CN115174332A - 一种船/标载vdes系统通信实现方法 - Google Patents

一种船/标载vdes系统通信实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船/标载VDES系统通信实现方法，包括VDE数据发送和VDE数据接收的步骤；所述VDE数据发送包括VDE帧信号信息解析、CRC校验与编码、进行链路层的组帧、对数据帧进行调制、子载波映射、进行内插和成型滤波、数据通路选择和使用复用的DAC数据口进行传输的步骤；所述VDE数据接收包括对VDE中频数据同步处理、进行VDE数字下变频处理、实现载波同步、分别对32个子载波进行同步处理、16QAM符号同步、频偏和相偏补偿16QAM解调、16QAM基于判决的载波跟踪、完成帧同步运算和VDE帧数据处理的步骤；本发明利用AIS系统中船载设备及助航设备的经验，结合无线电技术，VHF通信技术以及调制解调技术等关键技术，提出了一种可适用于船载及航标的VDES通信实现方法。

Description

一种船/标载VDES系统通信实现方法
技术领域
本发明涉及船舶自动识别领域，尤其涉及一种船/标载VDES系统通信实现方法。
背景技术
VDES(VHF Data Exchange System，甚高频数据交换系统)是针对水上移动业务领域中的船舶自动识别系统(AIS)加强和升级版系统，于国际电信联盟的2012年世界无线电通信大会(WRC-12)后提出，并2015年世界无线电通信大会(WRC—15)上，162个成员国及136个国际组织和团体共同审议确定的。VDES在集成了现有AIS功能的基础上，增加了：
ASM(Application Specific Messages，特殊应用报文)
VDE(VHF Data Exchange，宽带甚高频数据交换)功能可以有效缓解现有AIS数据通信的压力，为保护船舶航行安全提供有效的辅助手段，同时也将全面提升水上数据通信的能力和频率使用效率，对推动水上无线电数字通信产业发展有重要意义。
我国作为国际海事组织的A类理事国之一，也在密切跟踪国际研究情况，交通部管理部门、设备生产公司、相关高校多家也在开展VDES的验证试验。但受限于国际标准尚未最终确定以及相关实现技术具有一定难度，尚未出现工程化应用的完整功能的VDES系统终端设备及其实现方法。
发明内容
本发明的目的在于解决的缺点，提供一种船/标载VDES系统通信实现方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种船/标载VDES系统通信实现方法，包括VDE数据发送和VDE数据接收，其特征在于，所述VDE数据发送包括以下步骤：
VDE帧信号信息解析：将接收到的待发送数据信息按要素进行解析提取；
CRC校验与编码：待发送的数据包进行校验和编码；
进行链路层的组帧；
对数据帧进行调制；
子载波映射：分别对子载波进行调制；
进行内插和成型滤波；
数据通路选择：选择发射所用的信道号；
使用复用的DAC数据口进行传输；
所述VDE数据接收包括以下步骤：
对VDE中频数据同步处理；
进行VDE数字下变频处理；
通过包括频偏估计，载波恢复的方法实现载波同步；
分别对32个子载波进行同步处理；
16QAM符号同步：通过包括环路滤波器、定时误差检测的方式实现16QAM符号同步；
频偏和相偏补偿16QAM解调：通过包括频率估计、相位跟踪并补偿的方式进行16QAM的解调；
16QAM基于判决的载波跟踪：跟踪模块在得到捕获输出参数的基础上，利用统计参数估计制对载波频率，载波相位实现无偏估计；
完成帧同步运算；
VDE帧数据处理：按照协议进行包括解码、差错检测及帧格式的组包工作。具体的，还包括ASM数据发送和ASM数据接收，所述ASM数据发送包括以下步骤：
ASM帧信号信息解析；
CRC校验与编码；
进行链路层的组帧；
π/4QPSK符号映射；
插值与成型滤波；
数据通路选择：选择发射所用的信道号；
DAC数据口复用：切换DAC数据口用于ASM传输；
基带信号去DAC：使用复用的DAC数据口进行传输；
所述ASM数据接收包括以下步骤：
ASM中频数据同步处理；
进行ASM数字下变频处理；
ASM同步头捕获：采用基于同步头数据的帧同步和开环频偏估计能很好的结合数据帧格式，同时获得较好的频率捕获性能；
ASM符号同步：接收端从基带信号中提取符号定位，解调判决则在定位点进行数据判决；
ASM载波补偿：通过捕获与同步的结果对载波进行恢复；
