機(jī)的結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)［5］中類似，星載 AIS 信號從 VHF 天線采集進(jìn)來，經(jīng)過射頻前端處理，再由AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。射頻前端包括低噪聲功放和兩級下變頻器和濾波器，只考慮一個信道，將載波頻率 161.975 M 下變頻到 23.2 K，由于多普勒頻移，載波存在正負(fù) 4 kHz 的偏差，在接收端載波的頻率范圍為 19.2～27.2 kHz。AD 的采樣頻率為153.6 kHz，是 16 倍的比特速率。由于接收載波的頻率范圍為 8 kHz 左右，為了濾除其他頻率范圍的噪聲，在 AD 采樣后經(jīng)過一個帶通濾波器，中心頻率為 23.2 kHz，帶寬為 16 kHz。

帶通濾波后，是星載 AIS 系統(tǒng)的關(guān)鍵部分——中頻解調(diào)器。中頻解調(diào)器主要包括頻偏時延預(yù)估計、載波恢復(fù)、定時同步和幀同步4個部分，解調(diào)數(shù)據(jù)再調(diào)制如圖 1 所示。

圖 1 星載 AIS 接收機(jī)系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of the AIS satellite receiver

2.1 頻偏時延預(yù)估計

AIS 信號是突發(fā)的 GMSK 信號，每艘船發(fā)送信號的時間不確定，所以要對信號的突發(fā)性進(jìn)行初步估計，也就是估計信號時延。本文采用滑動窗口法檢測突發(fā)信號的時延，其原理如圖 2 所示。

圖 2 滑動窗口法檢測原理圖Fig. 2 Block diagram of the sliding window method

滑動窗口法是用檢測窗口 A 內(nèi)信號能量變化的方法檢測信號，由于 AIS 信號一個時隙是 256 bit 的信息，AD 的采樣頻率為 16 倍的比特速率，所以窗口 A的長度為 4 096，在時刻 n， 窗口 A 中的能量為：

當(dāng)有信號或者有主信號時，an會不斷增大，當(dāng) an最大時，窗口 A 正好包含一個時隙信號，根據(jù) n 的值，可以算出時延，對此時窗口 A 內(nèi)的數(shù)據(jù)作FFT（快速傅里葉變換），可以算出載波頻率的估計值，可作為載波恢復(fù)部分的載波初始值。采樣頻率為153.6 kHz，作 4 096 個點(diǎn)的 FFT，每個點(diǎn)精度為 37.5 Hz，滿足載波恢復(fù)部分載波初始值精度。

2.2 載波恢復(fù)和定時同步

本系統(tǒng)根據(jù)圖 3 所示的前饋式載波和定時恢復(fù)算法［6］，提出新的突發(fā)模式 GMSK 載波和定時恢復(fù)算法。中頻信號經(jīng)過頻偏和時延初步估計后可獲得 2 f+ 和 2 f– 的粗略頻率值，將其作為 f+ 和 f- 估計的初始值，得到 GMSK 的2個頻率 f+ 和 f– 信號后相乘，再分別經(jīng)低通和高通濾波，即可得到符號時鐘和相干載波。f+ 和 f- 的提取可采用反饋方式，如圖 4 所示，由相位誤差檢測（phaseerror）、環(huán)路濾波器（loop_filter）和 NCO 構(gòu)成［7］。

經(jīng)載波恢復(fù)［8］后，整個突發(fā)包的頻差估計誤差小于0.37 Hz，相差誤差小于 5°，滿足相干解調(diào)的條件。

圖 3 GMSK 前饋式載波和定時恢復(fù)算法Fig. 3 Timing and carrier frequency synchronization block of GMSK

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

2.3 幀同步

由于星載 AIS 信號是突發(fā)信號，需要定位有信號的部分，才有利于進(jìn)行載波恢復(fù)和符號同步。在頻偏和時延預(yù)估計部分對時延進(jìn)行了初步估計，估計精度為 1/960 0 s，經(jīng)過第一次載波恢復(fù)和下變頻濾波后，能得到基帶信號。將基帶信號直接判決，負(fù)數(shù)直接判決為 –1，正數(shù)判決為 1。AIS 信號每個時隙的格式如圖 5所示［1］，將判決數(shù)據(jù)與已知序列做相關(guān)運(yùn)算。這里只用到開始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志，中間數(shù)據(jù)補(bǔ)零。相比傳統(tǒng)相干算法［9］，本文的算法在變頻濾波后進(jìn)行，克服了傳統(tǒng)算法的載波和噪聲的影響，提高了估計精度。

圖 5 AIS 信息的幀結(jié)構(gòu)Fig. 5 Frame structure of AIS information

開始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志 ｛0，1，1，1，1，1，1，0｝ 經(jīng)符號映射和差分編碼后，變?yōu)?｛–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，｝ 為已知序列，rn為 n 時刻的接收序列。互相關(guān)函數(shù)

