CN115276763A - 一种船/标载vdes系统通信终端 - Google Patents

一种船/标载vdes系统通信终端 Download PDF

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CN115276763A CN202210770884.3A CN202210770884A CN115276763A CN 115276763 A CN115276763 A CN 115276763A CN 202210770884 A CN202210770884 A CN 202210770884A CN 115276763 A CN115276763 A CN 115276763A
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魏璨
周密
胡勇
龚玉超
代孝俊
张德祥
嘉乐
武剑
李智
杨中丽
朱强
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    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
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Abstract

本发明公开了一种船/标载VDES系统通信终端，包括接口及控制模块、信号及协议处理模块和射频模块；所述信号与协议处理模块多路相互并列的接收信道选择电路和一个VDE数字调制解调器，所述接收信道选择电路包括依次连接的正交解调电路、低通滤波电路、自动增益控制电路和模数转换电路，多路并列的接收信道选择电路的输入端共同与接收单元连接，多路并列的接收信道选择电路的输出端一并与VDE数字调制解调器连接；本发明利用AIS系统中船载设备及助航设备的设计思路及应用经验，结合软件无线电技术，VHF高速通信技术以及高可靠性调制解调技术等关键技术，研制了一种可适用于船载及航标的VDES通信终端。

Description

一种船/标载VDES系统通信终端
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系统通信终端。
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。
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系统通信终端。
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系统通信终端，包括：
接口及控制模块，用于与外部应用系统进行通信及对信号与协议处理模块进行控制；
信号及协议处理模块，进行数字信号处理、协议解析和时间基准管理；
射频模块，用于对双向信号进行放大、滤波和变频处理；
所述信号及协议处理模块分别与射频模块和接口及控制模块连接，所述接口及控制模块还与外部应用系统连接，所述射频模块还与VHF天线连接。
具体的，所述射频模块包含T/R开关、接收单元和发射单元，所述接收单元包括一个下变频器，所述下变频器与T/R开关的接收端连接，所述发射单元包括数模转换电路、带通滤波电路、上变频电路和功率放大电路，所述数模转换电路的输入端与接口及控制模块的输出连接，数模转换电路的输出依次与带通滤波电路、上变频电路、功率放大电路连接，功率放大电路的输出与T/R开关的发送端连接，所述T/R开关的公共端与VHF天线连接。
具体的，所述信号与协议处理模块多路相互并列的接收信道选择电路和一个VDE数字调制解调器，所述接收信道选择电路包括依次连接的正交解调电路、低通滤波电路、自动增益控制电路和模数转换电路，多路并列的接收信道选择电路的输入端共同与接收单元连接，多路并列的接收信道选择电路的输出端一并与VDE数字调制解调器连接。
具体的，所述信号与协议处理模块还包括GNSS单元，所述GNSS单元的一端与GNSS天线连接，另一端与接口及控制模块连接。
具体的，所述VDE数字调制解调器包括VDE数字调制器和VDE数字解调器。具体的，所述VDE数字调制器的工作流程包括以下步骤：
基带帧组帧：ARM协议栈处理器按照标准协议进行基带数据的组织，包括标准帧格式及待调制信息内容；
TruboFEC编码：信道编码参照ETSI EN 302 583标准采用Turbo码，编码范围包括数据段和CRC校验段；
π/4QPSK 8PSk 16QAM映射；
所述π/4QPSK调制包括数据链串转并，符号分组，调制映射及将映射后的两组符号按需要重新组合在一起；
所述8PSK调制包括串并转换，通过8PSK的调制器，最后进行内插和低通滤波；
所述16QAM调制包括采用32个子载波多载波复用方式进行调制；
