基于软件无线电的船用VDES调制解调的研究

胡传杰，金华标，王 卓

(武汉理工大学，湖北 武汉 430063)

随着经济全球化的不断完善，世界90%以上的货物运输依赖船舶[1]。在船用自动识别系统(AIS)使用范围不断扩大的情形下，AIS的局限性日趋显现，包括非安全性导航信息等扩展应用的不断增加，AIS的数据交换能力严重不足，在某些繁忙的港区甚至出现极高的数据链路负担，重要信息包丢失率极高[2]。为解决这一问题，国际电信联盟(ITU)于2015年的第十五届世界无线电通信大会(WRC-15)中审议确定了甚高频数据交换系统(VDES)开发进程。由于业务需求的多样化，VDES庞大且复杂，主要由AIS、专用报文(ASM)、甚高频数据交换(VDE)3种业务类型[3]组成。为了提供强大的数据交换能力，VDES支持多种调制方式[4]，包括在25 kHz信道上的AIS采用高斯最小频移键控(GMSK)单载波调制，能够达到的原始数据速率为9.6 kbps；ASM的25 kHz信道上支持π/4正交相移键控(π/4 -QPSK)单载波调制，其原始传输数据的速率为28.8 kbps，能够提供比AIS速率更高的数据传输[5]速率。VDES系统支持多种调制方式，为了使得频谱效率和吞吐量达到最大，在其100 kHz信道中采用16位正交幅度调制解调(16QAM)多载波调制，数据速率达到了307.2 kbps，AIS、ASM的调制解调研究早已提上日程且研究颇多，VDE由于卫星研制进展相对较迟，16QAM的多载波调制具有高的频谱利用率及较大的数据吞吐量，对16QAM调制解调技术的研究显得极为迫切。

VDES的各项具体通信设备已于2019年的WRC-19大会上正式确立商业化途径，但目前专业的VDES技术开发板极少，如VDES1000等，其价格过于昂贵，此时软件无线电是一个不错的选择。软件无线电的核心思想就是构建一个标准的、通用的、模块化的硬件平台，通过可进行编程的软件平台来实现各种无线通讯的功能，舍弃了之前面向用途的以硬件为基础的通讯系统设计方案[6]，软件无线电系统结构示意图如图1所示。在开发设计中，软件无线电设计灵活，不需要对硬件平台进行更改，而是直接通过编程软件来实现，降低了研发费用，减少了开发周期，而且操作极为方便，是研究VDES 16QAM调制解调技术极好的平台。

图1 软件无线电系统结构示意图

1 平台搭建

1.1 硬件平台

研究采用一款开源软件无线电硬件平台HackRF One，基于2台HackRF One硬件平台，它可以通过USB与Gnuradio软件平台配合使用，实现2台设备无线信号互相收发。HackRF One与PC端连接后，通过软件平台的驱动就能完成对设备通信信道的控制，基于计算机对信号进行软件层面的放大、滤波、混频、采样等处理来完成信号的收发，其硬件架构如图2所示。

图2 HackRF One硬件架构

如图2所示，以接收端为例，信号源的信号由HackRF One的天线到计算机的处理流程如下。

1) 天线电磁感应的模拟信号经过14dB的放大器放大。

2) 信号进行高通、低通滤波，完成前端处理。

3) 信号在RFFC5072芯片上第一次混频，降低信号中心频率。

4) 信号在MAX2837芯片进行第二次混频，变成模拟基带信号。

5) 通过MAX5864ADC/DAC芯片对模拟基带信号进行模拟信号数字化。

6) 信号送入复杂可编程逻辑器件CPLD，进行数字信号的预处理。

7) LPC43xx处理器将采样数据通过USB2.0输入至计算机内。

1.2 软件平台

研究采用Gnuradio软件平台，是基于Linux系统的开源软件程序，是一系列信号处理组件的结合体，在与硬件平台结合下，通过软件编程实现对信号的处理、收发，从而组成一个具有完整功能的通讯系统。

Gnuradio系统内部结构如图3所示。程序使用流图机制，即由PYTHON语言创建流图(Flowgraph)，顶层的模块调用底层的C++信号处理模块之间的信号，通过简化包以及接口生成器(SWIG)进行黏合，SWIG等效于两者的黏合剂，以此实现通信系统的各种功能。

图3 Gnuradio系统内部结构

1.3 系统有效性测试

典型的Gnuradio FM通信接收系统[7]如图4所示，Osmocom信号源模块是一个较为抽象的信源模块，该模块会控制HackRF One工作模式处于接收的位置，采样获得的数据会从HackRF中流出，通过USB接口传入下一个模块进行处理；宽带调频模块是整个系统的核心，把FM无线电信号(复数基带信号)转化为实数音频信号，宽带调频是FM广播数字信号的调制方式；声卡模块将接收实数音频信号用PC声卡播出，此外系统还集成了快速傅里叶频谱分析仪模块，低通滤波器模块。图5所示为HackRF One与PC Gnuradio测试平台。图6为基于软硬件平台接收的FM广播频谱图，由图6可知，信号在97.9 MHz附近最强并能听见广播声音，由此可以验证系统的正确运行，软硬件方面达到了极好的兼容。