π/4QPSK解调：通过基带差分解调方式进行变换、滤波及判决，达到解调结果；ASM基于判决的载波跟踪：跟踪模块在得到捕获输出参数的基础上，利用统计参数估计制对载波频率，载波相位实现无偏估计；
ASM帧同步：通过上述的载波跟踪能实现一定宽度的频率捕获范围，同时能完成帧同步运算；
ASM帧数据处理：按照协议进行包括解码、差错检测及帧格式的组包工作。具体的，所述同步头捕获具体为：采用同步头符号自相关方法进行捕获，包含以下子步骤：
确认接收基带信号：
Figure BDA0003723947610000031
其中，kr为符号序列号；Δf与
Figure BDA0003723947610000032
分别为频偏和相偏；
Figure BDA0003723947610000033
为调制符号相位；
确认本地同步序列的调制基带信号：
Figure BDA0003723947610000034
其中，kl为符号序列号，N为同步序列符号个数；
Figure BDA0003723947610000035
为同步序列的调制符号相位；
收端将接收信号与本地同步序列基带信号做滑动互相关，令函数p(kr,kl)为
Figure BDA0003723947610000036
令相关函数为R(τ)(τ＝kr-kl)，则
Figure BDA0003723947610000037
当接收信号中的同步序列与本地同步序列对其时，有
Figure BDA0003723947610000038
视为常数；
当R(τ)出现峰值时，为同步头捕获完成。
具体的，所述频偏的估计过程包含以下子步骤：
当sr(kr)与sl(kl)完成同步后，则kr＝kl＝k；0≤k≤N-1，则
p(k)＝ej(2πΔfk+Δφ)；
对p(k)进行抽样周期为Ts的等间隔抽样，则
Figure BDA0003723947610000041
Figure BDA0003723947610000042
令数列P＝{Pn＝p(nTs)p*((n-1)Ts)，1≤n≤(NT/Ts-1)}，则有
Figure BDA0003723947610000043
Figure BDA0003723947610000044
其中，Pn为P的元素，T为调制符号的周期；
由此得到，
Δf≈[1/(N T/Ts-1)[1/(2πTs)]angle Pn。
具体的，所述载波跟踪采用8通路的科斯塔斯(Costas)环进行实现。
具体的，所述符号同步包括以下子步骤：
步骤1：采用Gardner同步算法完成初步符号同步
μt(k)＝[yI(k-1/2)-aI][yI(k)-yI(k-1)]+[yQ(k-1/2)-aQ][yQ(k)-yQ(k-1)]
aI＝[yI(k)+yI(k-1)]/2，aQ＝[yQ(k)+yQ(k-1)]/2
其中，yI(k)和yQ(k)分别为基带的同向与正交支路上的采样点；yI(k-1/2)和yQ(k-1/2)为早半个符号的采样点；yI(k-1)和yQ(k-1)分别为早一个符号的采样点；
步骤2：通过添加另一个定时误差信号来帮助判断同步位置，误差信号表示为
et(k)＝[yI(k)-aI][yI(k+1/2)-yI(k-1/2)]+[yQ(k)-aQ][yQ(k+1/2)-yQ(k-1/2)]
其中，定时点超时时et(k)>0；定时点滞后时et(k)<0；
步骤3：将et(k)的符号位取反后再进行存储；
步骤4：取环路滤波器的长度为2，存储3个定时误差信号的符号位，记为μt(k-1)，μt(k)和
Figure BDA0003723947610000051
其中
Figure BDA0003723947610000052
表示对et(k)的符号位进行取反操作，再将上述三个变量分别记作C1，C2和C3；
在捕获模式下，如C1，C2和C3取0的数量多于1的数量，表示定时滞后，需要将下一个判决时刻提前一个采样点；如C1，C2和C3取1的数量多于0的数量，表示定时超前，需要将下一个判决时刻延后一个采样点；
在跟踪模式下，当C1，C2和C3全部都为0或者1时，开始对判决采样点的位置进行调整；为0时，提前判决采样点；为3时，延迟判决采样点；其他情况时，采样时刻保持不变；
步骤5：最终实现符号同步。
本发明的有益效果：
可实现功能：
a)AIS岸站、船台收发功能；
b)ASM收发功能；
c)VDES岸船、船岸、船船收发功能；
d)标载设备转发功能；
e)外部输入输出功能。
主要系统指标为：
a)通信距离
VDES通信距离大于12海里；
b)通信带宽
峰值带宽不低于300kbps；
c)数据丢包率
数据丢包率小于5％。