物理帧组帧：按照VDE物理帧结构进行组帧；
符号串并转换1：32；
所述符号串并转换1：32具体为：进行32bit的串并转换操作，进行后续信号处理；
32点IFFT变换；
接入多相滤波器：发送的成型滤波器和接收匹配滤波器参数一致，都为根升余弦滤波器，滚降系数为0.3；
DUC(Digital Up Converter)：经过数字混频基带IQ数字信号先插值、滤波，然后上变频到数字中频信号，包含插值、数字滤波、上变频步骤，设其输入复数信号为Idata和Qdata，则输出信号为：
Sout＝Idatacos(wt)-Qdatasin(wt)。
具体的，所述VDE数字解调器的工作流程包括以下步骤：
数字下变频(DDC)：中频信号通过带通滤波防止频谱混叠，再与正交和通向的载波信号分别相乘，乘法器输出通过低通滤波后得到带频偏的基带信号，在将该信号进行速率转换，带到适合处理的基带信号；
接入多相滤波器；
所述接入多相滤波器还包括：在接收端，输入信号先经过低通滤波器以消除带外噪声，滤波器带宽要足够宽，保证在有频偏的情况下不会破坏信号成分；32点离散傅里叶变换(DFT)，计算过程具体为：
Figure BDA0003723949290000031
进行信道估计后滤波器叠加实现均衡；
软解映射：将输入信号s(n)与本地同频载波相乘后得到同相分量x(n)和正交分量y(n)，再对各个分量进行通过低通滤波，进行旋转变换后，进行符号判断即可求得码元；
进行32bit的并串转换；
Trubo解码：信息序列(Systematic data)和相应的冗余序列(Parity 1and 2)分别输入两个解码器，而后各自的输出经过一个减法运算并通过交织(Interleaver)和解交织(Deinterleaver)后反馈给另一个解码器；
基带帧恢复与校验：对输入数据做反NRZI编码处理和比特反填充处理，以恢复原始的比特流，然后利用ISO/IEC3309:1993中的定义的16比特生成多项式进行CRC校验和差错检测，最后按照所需的帧格式组包。
具体的，所述π/4QPSK调制具体为：
串并转换：每2bit为一个符号进行串并转换；
π/4QPSK调制：将符号按照序号分为奇数组和偶数组，将映射后的两组符号按需要从新组合在一起；
通过内插操作来提高采样率；
成型滤波器：采用滚降系数为0.3的根升余弦滤波器。
具体的，所述π/4QPSK的解调步骤具体为：
匹配滤波：采用滚降系数为0.3的根升余弦滤波器；
通过抽取降低采样率；
π/4QPSK解调：输入信号s(n)与本地同频载波相乘后再对给个分量进行通过低通滤波，经过符号同步后抽取码元判决处的同相和正交基带差分量，对采样后的信号进行判决即可解调；
进行标准化的串并转换。
具体的，所述16QAM的调制步骤包括：
串并转换；
16QAM调制：根据ITU-R M.2092标准的要求，在VDE通信链路中采用多载波复用方式；
通过线性插值，提高系统采样率；
低通滤波器：通过选择合适的阶数，滤除高频分量。
具体的，所述16QAM的解调步骤包括：
低通滤波：在接收端，输入信号先经过低通滤波器以消除带外噪声，滤波器带宽要足够宽，保证在有频偏的情况下不会破坏信号成分；
16QAM解调：16QAM信号采取正交相干解调，解调器首先收到的16QAM信号进行正交相干解调，然后经过低通滤波器，低通滤波器LPF滤除高频分量，获得有用信号，低通滤波器LPF输出经抽样判决可恢复出电平信号，对采样后的IQ信号进行判决即可解调；
通过移位操作进行串并转换。
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％。
通过本通信终端的研制，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VDES设备组成图；
图2是本发明的VDE调制器实现框图；
图3是本发明的VDE解调器实现框图；
图4是本发明的π/4QPSK调制基本结构流程图；
图5是本发明的π/4QPSK解调基本结构流程图；
图6是本发明的16QAM解调基本结构流程图；
图7是本发明的16QAM调制基本结构流程图。
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：
一种船/标载VDES系统通信终端，包括：
接口及控制模块，用于与外部应用系统进行通信及对信号与协议处理模块进行控制；
信号及协议处理模块，进行数字信号处理、协议解析和时间基准管理；
射频模块，用于对双向信号进行放大、滤波和变频处理；
所述信号及协议处理模块分别与射频模块和接口及控制模块连接，所述接口及控制模块还与外部应用系统连接，所述射频模块还与VHF天线连接。
