VDES系統(tǒng)中OFDM調(diào)制方式的仿真研究

劉暢 趙汝雪

摘? 要： 針對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)鏈路負(fù)載問題，提出數(shù)字OFDM調(diào)制方法。文中以VDES為研究背景，提出將高速傳輸技術(shù)正交頻分復(fù)用（OFDM）集成到VDES系統(tǒng)中，進(jìn)行物理層仿真建模，采用不同的數(shù)字調(diào)制方案模擬海上真實(shí)數(shù)據(jù)通信的誤碼率性能，并對其通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)較低的誤碼率，有效地實(shí)現(xiàn)海上甚高頻數(shù)據(jù)通信。

關(guān)鍵詞： VDES; OFDM調(diào)制; 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng); 無線通信; 誤碼率模擬; 仿真分析

中圖分類號(hào)： TN911?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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

近年來，隨著船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）的快速推廣，AIS系統(tǒng)的可用頻段內(nèi)變得非常擁擠，并且在許多繁忙的港口出現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)鏈路負(fù)載。這導(dǎo)致信息阻塞，丟失大量重要信息，并影響航行安全。針對這個(gè)嚴(yán)重問題，國際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）首次提出了VHF數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VDES）的概念，并以此來支持E?航海的數(shù)據(jù)交換需求[1]?；谧畛醯腁IS功能，VDES增加了特殊應(yīng)用報(bào)文（ASM）和寬帶VHF數(shù)據(jù)交換（VDE），可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，有效緩解現(xiàn)有AIS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信的壓力[2]。甚高頻（VHF）無線通信設(shè)備是實(shí)現(xiàn)近海和內(nèi)陸水域短距離無線通信的主要設(shè)備，其工作頻段范圍為156～174 MHz。由于工作頻段窄、通信能力小，國際電信聯(lián)盟（ITU）在ITU?R M.1842號(hào)技術(shù)建議書[3]中提出海上甚高頻無線電新技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)，其中，正交頻分復(fù)用（OFDM）是高速率傳輸?shù)闹饕夹g(shù)之一[4?5]。OFDM技術(shù)不僅可以提高頻帶利用率，還可以減小多徑衰落的影響，有效地消除多徑干擾[6?7]。因此，本文以O(shè)FDM技術(shù)為研究對象，通過深入分析調(diào)制解調(diào)原理并進(jìn)行仿真，完成對VDES系統(tǒng)的性能分析。

1? OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)

OFDM是無線通信系統(tǒng)中一種有效且非常重要的方法，由多載波調(diào)制發(fā)展而來，它的調(diào)制和解調(diào)分別基于IFFT和FFT實(shí)現(xiàn)。OFDM的主要思想是：將高速串行信息分成多個(gè)并行的低速子數(shù)據(jù)流，并調(diào)制到每個(gè)子信道上，以不同的頻率同時(shí)并行傳輸[8]。OFDM系統(tǒng)的模型框圖如圖1所示。

在圖1中，由信源發(fā)送的二進(jìn)制信息需要首先進(jìn)行基帶調(diào)制（也稱星座映射），映射為某種復(fù)數(shù)符號(hào)。正交振幅調(diào)制的一般表達(dá)式為：

式中，[Ts]為碼元長度。16QAM的每個(gè)星座點(diǎn)對應(yīng)4位，通常采用格雷映射，相鄰星座點(diǎn)之間只有一個(gè)比特位差[9]。當(dāng)子載波的數(shù)量是N時(shí)，串行數(shù)據(jù)在被QAM星座映射之后變?yōu)镹組并行數(shù)據(jù)，并且被不同的子載波調(diào)制，得到一個(gè)OFDM符號(hào)s（t）。OFDM信號(hào)的表示式為：

式中：T為OFDM的符號(hào)周期;[ts]為一個(gè)OFDM符號(hào)的時(shí)間起點(diǎn)，且[fi=fc+iT]（其中i=0，1，…，[N-1]，[fc]是載波頻率）;[di]為每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)。

2? OFDM系統(tǒng)的IFFT/FFT實(shí)現(xiàn)

可以看出[sk]等效為對[di]進(jìn)行IDFT運(yùn)算。在接收端可以對[sk]進(jìn)行反變換，然后得到原始的數(shù)據(jù)符號(hào)[di]，即：

