基于軟件無線電的船用VDES調制解調的研究

胡傳杰，金華標，王 卓

(武漢理工大學，湖北 武漢 430063)

隨著經濟全球化的不斷完善，世界90%以上的貨物運輸依賴船舶[1]。在船用自動識別系統(AIS)使用范圍不斷擴大的情形下，AIS的局限性日趨顯現，包括非安全性導航信息等擴展應用的不斷增加，AIS的數據交換能力嚴重不足，在某些繁忙的港區甚至出現極高的數據鏈路負擔，重要信息包丟失率極高[2]。為解決這一問題，國際電信聯盟(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據交換系統(VDES)開發進程。由于業務需求的多樣化，VDES龐大且復雜，主要由AIS、專用報文(ASM)、甚高頻數據交換(VDE)3種業務類型[3]組成。為了提供強大的數據交換能力，VDES支持多種調制方式[4]，包括在25 kHz信道上的AIS采用高斯最小頻移鍵控(GMSK)單載波調制，能夠達到的原始數據速率為9.6 kbps；ASM的25 kHz信道上支持π/4正交相移鍵控(π/4 -QPSK)單載波調制，其原始傳輸數據的速率為28.8 kbps，能夠提供比AIS速率更高的數據傳輸[5]速率。VDES系統支持多種調制方式，為了使得頻譜效率和吞吐量達到最大，在其100 kHz信道中采用16位正交幅度調制解調(16QAM)多載波調制，數據速率達到了307.2 kbps，AIS、ASM的調制解調研究早已提上日程且研究頗多，VDE由于衛星研制進展相對較遲，16QAM的多載波調制具有高的頻譜利用率及較大的數據吞吐量，對16QAM調制解調技術的研究顯得極為迫切。

VDES的各項具體通信設備已于2019年的WRC-19大會上正式確立商業化途徑，但目前專業的VDES技術開發板極少，如VDES1000等，其價格過于昂貴，此時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建一個標準的、通用的、模塊化的硬件平臺，通過可進行編程的軟件平臺來實現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的通訊系統設計方案[6]，軟件無線電系統結構示意圖如圖1所示。在開發設計中，軟件無線電設計靈活，不需要對硬件平臺進行更改，而是直接通過編程軟件來實現，降低了研發費用，減少了開發周期，而且操作極為方便，是研究VDES 16QAM調制解調技術極好的平臺。

圖1 軟件無線電系統結構示意圖

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，實現2臺設備無線信號互相收發。HackRF One與PC端連接后，通過軟件平臺的驅動就能完成對設備通信信道的控制，基于計算機對信號進行軟件層面的放大、濾波、混頻、采樣等處理來完成信號的收發，其硬件架構如圖2所示。

圖2 HackRF One硬件架構

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

1) 天線電磁感應的模擬信號經過14dB的放大器放大。

2) 信號進行高通、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行模擬信號數字化。

6) 信號送入復雜可編程邏輯器件CPLD，進行數字信號的預處理。

7) LPC43xx處理器將采樣數據通過USB2.0輸入至計算機內。

1.2 軟件平臺

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

Gnuradio系統內部結構如圖3所示。程序使用流圖機制，即由PYTHON語言創建流圖(Flowgraph)，頂層的模塊調用底層的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)進行黏合，SWIG等效于兩者的黏合劑，以此實現通信系統的各種功能。

圖3 Gnuradio系統內部結構

1.3 系統有效性測試

典型的Gnuradio FM通信接收系統[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，采樣獲得的數據會從HackRF中流出，通過USB接口傳入下一個模塊進行處理；寬帶調頻模塊是整個系統的核心，把FM無線電信號(復數基帶信號)轉化為實數音頻信號，寬帶調頻是FM廣播數字信號的調制方式；聲卡模塊將接收實數音頻信號用PC聲卡播出，此外系統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附近最強并能聽見廣播聲音，由此可以驗證系統的正確運行，軟硬件方面達到了極好的兼容。

圖4 典型的Gnuradio FM通信接收系統

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調制解調原理

2.1 16QAM調制原理

16QAM調制同時利用相位和幅度，在頻譜利用效率上有明顯的優勢，此外，由于實現較為簡單，因此普遍應用于各種通信系統中。16QAM調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信號為對載波進行幅度與相位的聯合調制，cosωct和sinωct正交的波進行離散信號序列調制及疊加，MQAM中的M為星座點數目，其為16時，即為16QAM調制。

16QAM信號調制結構圖如圖7所示。圖7中，一路二進制序列輸入至串/并變換器后輸出2路速率減半的并行序列，再分別通過電平轉換器將2電平轉換成為L電平基帶信號。該L電平的基帶信號還需經過預調制低通濾波器(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調制信號。

圖7 16QAM信號調制結構圖

2.2 16QAM解調原理

對16QAM信號解調時，接收端收到的已調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式為：

I(t)=Y(t)cosωct

=(Amcosωct+Bmsinωct)cosωct

(2)

正交分量的表達式為：

Q(t)=Y(t)sinωct

=(Amcosωct+Bmsinωct)sinωct

(3)

式中，Am與Bm為離散振幅。

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

圖8 最常用的相干解調方法原理

3 16QAM的實現及結果分析

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

圖9 在Gnuradio上搭建發射端程序

設計采用隨機信號作為發射信號源，該信號源能重復不斷地發送隨機信號送入QAM調制模塊進行信號的調制，通過將輸出數據經過幅度的變換后將調制好的信號發射出去。此時發射端信號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，橫坐標為I路同相載波，縱坐標為Q路正交載波，共相交成16個主點線，可以證明采用的16QAM模式。

圖10 發射端信號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。基于發射端類似的配置，信號源和接收端的發射模塊相照應，變量設置模塊、示波器模塊、快速傅里葉頻譜分析儀模塊以及QAM解調模塊配置與發送端類似，本文在此不再贅述。自動增益調節模塊的增益隨信號的強度自動變化，解碼比特值設置為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算機內。

圖12 在Gnuradio上搭建接收端程序

接收到的信號經過采樣和增益調節后，使誤差達到最小，然后通過低通濾波器濾除高頻部分，送入解調模塊，而后將處理后的信號進行抽樣判決并保存到計算機中。接收端接收到的頻譜圖波形如圖13所示，和圖10的發射信號對照，達到了對發射信號的接收，波形在高頻部產生了抖動，數據有些許的丟失，但整體上完成了對16QAM信號的發射與接收，實驗研究達到了研究要求。

圖13 接收端收到的頻譜波形

4 結束語

研究采用軟件無線電平臺Gnuradio與開源硬件HackRF One組成的無線收發系統，基于16QAM調制解調技術實現了VDES船岸信號的收發，達到了預期收發的目的。由于實驗驗證是運行在基于Intel i5 3.2GHz CPU的VMware虛擬機上，波形收發的一致證明收發系統的運行良好，但當采樣率達到4 000時，CPU負荷已將近90%，系統負載嚴重，后期的產品研究擬采用FPGA/DSP處理器代替PC，配合HackRF One完成16QAM信號的收發工作。