VDES系統中OFDM調制方式的仿真研究

劉暢 趙汝雪

摘? 要： 針對現有的數據鏈路負載問題，提出數字OFDM調制方法。文中以VDES為研究背景，提出將高速傳輸技術正交頻分復用（OFDM）集成到VDES系統中，進行物理層仿真建模，采用不同的數字調制方案模擬海上真實數據通信的誤碼率性能，并對其通信系統的性能進行仿真分析。結果表明，該方法可以實現較低的誤碼率，有效地實現海上甚高頻數據通信。

關鍵詞： VDES; OFDM調制; 自動識別系統; 無線通信; 誤碼率模擬; 仿真分析

中圖分類號： TN911?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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，隨著船舶自動識別系統（AIS）的快速推廣，AIS系統的可用頻段內變得非常擁擠，并且在許多繁忙的港口出現很高的數據鏈路負載。這導致信息阻塞，丟失大量重要信息，并影響航行安全。針對這個嚴重問題，國際航標協會（IALA）首次提出了VHF數據交換系統（VDES）的概念，并以此來支持E?航海的數據交換需求[1]。基于最初的AIS功能，VDES增加了特殊應用報文（ASM）和寬帶VHF數據交換（VDE），可以實現更高的數據傳輸速率，有效緩解現有AIS系統中數據通信的壓力[2]。甚高頻（VHF）無線通信設備是實現近海和內陸水域短距離無線通信的主要設備，其工作頻段范圍為156～174 MHz。由于工作頻段窄、通信能力小，國際電信聯盟（ITU）在ITU?R M.1842號技術建議書[3]中提出海上甚高頻無線電新技術的發展目標，其中，正交頻分復用（OFDM）是高速率傳輸的主要技術之一[4?5]。OFDM技術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OFDM技術為研究對象，通過深入分析調制解調原理并進行仿真，完成對VDES系統的性能分析。

1? OFDM系統的調制和解調

OFDM是無線通信系統中一種有效且非常重要的方法，由多載波調制發展而來，它的調制和解調分別基于IFFT和FFT實現。OFDM的主要思想是：將高速串行信息分成多個并行的低速子數據流，并調制到每個子信道上，以不同的頻率同時并行傳輸[8]。OFDM系統的模型框圖如圖1所示。

在圖1中，由信源發送的二進制信息需要首先進行基帶調制（也稱星座映射），映射為某種復數符號。正交振幅調制的一般表達式為：

式中，[Ts]為碼元長度。16QAM的每個星座點對應4位，通常采用格雷映射，相鄰星座點之間只有一個比特位差[9]。當子載波的數量是N時，串行數據在被QAM星座映射之后變為N組并行數據，并且被不同的子載波調制，得到一個OFDM符號s（t）。OFDM信號的表示式為：

式中：T為OFDM的符號周期;[ts]為一個OFDM符號的時間起點，且[fi=fc+iT]（其中i=0，1，…，[N-1]，[fc]是載波頻率）;[di]為每個子信道的數據符號。

2? OFDM系統的IFFT/FFT實現

可以看出[sk]等效為對[di]進行IDFT運算。在接收端可以對[sk]進行反變換，然后得到原始的數據符號[di]，即：

從圖2中看出，IDFT/DFT實現等同于模擬調制實現。

3? 保護間隔和加窗技術

OFDM技術能夠有效地對抗多徑干擾，這是應用OFDM的主要原因之一[10]。為了確保不發生符號間干擾（ISI），保護間隔需要大于或等于信道的最大延遲擴展，可以在保護間隔內不插入信號，但這會破壞子載波之間的正交性，導致子載波間干擾（ICI）。通常解決辦法有三種方式：循環前綴、循環后綴和循環前后綴組合[11]。OFDM符號的每個子載波的功率大致對應于采樣函數的形狀，并且整個功率譜的帶外輻射相對較大。通常采用時域加窗和頻域濾波兩種方法，適當的選擇滾降系數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系統物理層仿真是基于對OFDM系統進行的建模，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無線信道傳輸會出現多徑衰落[12]，因此，模擬信道將高斯白噪聲添加到多徑瑞利衰落信道，以模擬真實的海上數據傳輸鏈路。利用Matlab搭建的物理層鏈路仿真流程如圖3所示。

4.2? 仿真結果分析

4.2.1? OFDM信號調制和解調仿真

首先，每4位將要傳輸的二進制數據流轉換為一個16QAM信號（0000～1111），再將每個取值映射到復平面一一對應。仿真結果如圖4所示，是發送的16QAM信號星座，圖5表示當信噪比為30 dB時接收端的星座圖。

圖6與圖7分別是OFDM信號的時域波形和加窗對OFDM頻譜的影響。在接收端，數據經歷與發送端相反的過程。將并行數據進行串并轉換，去掉循環前綴與后綴，求FFT對OFDM信號進行解調，最后在圖8中可以看出，要發送的二進制比特流與解調的二進制比特流相同。

4.2.2? 性能分析

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

5? 結? 語

本文針對現有的數據鏈路負載問題，提出數字OFDM調制方法。基于OFDM系統進行物理層仿真建模，采用不同的數字調制方案模擬海上真實數據通信的誤碼率性能。仿真結果表明，上述技術可以獲得良好的系統性能，并獲得較低的誤碼率。另一方面，數字OFDM調制在海上甚高頻通信中的應用，可以為將來E?航海通信基礎設施的發展提供指導。

參考文獻

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