基于軟件無線電的船用VDES調(diào)制解調(diào)的研究

胡傳杰，金華標(biāo)，王 卓

(武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷完善，世界90%以上的貨物運(yùn)輸依賴船舶[1]。在船用自動識別系統(tǒng)(AIS)使用范圍不斷擴(kuò)大的情形下，AIS的局限性日趨顯現(xiàn)，包括非安全性導(dǎo)航信息等擴(kuò)展應(yīng)用的不斷增加，AIS的數(shù)據(jù)交換能力嚴(yán)重不足，在某些繁忙的港區(qū)甚至出現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)鏈路負(fù)擔(dān)，重要信息包丟失率極高[2]。為解決這一問題，國際電信聯(lián)盟(ITU)于2015年的第十五屆世界無線電通信大會(WRC-15)中審議確定了甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(VDES)開發(fā)進(jìn)程。由于業(yè)務(wù)需求的多樣化，VDES龐大且復(fù)雜，主要由AIS、專用報(bào)文(ASM)、甚高頻數(shù)據(jù)交換(VDE)3種業(yè)務(wù)類型[3]組成。為了提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交換能力，VDES支持多種調(diào)制方式[4]，包括在25 kHz信道上的AIS采用高斯最小頻移鍵控(GMSK)單載波調(diào)制，能夠達(dá)到的原始數(shù)據(jù)速率為9.6 kbps；ASM的25 kHz信道上支持π/4正交相移鍵控(π/4 -QPSK)單載波調(diào)制，其原始傳輸數(shù)據(jù)的速率為28.8 kbps，能夠提供比AIS速率更高的數(shù)據(jù)傳輸[5]速率。VDES系統(tǒng)支持多種調(diào)制方式，為了使得頻譜效率和吞吐量達(dá)到最大，在其100 kHz信道中采用16位正交幅度調(diào)制解調(diào)(16QAM)多載波調(diào)制，數(shù)據(jù)速率達(dá)到了307.2 kbps，AIS、ASM的調(diào)制解調(diào)研究早已提上日程且研究頗多，VDE由于衛(wèi)星研制進(jìn)展相對較遲，16QAM的多載波調(diào)制具有高的頻譜利用率及較大的數(shù)據(jù)吞吐量，對16QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究顯得極為迫切。

VDES的各項(xiàng)具體通信設(shè)備已于2019年的WRC-19大會上正式確立商業(yè)化途徑，但目前專業(yè)的VDES技術(shù)開發(fā)板極少，如VDES1000等，其價(jià)格過于昂貴，此時(shí)軟件無線電是一個不錯的選擇。軟件無線電的核心思想就是構(gòu)建一個標(biāo)準(zhǔn)的、通用的、模塊化的硬件平臺，通過可進(jìn)行編程的軟件平臺來實(shí)現(xiàn)各種無線通訊的功能，舍棄了之前面向用途的以硬件為基礎(chǔ)的通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[6]，軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在開發(fā)設(shè)計(jì)中，軟件無線電設(shè)計(jì)靈活，不需要對硬件平臺進(jìn)行更改，而是直接通過編程軟件來實(shí)現(xiàn)，降低了研發(fā)費(fèi)用，減少了開發(fā)周期，而且操作極為方便，是研究VDES 16QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)極好的平臺。

圖1 軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1 平臺搭建

1.1 硬件平臺

研究采用一款開源軟件無線電硬件平臺HackRF One，基于2臺HackRF One硬件平臺，它可以通過USB與Gnuradio軟件平臺配合使用，實(shí)現(xiàn)2臺設(shè)備無線信號互相收發(fā)。HackRF One與PC端連接后，通過軟件平臺的驅(qū)動就能完成對設(shè)備通信信道的控制，基于計(jì)算機(jī)對信號進(jìn)行軟件層面的放大、濾波、混頻、采樣等處理來完成信號的收發(fā)，其硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 HackRF One硬件架構(gòu)

如圖2所示，以接收端為例，信號源的信號由HackRF One的天線到計(jì)算機(jī)的處理流程如下。

1) 天線電磁感應(yīng)的模擬信號經(jīng)過14dB的放大器放大。

2) 信號進(jìn)行高通、低通濾波，完成前端處理。

3) 信號在RFFC5072芯片上第一次混頻，降低信號中心頻率。

4) 信號在MAX2837芯片進(jìn)行第二次混頻，變成模擬基帶信號。

5) 通過MAX5864ADC/DAC芯片對模擬基帶信號進(jìn)行模擬信號數(shù)字化。

6) 信號送入復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD，進(jìn)行數(shù)字信號的預(yù)處理。

