VDES系统中π/4-OQPSK调制方式仿真研究

2018-09-20王佳琦

沈阳理工大学学报 2018年4期

王佳琦,蒋强,周帆

(沈阳理工大学信息科学与工程学院,沈阳 110159)

随着近年来水上数据通信需求的不断提升,船舶自动识别系统(AIS)的数据交换能力严重不足,在一些繁忙的区域出现了很高的数据链路负载,对AIS的正常运行产生巨大影响。在此背景下,国际航标协会(IALA)提出甚高频数据交换系统(VDES)的概念[1]。VDES是针对水上业务领域中船舶自动识别系统AIS的加强和升级版[2],在AIS功能的基础上,增加了特殊应用报文(ASM)和宽带甚高频数据交换(VDE),可以有效缓解现有AIS数据通信压力[3]。

目前针对甚高频数据交换系统(VDES)国内外进行了研究[4]。针对船舶信号发送前的调制和接收端解调阶段,相关国际组织尚未形成统一的标准。由于VDES是AIS系统的升级版,VDES的通信技术可以参考AIS系统。AIS的调制技术包括GMSK,FM,π/4-OQPSK等[5]。作为VDES调制解调技术,要达到扩大通信容量,缓解通信压力等目的。通过对文献[4]的查阅,在无线电规则附录18中指出VDES中的每频道带宽为25kHz,根据所需电台无线电的范围和频道信号的保真度,调制可以使用28.2kbit/s的π/4-OQPSK。在海上传输信道中,传统线性调制QPSK信号输出在经过大量频带限制的带通滤波器后,已经不能保持原调制后的恒定包络。而π/4-OQPSK由于存在±π/4和±3π/4相位的转变,对比于QPSK的0°和180°的相位转变,使包络比波动更小。对于传统AIS系统的GMSK调制方式而言,π/4-OQPSK每个码元传送2bit数据,频谱利用效率是GMSK的两倍。通过对文献[6-10]QPSK,OQPSK,π/4-QPSK,π/4-DQPSK原理分析,本文拟采用π/4-OQPSK为研究对象,它具有包络波动小,频谱特性好,利用率高的特点。通过深入分析调制解调机理,仿真关键模块,完成对VDES系统的性能分析。

1 π/4-OQPSK调制工作机理

π/4-OQPSK调制的原理为:将输入的基带信号进行串并转换,变成I,Q两路信号,将两路信号分别转换成双极性编码,对Q路信号进行Ts/2延时,再进行差分相位编码,输出同向支路I和正交支路Q的信号,I/Q两路信号分别通过相同的成型滤波器和内插滤波器,最后对滤波后的信号进行正交调制即可合成π/4-OQPSK信号。调制原理框图如图1所示。

图1 π/4-OQPSK调制原理图

π/4-OQPSK信号的表示式可写成

Sk(t)=cos(ωct+φk)

(1)

式中：ωc为信号频率;φk为相位分量包含相位信息;t为时间。

把公式(1)展开可以得到

Sk(t)=cosφkcos(ωct)-sinφksin(ωct)
=Xkcos(ωct)-Yksin(ωct)

(2)

式中Xk=cosφk、Yk=sinφk分别是第k个符号的同向分量和正交分量的幅值。在调制中,信息是以相位的形式进行传输的。则第k个符号的相位也可以表示为前一码元的相位φk-1与当前码元的相位增量Δφk之和。

φk=φk-1+Δφk

(3)

因此得到

Xk=cosφk=cos(φk-1+Δφk)
=Xk-1cosΔφk-Yk-1sinΔφk

(4)

Yk=sinφk=sin(φk-1+Δφk)
=Yk-1cosΔφk+Xk-1sinΔφk

(5)

由式(4)和式(5)两个公式可知:Xk和Yk完全取决于Δφk与φk-1(或Xk-1与Yk-1)。差分相位编码就是利用信号这种相位差来携带需要传输的信息[9],也就是根据π/4-OQPSK的要求,对应于当前码元的数据取值,在±π/4和±3π/4中选取Δφk的数值。编码规则如表1所示。

表1 π/4-OQPSK的相位编码规则

图2 π/4-OQPSK调制星座图

2 π/4-OQPSK解调工作机理

信号的解调方式可以分为相干解调和非相干解调两类[11]。相干解调就是利用与输入信号中所包含的被调制信号载波同频、同相的相干载波进行解调。非相干解调指的是差分检测。在静态接收时,相干检测性能比差分检测性能好,但在相干检测中要求的相干载波在实际移动信道中很难取得,因此在移动接收时,其接收性能不如差分检测[12]。本文采用非相干解调中的基带差分检测方法。

在接收端,接收的信号分别与同向支路和正交支路的载波相乘,进行低通滤波后采样后,送入差分相位解码电路,再依照解码电路的解码规则进行解码,之后对解码后的信号进行判决,双极性码变成单极性,将两路信号串并转换,合成一路信号,从而得到原始的基带信号。解调原理框图如图3。