式中：m 為可能的幀起始時刻采樣序列；N 為接收序列包含的碼元數(shù)，這里為 200；Q 為過采樣因子，取為16。

則時延為 τ=mmaxTs，其中，τ 即為估計的相應(yīng)采樣率下的幀起始時刻。

2.4 解調(diào)數(shù)據(jù)再調(diào)制

解調(diào)出主信號后，還要解調(diào)干擾信號，才能完成整個 AIS 系統(tǒng)的信息接收。由前面3步可以得到主信號的解調(diào)序列、時延和載波及要還原主信號，還需對主信號幅度進(jìn)行估計。估計幅度后，根據(jù)突發(fā) GMSK 信號的特點(diǎn)及 AIS 幀格式調(diào)制信號，得到主信號。為了解調(diào)出干擾信號，必須去除主信號的影響，在經(jīng) AD采集的數(shù)據(jù)緩存中，減去主信號就能得到干擾信號。干擾信號再經(jīng)過前面3個步驟得到解調(diào)結(jié)果，完成整個系統(tǒng)的解調(diào)。

3 仿真結(jié)果與性能分析

基于星載 AIS 信號的特點(diǎn)，在 Simulink 環(huán)境中模擬了信號的生成及解調(diào)，對于復(fù)基帶信號，實(shí)部和虛部分別用 16 倍碼元速率（153.6 kHz）采樣，仿真中用高斯白噪聲模擬信道環(huán)境，如圖 6 所示。

圖 6 星載 AIS 發(fā)射接收系統(tǒng) simulink 仿真圖Fig. 6 Simulink simulation model of AIS transmitter and receiver

在沒有干擾的條件下，對比理想相干檢測，本文方法和 2 bit 差分檢測在不同信噪比條件下的誤碼性能，結(jié)果如圖 7 所示。本文方法的誤碼率接近理想相干檢測，明顯優(yōu)于 2 bit 差分檢測。本文方法比 2 bit 差分檢測至少提升 5 dB 的抗噪聲性能，而且隨著信噪比的不斷增大，優(yōu)勢越明顯。在有干擾 C/I = 6 dB（載干比，載波功率與干擾功率之比）的條件下，對比本文方法與 2 bit 差分檢測的性能，結(jié)果如圖 7 所示。可以看出本文方法在低信噪比條件下，抗干擾能力明顯優(yōu)于 2 bit 差分檢測。

圖 7 三種檢測方法性能比較Fig. 7 Three methods of detection performance comparison

本文對比了不同載干比條件下，系統(tǒng)在不同信噪比下的性能，如圖 8 所示。結(jié)果表明，當(dāng)只有一個干擾源，載干比越大，也就是干擾功率越小，系統(tǒng)性能越好。在載干比為 12 dB 時，系統(tǒng)性能接近無干擾條件下的性能。

圖 9 展示了主信號載波與干擾載波在不同頻率間隔下系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)性能與主信號頻偏無關(guān)，即主信號頻偏對系統(tǒng)影響不大。系統(tǒng)性能與載波頻率間隔有關(guān)，主信號載波離干擾載波越近，系統(tǒng)性能越差，離干擾載波越遠(yuǎn)，系統(tǒng)性能越好，在信噪比較大時越明顯。

圖 8 不同載干比下接收機(jī)的誤碼性能Fig. 8 Ber performance of receiver with different C/I

圖 9 不同頻率間隔下接收機(jī)的誤碼性能（C/I = 6 dB）Fig. 9 Ber performance of the receiver with different frequency interval

4 結(jié) 語

針對星載 AIS 信號的特點(diǎn)，提出一種相干接收方案，對方案中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了分析和論述，分別提出了解決方案，在對信號各種參數(shù)的估計上，實(shí)現(xiàn)了星載 AIS 信號的解調(diào)。在 Simulink 中實(shí)現(xiàn)星載 AIS 系統(tǒng)的仿真設(shè)計，統(tǒng)計了不同條件下的誤碼性能，還對比了本系統(tǒng)與 2 bit 差分檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)的解調(diào)誤碼率與 2 比特差分系統(tǒng)相比，

當(dāng)載干比為 6 dB，誤碼率等于 10-2時，在加性高斯信道下具有 9 dB 左右的性能優(yōu)勢，解決了非相干系統(tǒng)在低信噪比條件下抗干擾能力差的問題。本系統(tǒng)在存在干擾，C/I=6 dB， Eb/N0=12 dB 時，系統(tǒng)檢測性能仍在10–2以下，具有良好的抗干擾和抗噪聲性能。

［1］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 船載自動識別系統(tǒng)（AIS）技術(shù)要求: GB/T 20068–2006［S］. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)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. 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.

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［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

胡文慶（1990 – ），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦咚僬{(diào)制解調(diào)及軟件無線電技術(shù)。