通过本通信实现方法的提出，可以成为智能航行服务平台与船舶间的纽带，能够实现船岸标可靠交互，包括遇险报警、船舶监控、增值数据等；特别是通过标载设备进行通信区域的补充，可以有效减少通信盲区。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的接收单元结构示意图；
图3是本发明的八相Costas环示意图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案精选以下详细说明。显然，所描述的实施案例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，不能理解为对本发明可实施范围的限定。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一：
如图1、2所示，一种船/标载VDES系统通信实现方法，包括VDE数据发送和VDE数据接收，其特征在于，所述VDE数据发送包括以下步骤：
VDE帧信号信息解析：将接收到的待发送数据信息按要素进行解析提取；
CRC校验与编码：待发送的数据包进行校验和编码；
进行链路层的组帧；
对数据帧进行调制；
子载波映射：分别对子载波进行调制；
进行内插和成型滤波；
数据通路选择：选择发射所用的信道号；
使用复用的DAC数据口进行传输；
所述VDE数据接收包括以下步骤：
对VDE中频数据同步处理；
进行VDE数字下变频处理；
通过包括频偏估计，载波恢复的方法实现载波同步；
分别对32个子载波进行同步处理；
16QAM符号同步：通过包括环路滤波器、定时误差检测的方式实现16QAM符号同步；
频偏和相偏补偿16QAM解调：通过包括频率估计、相位跟踪并补偿的方式进行16QAM的解调。
16QAM基于判决的载波跟踪：跟踪模块在得到捕获输出参数的基础上，利用统计参数估计制对载波频率，载波相位实现无偏估计；
完成帧同步运算；
VDE帧数据处理：按照协议进行包括解码、差错检测及帧格式的组包工作。
具体的，还包括ASM数据发送和ASM数据接收，所述ASM数据发送包括以下步骤：
ASM帧信号信息解析；
CRC校验与编码；
进行链路层的组帧；
π/4QPSK符号映射；
插值与成型滤波；
数据通路选择：选择发射所用的信道号；
DAC数据口复用：切换DAC数据口用于ASM传输；
基带信号去DAC：使用复用的DAC数据口进行传输；
所述ASM数据接收包括以下步骤：
ASM中频数据同步处理；
进行ASM数字下变频处理；
ASM同步头捕获：采用基于同步头数据的帧同步和开环频偏估计能很好的结合数据帧格式，同时获得较好的频率捕获性能；
ASM符号同步：接收端从基带信号中提取符号定位，解调判决则在定位点进行数据判决；
ASM载波补偿：通过捕获与同步的结果对载波进行恢复；
π/4QPSK解调：通过基带差分解调方式进行变换、滤波及判决，达到解调结果；
ASM基于判决的载波跟踪：跟踪模块在得到捕获输出参数的基础上，利用统计参数估计制对载波频率，载波相位实现无偏估计；
ASM帧同步：通过上述的载波跟踪能实现一定宽度的频率捕获范围，同时能完成帧同步运算；
ASM帧数据处理：按照协议进行包括解码、差错检测及帧格式的组包工作。
具体的，所述同步头捕获具体为：采用同步头符号自相关方法进行捕获，包含以下子步骤：
确认接收基带信号：
Figure BDA0003723947610000081
其中，kr为符号序列号；Δf与
Figure BDA0003723947610000082
分别为频偏和相偏；
Figure BDA0003723947610000083
为调制符号相位；
确认本地同步序列的调制基带信号：
Figure BDA0003723947610000084
其中，kl为符号序列号，N为同步序列符号个数；
Figure BDA0003723947610000085
为同步序列的调制符号相位；
收端将接收信号与本地同步序列基带信号做滑动互相关，令函数p(kr,kl)为
Figure BDA0003723947610000086
令相关函数为R(τ)(τ＝kr-kl)，则
Figure BDA0003723947610000087
当接收信号中的同步序列与本地同步序列对其时，有
Figure BDA0003723947610000088
视为常数；
当R(τ)出现峰值时，为同步头捕获完成。
具体的，所述频偏的估计过程包含以下子步骤：
当sr(kr)与sl(kl)完成同步后，则kr＝kl＝k；0≤k≤N-1，则
p(k)＝ej(2πΔfk+Δφ)；
对p(k)进行抽样周期为Ts的等间隔抽样，则