從圖2中看出，IDFT/DFT實(shí)現(xiàn)等同于模擬調(diào)制實(shí)現(xiàn)。

3? 保護(hù)間隔和加窗技術(shù)

OFDM技術(shù)能夠有效地對抗多徑干擾，這是應(yīng)用OFDM的主要原因之一[10]。為了確保不發(fā)生符號(hào)間干擾（ISI），保護(hù)間隔需要大于或等于信道的最大延遲擴(kuò)展，可以在保護(hù)間隔內(nèi)不插入信號(hào)，但這會(huì)破壞子載波之間的正交性，導(dǎo)致子載波間干擾（ICI）。通常解決辦法有三種方式：循環(huán)前綴、循環(huán)后綴和循環(huán)前后綴組合[11]。OFDM符號(hào)的每個(gè)子載波的功率大致對應(yīng)于采樣函數(shù)的形狀，并且整個(gè)功率譜的帶外輻射相對較大。通常采用時(shí)域加窗和頻域?yàn)V波兩種方法，適當(dāng)?shù)倪x擇滾降系數(shù)可以使得帶寬之外的功率更快地下降。

4? 仿真過程及分析

4.1? 仿真過程

VDES系統(tǒng)物理層仿真是基于對OFDM系統(tǒng)進(jìn)行的建模，由于海上VHF信道良好的視距傳輸特性，可以選擇高斯信道作為模擬信道。然而，隨著傳輸距離的增加，VHF無線信道傳輸會(huì)出現(xiàn)多徑衰落[12]，因此，模擬信道將高斯白噪聲添加到多徑瑞利衰落信道，以模擬真實(shí)的海上數(shù)據(jù)傳輸鏈路。利用Matlab搭建的物理層鏈路仿真流程如圖3所示。

4.2? 仿真結(jié)果分析

4.2.1? OFDM信號(hào)調(diào)制和解調(diào)仿真

首先，每4位將要傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為一個(gè)16QAM信號(hào)（0000～1111），再將每個(gè)取值映射到復(fù)平面一一對應(yīng)。仿真結(jié)果如圖4所示，是發(fā)送的16QAM信號(hào)星座，圖5表示當(dāng)信噪比為30 dB時(shí)接收端的星座圖。

圖6與圖7分別是OFDM信號(hào)的時(shí)域波形和加窗對OFDM頻譜的影響。在接收端，數(shù)據(jù)經(jīng)歷與發(fā)送端相反的過程。將并行數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，去掉循環(huán)前綴與后綴，求FFT對OFDM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，最后在圖8中可以看出，要發(fā)送的二進(jìn)制比特流與解調(diào)的二進(jìn)制比特流相同。

4.2.2? 性能分析

誤碼率是評價(jià)海上甚高頻數(shù)據(jù)通信仿真模型結(jié)果最重要的一個(gè)參數(shù)，本文研究了OFDM信號(hào)在VDES背景下，六種不同調(diào)制方案的信噪比與誤碼率之間的關(guān)系如圖9、圖10所示。從仿真結(jié)果可以看出，在MPSK調(diào)制方式中調(diào)制性能最好的是4PSK（又稱QPSK），并且每符號(hào)QPSK僅調(diào)制2 bit信息。在MQAM調(diào)制方式中調(diào)制性能最好的是4QAM，其次是16QAM，并且每符號(hào)16QAM可以調(diào)制4 bit信息。因此，綜合考慮性能和速率，選擇16QAM調(diào)制方式是合理的。

5? 結(jié)? 語

本文針對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)鏈路負(fù)載問題，提出數(shù)字OFDM調(diào)制方法?；贠FDM系統(tǒng)進(jìn)行物理層仿真建模，采用不同的數(shù)字調(diào)制方案模擬海上真實(shí)數(shù)據(jù)通信的誤碼率性能。仿真結(jié)果表明，上述技術(shù)可以獲得良好的系統(tǒng)性能，并獲得較低的誤碼率。另一方面，數(shù)字OFDM調(diào)制在海上甚高頻通信中的應(yīng)用，可以為將來E?航海通信基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展提供指導(dǎo)。

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