VDES系统中π/4-OQPSK调制方式仿真研究

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。

图3 π/4-OQPSK解调原理图

输入信号为Sk(t)=cos(ωct+φk),在同向支路和本地载波cos(ωct+θ0)相乘,经过低通滤波器滤除低频分量,取样后得

(6)

式中，θ0为相位;WK为同向支路的输出信号。

另一路信号在正交支路与本地载波-sin(ωct+θ0)相乘,经过相同的低通滤波器滤除低频分量,取样后得

(7)

式中ZK为同向支路的输出信号。

接收端的核心为差分相位解码电路的设计,将输出的WK与ZK两路信号送入解码电路,在白噪声时,θ0=0,则WK=UK,ZK=VK,但是在一般条件下θ0≠0。其解码规则为

(8)

式中WK-1为同向支路的前一次输出信号;ZK-1为同向支路的前一次输出信号;UK为同向支路解码信号;VK为解码信号;由此可得

(9)

(10)

根据调制端的编码规则和相位星座图,可以设定判决规则如下。

(11)

3 仿真过程及分析

3.1 仿真参数

根据π/4-OQPSK信号调制解调原理的研究,对π/4-OQPSK信号调制解调进行仿真,π/4-OQPSK信号参数如表2所示:

表2 仿真参数

3.2 仿真结果分析

3.2.1 π/4-OQPSK信号调制仿真

发送端用Matlab随机产生一组0、1作为基带信号,将其进行双极性编码,然后对基带信号串并转换为I、Q两路,其仿真结果如图4所示。串并转换后的信号经过延时和差分编码后形成两路{-1,-0.7,0,0.7,1}的数据,仿真结果如图5所示。

图4 基带信号及串并转换

图5 差分相位编码后的信号

图6 π/4-OQPSK星座图

图7 π/4-OQPSK星座变化图

3.2.2 π/4-OQPSK信号解调仿真

接收端,将接收来的信号与本地载波相乘,然后对相乘后的信号低通滤波、取样,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；最后,将两路信号并串转换,合成一路信号,从而得到原始的基带信号。图8表示接收滤波后的数据,由于有噪声,滤波后的数据不平滑。

图9表示接收端解码后的数据,这组数据经过采样,并串转换后便得到发送的数据源。从图10中可以看出原始信号与解调后的信号相同。

3.3 性能分析

本文是在VDES的环境下对π/4-OQPSK进行信道和噪声仿真测试。在图11中,信号分别在不同信噪比条件下对解调方法进了仿真测试。测试结果表明,在无信道噪声且信噪比15dB时,系统误码性能在10-4以下;当信噪比小于15dB时误码率随着信噪比的增大而越小。

图8 π/4-OQPSK滤波后信号

图9 π/4-OQPSK解码数据

图10 π/4-OQPSK解调后信号

图11 π/4-OQPSK误码率曲线

在图12中,信号在通过莱斯信道的基础上在不同信噪比条件下对解调方法进了测试,测试结果表明,在莱斯信道下,当信噪比大于30dB时系统误码性能在10-3以下。

图12 π/4-OQPSK误码率曲线

4 结论

本文对VDES的调制方式π/4-OQPSK进行了分析和公式推导,并针对其进行Matlab建模仿真和性能分析。仿真结果表明在没有信道干扰条件下加入白噪声能正确的进行数据解调;当信噪比15dB时系统误码性能达到10-4以下;在莱斯信道下,当信噪比大于30dB时,系统误码性能在10-3以下。