Figure BDA0003723947610000089
Figure BDA00037239476100000810
令数列P＝{Pn＝p(nTs)p*((n-1)Ts)，1≤n≤(NT/Ts-1)}，则有
Figure BDA00037239476100000811
Figure BDA0003723947610000091
其中，Pn为P的元素，T为调制符号的周期；
由此得到，
Δf≈[1/(N T/Ts-1)[1/(2πTs)]angle Pn。
如图3所示，具体的，所述载波跟踪采用8通路的科斯塔斯(Costas)环进行实现。
具体的，所述符号同步包括以下子步骤：
步骤1：采用Gardner同步算法完成初步符号同步
μt(k)＝[yI(k-1/2)-aI][yI(k)-yI(k-1)]+[yQ(k-1/2)-aQ][yQ(k)-yQ(k-1)]
aI＝[yI(k)+yI(k-1)]/2，aQ＝[yQ(k)+yQ(k-1)]/2
其中，yI(k)和yQ(k)分别为基带的同向与正交支路上的采样点；yI(k-1/2)和yQ(k-1/2)为早半个符号的采样点；yI(k-1)和yQ(k-1)分别为早一个符号的采样点；
步骤2：通过添加另一个定时误差信号来帮助判断同步位置，误差信号表示为
et(k)＝[yI(k)-aI][yI(k+1/2)-yI(k-1/2)]+[yQ(k)-aQ][yQ(k+1/2)-yQ(k-1/2)]
其中，定时点超时时et(k)>0；定时点滞后时et(k)<0；
步骤3：将et(k)的符号位取反后再进行存储；
步骤4：取环路滤波器的长度为2，存储3个定时误差信号的符号位，记为μt(k-1)，μt(k)和
Figure BDA0003723947610000092
其中
Figure BDA0003723947610000093
表示对et(k)的符号位进行取反操作，再将上述三个变量分别记作C1，C2和C3；
在捕获模式下，如C1，C2和C3取0的数量多于1的数量，表示定时滞后，需要将下一个判决时刻提前一个采样点；如C1，C2和C3取1的数量多于0的数量，表示定时超前，需要将下一个判决时刻延后一个采样点；
在跟踪模式下，当C1，C2和C3全部都为0或者1时，开始对判决采样点的位置进行调整；为0时，提前判决采样点；为3时，延迟判决采样点；其他情况时，采样时刻保持不变；
步骤5：最终实现符号同步。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种船/标载VDES系统通信实现方法，包括VDE数据发送和VDE数据接收，其特征在于，所述VDE数据发送包括以下步骤：
VDE帧信号信息解析：将接收到的待发送数据信息按要素进行解析提取；
CRC校验与编码：待发送的数据包进行校验和编码；
进行链路层的组帧；
对数据帧进行调制；
子载波映射：分别对子载波进行调制；
进行内插和成型滤波；
数据通路选择：选择发射所用的信道号；
使用复用的DAC数据口进行传输；
所述VDE数据接收包括以下步骤：
对VDE中频数据同步处理；
进行VDE数字下变频处理；
通过包括频偏估计，载波恢复的方法实现载波同步；
分别对32个子载波进行同步处理；
16QAM符号同步：通过包括环路滤波器、定时误差检测的方式实现16QAM符号同步；
频偏和相偏补偿16QAM解调：通过包括频率估计、相位跟踪并补偿的方式进行16QAM的解调；
16QAM基于判决的载波跟踪：跟踪模块在得到捕获输出参数的基础上，利用统计参数估计制对载波频率，载波相位实现无偏估计；
完成帧同步运算；
VDE帧数据处理：按照协议进行包括解码、差错检测及帧格式的组包工作。
2.根据权利要求1所述的一种船/标载VDES系统通信实现方法，其特征在于，还包括ASM数据发送和ASM数据接收，所述ASM数据发送包括以下步骤：
ASM帧信号信息解析；
CRC校验与编码；
进行链路层的组帧；
π/4QPSK符号映射；
插值与成型滤波；
数据通路选择：选择发射所用的信道号；
DAC数据口复用：切换DAC数据口用于ASM传输；
基带信号去DAC：使用复用的DAC数据口进行传输；
所述ASM数据接收包括以下步骤：
ASM中频数据同步处理；
进行ASM数字下变频处理；
ASM同步头捕获：采用基于同步头数据的帧同步和开环频偏估计能很好的结合数据帧格式，同时获得较好的频率捕获性能；
ASM符号同步：接收端从基带信号中提取符号定位，解调判决则在定位点进行数据判决；
ASM载波补偿：通过捕获与同步的结果对载波进行恢复；
π/4QPSK解调：通过基带差分解调方式进行变换、滤波及判决，达到解调结果；