图4 典型的Gnuradio FM通信接收系统

图5 HackRF One与PC Gnuradio测试平台

图6 基于软硬件平台接收的FM广播频谱图

2 VDES 16QAM调制解调原理

2.1 16QAM调制原理

16QAM调制同时利用相位和幅度，在频谱利用效率上有明显的优势，此外，由于实现较为简单，因此普遍应用于各种通信系统中。16QAM调制后的信号可以表示为[8]：

=I(t)cosωct-Q(t)sinωct,

(1)

式中，SMQAM(t)为MQAM信号；Ak为载波的振幅；g(t-kTg)为成型的基带波形；ωc为载波频率；θk为载波相位；I(t)为同向分量；Q(t)为正交分量。

公式(1)说明，QAM信号为对载波进行幅度与相位的联合调制，cosωct和sinωct正交的波进行离散信号序列调制及叠加，MQAM中的M为星座点数目，其为16时，即为16QAM调制。

16QAM信号调制结构图如图7所示。图7中，一路二进制序列输入至串/并变换器后输出2路速率减半的并行序列，再分别通过电平转换器将2电平转换成为L电平基带信号。该L电平的基带信号还需经过预调制低通滤波器(LPF)滤波以降低带外辐射的影响，形成X(t)和Y(t)2路信号，其中一路与同向载波相乘，另一路则与正交载波相乘。最后2路信号相加可得到16QAM调制信号。

图7 16QAM信号调制结构图

2.2 16QAM解调原理

对16QAM信号解调时，接收端收到的已调信号分别与互相正交的2路载波信号相乘，化简之后同相信号的表达式为：

I(t)=Y(t)cosωct

=(Amcosωct+Bmsinωct)cosωct

(2)

正交分量的表达式为：

Q(t)=Y(t)sinωct

=(Amcosωct+Bmsinωct)sinωct

(3)

式中，Am与Bm为离散振幅。

目前，对16QAM信号的解调方法很多，主要方法有以下3种：模拟相干解调、数字相干解调、全数字解调。最常用的相干解调方法原理如图8所示。经过解调与载波恢复后得到同相与正交2路相互独立的多电平基带信号，然后把多电平基带信号经过低通滤波器之后得到直流分量Am/2和Bm/2,再进行电平判决与L电平到2电平的转换，最后进行并/串转换输出解调的数字信号[9]。

图8 最常用的相干解调方法原理

3 16QAM的实现及结果分析

在Gnuradio上搭建发射端程序如图9所示。在变量设置模块设置系统的采样率为20 kHz。随机信号源模块产生随机信号，设置信号产生范围是最小为0，最大为16，信号发送数量为1 000且重复发送。QAM调制模块主要用于信号的调制，星座点数设置为16，即采用的是16QAM调制方式，采用格雷序列码与差分编码，采样数为6。示波器模块设置的采样率依然为20 kHz，交流耦合打开，触发模式设置为自动。快速傅里叶变换频谱分析仪设置采样率为20 kHz，变换大小为1.024 kHz，刷新率为15帧。发射模块中的发射频率设置为700 MHz ，HackRF One的放大器设置为14dB，HackRF One的中频增益设置为20dB，代表进入MAX2837收发器后给的增益，基带增益设置为20dB，代表进入ADC/DAC芯片后给的增益。

图9 在Gnuradio上搭建发射端程序

设计采用随机信号作为发射信号源，该信号源能重复不断地发送随机信号送入QAM调制模块进行信号的调制，通过将输出数据经过幅度的变换后将调制好的信号发射出去。此时发射端信号FFT频谱图如图10所示，16QAM信号星座图如图11所示。从图11可以看出，横坐标为I路同相载波，纵坐标为Q路正交载波，共相交成16个主点线，可以证明采用的16QAM模式。

图10 发射端信号FFT频谱图

图11 16QAM信号星座图

在Gnuradio上搭建接收端程序如图12所示。基于发射端类似的配置，信号源和接收端的发射模块相照应，变量设置模块、示波器模块、快速傅里叶频谱分析仪模块以及QAM解调模块配置与发送端类似，本文在此不再赘述。自动增益调节模块的增益随信号的强度自动变化，解码比特值设置为2 kHz，与解码器模块用于完成抽样判决。输出模块将采集的信息保存至计算机内。

图12 在Gnuradio上搭建接收端程序

接收到的信号经过采样和增益调节后，使误差达到最小，然后通过低通滤波器滤除高频部分，送入解调模块，而后将处理后的信号进行抽样判决并保存到计算机中。接收端接收到的频谱图波形如图13所示，和图10的发射信号对照，达到了对发射信号的接收，波形在高频部产生了抖动，数据有些许的丢失，但整体上完成了对16QAM信号的发射与接收，实验研究达到了研究要求。

图13 接收端收到的频谱波形

4 结束语

研究采用软件无线电平台Gnuradio与开源硬件HackRF One组成的无线收发系统，基于16QAM调制解调技术实现了VDES船岸信号的收发，达到了预期收发的目的。由于实验验证是运行在基于Intel i5 3.2GHz CPU的VMware虚拟机上，波形收发的一致证明收发系统的运行良好，但当采样率达到4 000时，CPU负荷已将近90%，系统负载严重，后期的产品研究拟采用FPGA/DSP处理器代替PC，配合HackRF One完成16QAM信号的收发工作。