7) LPC43xx處理器將采樣數(shù)據(jù)通過USB2.0輸入至計(jì)算機(jī)內(nèi)。

1.2 軟件平臺

研究采用Gnuradio軟件平臺，是基于Linux系統(tǒng)的開源軟件程序，是一系列信號處理組件的結(jié)合體，在與硬件平臺結(jié)合下，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對信號的處理、收發(fā)，從而組成一個具有完整功能的通訊系統(tǒng)。

Gnuradio系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。程序使用流圖機(jī)制，即由PYTHON語言創(chuàng)建流圖(Flowgraph)，頂層的模塊調(diào)用底層的C++信號處理模塊之間的信號，通過簡化包以及接口生成器(SWIG)進(jìn)行黏合，SWIG等效于兩者的黏合劑，以此實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能。

圖3 Gnuradio系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 系統(tǒng)有效性測試

典型的Gnuradio FM通信接收系統(tǒng)[7]如圖4所示，Osmocom信號源模塊是一個較為抽象的信源模塊，該模塊會控制HackRF One工作模式處于接收的位置，采樣獲得的數(shù)據(jù)會從HackRF中流出，通過USB接口傳入下一個模塊進(jìn)行處理；寬帶調(diào)頻模塊是整個系統(tǒng)的核心，把FM無線電信號(復(fù)數(shù)基帶信號)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)音頻信號，寬帶調(diào)頻是FM廣播數(shù)字信號的調(diào)制方式；聲卡模塊將接收實(shí)數(shù)音頻信號用PC聲卡播出，此外系統(tǒng)還集成了快速傅里葉頻譜分析儀模塊，低通濾波器模塊。圖5所示為HackRF One與PC Gnuradio測試平臺。圖6為基于軟硬件平臺接收的FM廣播頻譜圖，由圖6可知，信號在97.9 MHz附近最強(qiáng)并能聽見廣播聲音，由此可以驗(yàn)證系統(tǒng)的正確運(yùn)行，軟硬件方面達(dá)到了極好的兼容。

圖4 典型的Gnuradio FM通信接收系統(tǒng)

圖5 HackRF One與PC Gnuradio測試平臺

圖6 基于軟硬件平臺接收的FM廣播頻譜圖

2 VDES 16QAM調(diào)制解調(diào)原理

2.1 16QAM調(diào)制原理

16QAM調(diào)制同時(shí)利用相位和幅度，在頻譜利用效率上有明顯的優(yōu)勢，此外，由于實(shí)現(xiàn)較為簡單，因此普遍應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中。16QAM調(diào)制后的信號可以表示為[8]：

=I(t)cosωct-Q(t)sinωct,

(1)

式中，SMQAM(t)為MQAM信號；Ak為載波的振幅；g(t-kTg)為成型的基帶波形；ωc為載波頻率；θk為載波相位；I(t)為同向分量；Q(t)為正交分量。

公式(1)說明，QAM信號為對載波進(jìn)行幅度與相位的聯(lián)合調(diào)制，cosωct和sinωct正交的波進(jìn)行離散信號序列調(diào)制及疊加，MQAM中的M為星座點(diǎn)數(shù)目，其為16時(shí)，即為16QAM調(diào)制。

16QAM信號調(diào)制結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。圖7中，一路二進(jìn)制序列輸入至串/并變換器后輸出2路速率減半的并行序列，再分別通過電平轉(zhuǎn)換器將2電平轉(zhuǎn)換成為L電平基帶信號。該L電平的基帶信號還需經(jīng)過預(yù)調(diào)制低通濾波器(LPF)濾波以降低帶外輻射的影響，形成X(t)和Y(t)2路信號，其中一路與同向載波相乘，另一路則與正交載波相乘。最后2路信號相加可得到16QAM調(diào)制信號。

圖7 16QAM信號調(diào)制結(jié)構(gòu)圖

2.2 16QAM解調(diào)原理

對16QAM信號解調(diào)時(shí)，接收端收到的已調(diào)信號分別與互相正交的2路載波信號相乘，化簡之后同相信號的表達(dá)式為：

I(t)=Y(t)cosωct

=(Amcosωct+Bmsinωct)cosωct

(2)

正交分量的表達(dá)式為：

Q(t)=Y(t)sinωct

=(Amcosωct+Bmsinωct)sinωct

(3)