ASM基于判决的载波跟踪：跟踪模块在得到捕获输出参数的基础上，利用统计参数估计制对载波频率，载波相位实现无偏估计；
ASM帧同步：通过上述的载波跟踪能实现一定宽度的频率捕获范围，同时能完成帧同步运算；
ASM帧数据处理：按照协议进行包括解码、差错检测及帧格式的组包工作。
3.根据权利要求2所述的一种船/标载VDES系统通信实现方法，其特征在于，所述同步头捕获具体为：采用同步头符号自相关方法进行捕获，包含以下子步骤：
确认接收基带信号：
Figure FDA0003723947600000021
其中，kr为符号序列号；Δf与
Figure FDA0003723947600000022
分别为频偏和相偏；
Figure FDA0003723947600000023
为调制符号相位；
确认本地同步序列的调制基带信号：
Figure FDA0003723947600000024
其中，kl为符号序列号，N为同步序列符号个数；
Figure FDA0003723947600000025
为同步序列的调制符号相位；
收端将接收信号与本地同步序列基带信号做滑动互相关，令函数p(kr,kl)为
Figure FDA0003723947600000031
令相关函数为R(τ)(τ＝kr-kl)，则
Figure FDA0003723947600000032
当接收信号中的同步序列与本地同步序列对其时，有
R(0)＝NA；
Figure FDA0003723947600000033
视为常数；
当R(τ)出现峰值时，为同步头捕获完成。
4.根据权利要求1所述的一种船/标载VDES系统通信实现方法，其特征在于，所述频偏的估计过程包含以下子步骤：
当sr(kr)与sl(kl)完成同步后，则kr＝kl＝k；0≤k≤N-1，则
p(k)＝ej(2πΔfk+Δφ)；
对p(k)进行抽样周期为Ts的等间隔抽样，则
Figure FDA0003723947600000034
Figure FDA0003723947600000035
令数列P＝{Pn＝p(nTs)p*((n-1)Ts)，1≤n≤(NT/Ts-1)}，则有
Figure FDA0003723947600000036
Figure FDA0003723947600000037
其中，Pn为P的元素，T为调制符号的周期；
由此得到，
Δf≈[1/(N T/Ts-1)[1/(2πTs)]angle Pn。
5.根据权利要求2所述的一种船/标载VDES系统通信实现方法，其特征在于，所述载波跟踪采用8通路的科斯塔斯(Costas)环进行实现。
6.根据权利要求2所述的一种船/标载VDES系统通信实现方法，其特征在于，所述符号同步包括以下子步骤：
步骤1：采用Gardner同步算法完成初步符号同步
μt(k)＝[yI(k-1/2)-aI][yI(k)-yI(k-1)]+[yQ(k-1/2)-aQ][yQ(k)-yQ(k-1)]
aI＝[yI(k)+yI(k-1)]/2，aQ＝[yQ(k)+yQ(k-1)]/2
其中，yI(k)和yQ(k)分别为基带的同向与正交支路上的采样点；yI(k-1/2)和yQ(k-1/2)为早半个符号的采样点；yI(k-1)和yQ(k-1)分别为早一个符号的采样点；
步骤2：通过添加另一个定时误差信号来帮助判断同步位置，误差信号表示为
et(k)＝[yI(k)-aI][yI(k+1/2)-yI(k-1/2)]+[yQ(k)-aQ][yQ(k+1/2)-yQ(k-1/2)]
其中，定时点超时时et(k)>0；定时点滞后时et(k)<0；
步骤3：将et(k)的符号位取反后再进行存储；
步骤4：取环路滤波器的长度为2，存储3个定时误差信号的符号位，记为μt(k-1)，μt(k)和
Figure FDA0003723947600000041
其中
Figure FDA0003723947600000042
表示对et(k)的符号位进行取反操作，再将这三个变量分别记作C1，C2和C3；
在捕获模式下，如C1，C2和C3取0的数量多于1的数量，表示定时滞后，需要将下一个判决时刻提前一个采样点；如C1，C2和C3取1的数量多于0的数量，表示定时超前，需要将下一个判决时刻延后一个采样点；
在跟踪模式下，当C1，C2和C3全部都为0或者1时，开始对判决采样点的位置进行调整；为0时，提前判决采样点；为3时，延迟判决采样点；其他情况时，采样时刻保持不变；
步骤5：最终实现符号同步。
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