VDES系统中OFDM调制方式的仿真研究

刘畅 赵汝雪

摘  要： 针对现有的数据链路负载问题，提出数字OFDM调制方法。文中以VDES为研究背景，提出将高速传输技术正交频分复用（OFDM）集成到VDES系统中，进行物理层仿真建模，采用不同的数字调制方案模拟海上真实数据通信的误码率性能，并对其通信系统的性能进行仿真分析。结果表明，该方法可以实现较低的误码率，有效地实现海上甚高频数据通信。

关键词： VDES; OFDM调制; 自动识别系统; 无线通信; 误码率模拟; 仿真分析

中图分类号： TN911?34; TP391                  文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）06?0078?04

Research on simulation of OFDM modulation mode in VDES system

LIU Chang， ZHAO Ruxue

（School of Information Science Technology， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China）

Abstract： A digital OFDM modulation method is proposed to solve the data link load. Based on the research background of VDES （VHF data exchange system）， the high?speed transmission technique OFDM （orthogonal frequency division multiplexing） is integrated into the VDES system， the simulation modeling of physical layer is conducted， the bit error rate performance is simulated with real data communication at sea by means of different digital modulation schemes， and the performance of the communication system is simulated and analyzed. The results show that this method can realize the lower bit error rate， and realize VHF data communication effectively.

Keywords： VDES; OFDM modulation; automatic identification system; wireless communication; bit error rate simulation; simulation analysis

0  引  言

近年来，随着船舶自动识别系统（AIS）的快速推广，AIS系统的可用频段内变得非常拥挤，并且在许多繁忙的港口出现很高的数据链路负载。这导致信息阻塞，丢失大量重要信息，并影响航行安全。针对这个严重问题，国际航标协会（IALA）首次提出了VHF数据交换系统（VDES）的概念，并以此来支持E?航海的数据交换需求[1]。基于最初的AIS功能，VDES增加了特殊应用报文（ASM）和宽带VHF数据交换（VDE），可以实现更高的数据传输速率，有效缓解现有AIS系统中数据通信的压力[2]。甚高频（VHF）无线通信设备是实现近海和内陆水域短距离无线通信的主要设备，其工作频段范围为156～174 MHz。由于工作频段窄、通信能力小，国际电信联盟（ITU）在ITU?R M.1842号技术建议书[3]中提出海上甚高频无线电新技术的发展目标，其中，正交频分复用（OFDM）是高速率传输的主要技术之一[4?5]。OFDM技术不仅可以提高频带利用率，还可以减小多径衰落的影响，有效地消除多径干扰[6?7]。因此，本文以OFDM技术为研究对象，通过深入分析调制解调原理并进行仿真，完成对VDES系统的性能分析。

1  OFDM系统的调制和解调

OFDM是无线通信系统中一种有效且非常重要的方法，由多载波调制发展而来，它的调制和解调分别基于IFFT和FFT实现。OFDM的主要思想是：将高速串行信息分成多个并行的低速子数据流，并调制到每个子信道上，以不同的频率同时并行传输[8]。OFDM系统的模型框图如图1所示。

在图1中，由信源发送的二进制信息需要首先进行基带调制（也称星座映射），映射为某种复数符号。正交振幅调制的一般表达式为：

式中，[Ts]为码元长度。16QAM的每个星座点对应4位，通常采用格雷映射，相邻星座点之间只有一个比特位差[9]。当子载波的数量是N时，串行数据在被QAM星座映射之后变为N组并行数据，并且被不同的子载波调制，得到一个OFDM符号s（t）。OFDM信号的表示式为：

式中：T为OFDM的符号周期;[ts]为一个OFDM符号的时间起点，且[fi=fc+iT]（其中i=0，1，…，[N-1]，[fc]是载波频率）;[di]为每个子信道的数据符号。

2  OFDM系统的IFFT/FFT实现

可以看出[sk]等效為对[di]进行IDFT运算。在接收端可以对[sk]进行反变换，然后得到原始的数据符号[di]，即：

从图2中看出，IDFT/DFT实现等同于模拟调制实现。

3  保护间隔和加窗技术

OFDM技术能够有效地对抗多径干扰，这是应用OFDM的主要原因之一[10]。为了确保不发生符号间干扰（ISI），保护间隔需要大于或等于信道的最大延迟扩展，可以在保护间隔内不插入信号，但这会破坏子载波之间的正交性，导致子载波间干扰（ICI）。通常解决办法有三种方式：循环前缀、循环后缀和循环前后缀组合[11]。OFDM符号的每个子载波的功率大致对应于采样函数的形状，并且整个功率谱的带外辐射相对较大。通常采用时域加窗和频域滤波两种方法，适当的选择滚降系数可以使得带宽之外的功率更快地下降。

4  仿真过程及分析

4.1  仿真过程

VDES系统物理层仿真是基于对OFDM系统进行的建模，由于海上VHF信道良好的视距传输特性，可以选择高斯信道作为模拟信道。然而，随着传输距离的增加，VHF无线信道传输会出现多径衰落[12]，因此，模拟信道将高斯白噪声添加到多径瑞利衰落信道，以模拟真实的海上数据传输链路。利用Matlab搭建的物理层链路仿真流程如图3所示。

4.2  仿真结果分析

4.2.1  OFDM信号调制和解调仿真

首先，每4位将要传输的二进制数据流转换为一个16QAM信号（0000～1111），再将每个取值映射到复平面一一对应。仿真结果如图4所示，是发送的16QAM信号星座，图5表示当信噪比为30 dB时接收端的星座图。

图6与图7分别是OFDM信号的时域波形和加窗对OFDM频谱的影响。在接收端，数据经历与发送端相反的过程。将并行数据进行串并转换，去掉循环前缀与后缀，求FFT对OFDM信号进行解调，最后在图8中可以看出，要发送的二进制比特流与解调的二进制比特流相同。

4.2.2  性能分析

误码率是评价海上甚高频数据通信仿真模型结果最重要的一个参数，本文研究了OFDM信号在VDES背景下，六种不同调制方案的信噪比与误码率之间的关系如图9、图10所示。从仿真结果可以看出，在MPSK调制方式中调制性能最好的是4PSK（又称QPSK），并且每符号QPSK仅调制2 bit信息。在MQAM调制方式中调制性能最好的是4QAM，其次是16QAM，并且每符号16QAM可以调制4 bit信息。因此，综合考虑性能和速率，选择16QAM调制方式是合理的。

5  结  语

本文针对现有的数据链路负载问题，提出数字OFDM调制方法。基于OFDM系统进行物理层仿真建模，采用不同的数字调制方案模拟海上真实数据通信的误码率性能。仿真结果表明，上述技术可以获得良好的系统性能，并获得较低的误码率。另一方面，数字OFDM调制在海上甚高频通信中的应用，可以为将来E?航海通信基础设施的发展提供指导。

参考文献

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