式中，Am與Bm為離散振幅。

目前，對16QAM信號的解調(diào)方法很多，主要方法有以下3種：模擬相干解調(diào)、數(shù)字相干解調(diào)、全數(shù)字解調(diào)。最常用的相干解調(diào)方法原理如圖8所示。經(jīng)過解調(diào)與載波恢復(fù)后得到同相與正交2路相互獨(dú)立的多電平基帶信號，然后把多電平基帶信號經(jīng)過低通濾波器之后得到直流分量Am/2和Bm/2,再進(jìn)行電平判決與L電平到2電平的轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換輸出解調(diào)的數(shù)字信號[9]。

圖8 最常用的相干解調(diào)方法原理

3 16QAM的實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

在Gnuradio上搭建發(fā)射端程序如圖9所示。在變量設(shè)置模塊設(shè)置系統(tǒng)的采樣率為20 kHz。隨機(jī)信號源模塊產(chǎn)生隨機(jī)信號，設(shè)置信號產(chǎn)生范圍是最小為0，最大為16，信號發(fā)送數(shù)量為1 000且重復(fù)發(fā)送。QAM調(diào)制模塊主要用于信號的調(diào)制，星座點(diǎn)數(shù)設(shè)置為16，即采用的是16QAM調(diào)制方式，采用格雷序列碼與差分編碼，采樣數(shù)為6。示波器模塊設(shè)置的采樣率依然為20 kHz，交流耦合打開，觸發(fā)模式設(shè)置為自動。快速傅里葉變換頻譜分析儀設(shè)置采樣率為20 kHz，變換大小為1.024 kHz，刷新率為15幀。發(fā)射模塊中的發(fā)射頻率設(shè)置為700 MHz ，HackRF One的放大器設(shè)置為14dB，HackRF One的中頻增益設(shè)置為20dB，代表進(jìn)入MAX2837收發(fā)器后給的增益，基帶增益設(shè)置為20dB，代表進(jìn)入ADC/DAC芯片后給的增益。

圖9 在Gnuradio上搭建發(fā)射端程序

設(shè)計(jì)采用隨機(jī)信號作為發(fā)射信號源，該信號源能重復(fù)不斷地發(fā)送隨機(jī)信號送入QAM調(diào)制模塊進(jìn)行信號的調(diào)制，通過將輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過幅度的變換后將調(diào)制好的信號發(fā)射出去。此時(shí)發(fā)射端信號FFT頻譜圖如圖10所示，16QAM信號星座圖如圖11所示。從圖11可以看出，橫坐標(biāo)為I路同相載波，縱坐標(biāo)為Q路正交載波，共相交成16個主點(diǎn)線，可以證明采用的16QAM模式。

圖10 發(fā)射端信號FFT頻譜圖

圖11 16QAM信號星座圖

在Gnuradio上搭建接收端程序如圖12所示。基于發(fā)射端類似的配置，信號源和接收端的發(fā)射模塊相照應(yīng)，變量設(shè)置模塊、示波器模塊、快速傅里葉頻譜分析儀模塊以及QAM解調(diào)模塊配置與發(fā)送端類似，本文在此不再贅述。自動增益調(diào)節(jié)模塊的增益隨信號的強(qiáng)度自動變化，解碼比特值設(shè)置為2 kHz，與解碼器模塊用于完成抽樣判決。輸出模塊將采集的信息保存至計(jì)算機(jī)內(nèi)。

圖12 在Gnuradio上搭建接收端程序

接收到的信號經(jīng)過采樣和增益調(diào)節(jié)后，使誤差達(dá)到最小，然后通過低通濾波器濾除高頻部分，送入解調(diào)模塊，而后將處理后的信號進(jìn)行抽樣判決并保存到計(jì)算機(jī)中。接收端接收到的頻譜圖波形如圖13所示，和圖10的發(fā)射信號對照，達(dá)到了對發(fā)射信號的接收，波形在高頻部產(chǎn)生了抖動，數(shù)據(jù)有些許的丟失，但整體上完成了對16QAM信號的發(fā)射與接收，實(shí)驗(yàn)研究達(dá)到了研究要求。

圖13 接收端收到的頻譜波形

4 結(jié)束語

研究采用軟件無線電平臺Gnuradio與開源硬件HackRF One組成的無線收發(fā)系統(tǒng)，基于16QAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了VDES船岸信號的收發(fā)，達(dá)到了預(yù)期收發(fā)的目的。由于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是運(yùn)行在基于Intel i5 3.2GHz CPU的VMware虛擬機(jī)上，波形收發(fā)的一致證明收發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行良好，但當(dāng)采樣率達(dá)到4 000時(shí)，CPU負(fù)荷已將近90%，系統(tǒng)負(fù)載嚴(yán)重，后期的產(chǎn)品研究擬采用FPGA/DSP處理器代替PC，配合HackRF One完成16QAM信號的收發(fā)工作。