具体的，所述射频模块包含T/R开关、接收单元和发射单元，所述接收单元包括一个下变频器，所述下变频器与T/R开关的接收端连接，所述发射单元包括数模转换电路、带通滤波电路、上变频电路和功率放大电路，所述数模转换电路的输入端与接口及控制模块的输出连接，数模转换电路的输出依次与带通滤波电路、上变频电路、功率放大电路连接，功率放大电路的输出与T/R开关的发送端连接，所述T/R开关的公共端与VHF天线连接。
具体的，所述信号与协议处理模块多路相互并列的接收信道选择电路和一个VDE数字调制解调器，所述接收信道选择电路包括依次连接的正交解调电路、低通滤波电路、自动增益控制电路和模数转换电路，多路并列的接收信道选择电路的输入端共同与接收单元连接，多路并列的接收信道选择电路的输出端一并与VDE数字调制解调器连接。
具体的，所述信号与协议处理模块还包括GNSS单元，所述GNSS单元的一端与GNSS天线连接，另一端与接口及控制模块连接。
具体的，所述VDE数字调制解调器包括VDE数字调制器和VDE数字解调器。具体的，所述VDE数字调制器的工作流程包括以下步骤：
基带帧组帧：ARM协议栈处理器按照标准协议进行基带数据的组织，包括标准帧格式及待调制信息内容；
TruboFEC编码：信道编码参照ETSI EN 302583标准采用Turbo码，编码范围包括数据段和CRC校验段；
π/4QPSK 8PSk 16QAM映射；
所述π/4QPSK调制包括数据链串转并，符号分组，调制映射及将映射后的两组符号按需要重新组合在一起；
所述8PSK调制包括串并转换，通过8PSK的调制器，最后进行内插和低通滤波；
所述16QAM调制包括采用32个子载波多载波复用方式进行调制；
物理帧组帧：按照VDE物理帧结构进行组帧；
符号串并转换1：32；
所述符号串并转换1：32具体为：进行32bit的串并转换操作，进行后续信号处理；
32点IFFT变换；
接入多相滤波器：发送的成型滤波器和接收匹配滤波器参数一致，都为根升余弦滤波器，滚降系数为0.3；
DUC(Digital Up Converter)：经过数字混频基带IQ数字信号先插值、滤波，然后上变频到数字中频信号，包含插值、数字滤波、上变频步骤，设其输入复数信号为Idata和Qdata，则输出信号为：
Sout＝＝Idatacos(wt)-Qdatasin(wt)。
具体的，所述VDE数字解调器的工作流程包括以下步骤：
数字下变频(DDC)：中频信号通过带通滤波防止频谱混叠，再与正交和通向的载波信号分别相乘，乘法器输出通过低通滤波后得到带频偏的基带信号，在将该信号进行速率转换，带到适合处理的基带信号；
接入多相滤波器；
所述接入多相滤波器还包括：在接收端，输入信号先经过低通滤波器以消除带外噪声，滤波器带宽要足够宽，保证在有频偏的情况下不会破坏信号成分；32点离散傅里叶变换(DFT)，计算过程具体为：
Figure BDA0003723949290000071
进行信道估计后滤波器叠加实现均衡；
软解映射：将输入信号s(n)与本地同频载波相乘后得到同相分量x(n)和正交分量y(n)，再对各个分量进行通过低通滤波，进行旋转变换后，进行符号判断即可求得码元；
进行32bit的并串转换；
Trubo解码：信息序列(Systematic data)和相应的冗余序列(Parity 1and 2)分别输入两个解码器，而后各自的输出经过一个减法运算并通过交织(Interleaver)和解交织(Deinterleaver)后反馈给另一个解码器；
基带帧恢复与校验：对输入数据做反NRZI编码处理和比特反填充处理，以恢复原始的比特流，然后利用ISO/IEC3309:1993中的定义的16比特生成多项式进行CRC校验和差错检测，最后按照所需的帧格式组包。
具体的，所述π/4QPSK调制具体为：
串并转换：每2bit为一个符号进行串并转换；
π/4QPSK调制：将符号按照序号分为奇数组和偶数组，将映射后的两组符号按需要从新组合在一起；
通过内插操作来提高采样率；
成型滤波器：采用滚降系数为0.3的根升余弦滤波器。
具体的，所述π/4QPSK的解调步骤具体为：
匹配滤波：采用滚降系数为0.3的根升余弦滤波器；
通过抽取降低采样率；
π/4QPSK解调：输入信号s(n)与本地同频载波相乘后再对给个分量进行通过低通滤波，经过符号同步后抽取码元判决处的同相和正交基带差分量，对采样后的信号进行判决即可解调；
进行标准化的串并转换。
具体的，所述16QAM的调制步骤包括：
串并转换；
16QAM调制：根据ITU-R M.2092标准的要求，在VDE通信链路中采用多载波复用方式；
通过线性插值，提高系统采样率；
低通滤波器：通过选择合适的阶数，滤除高频分量。
具体的，所述16QAM的解调步骤包括：
低通滤波：在接收端，输入信号先经过低通滤波器以消除带外噪声，滤波器带宽要足够宽，保证在有频偏的情况下不会破坏信号成分；
16QAM解调：16QAM信号采取正交相干解调，解调器首先收到的16QAM信号进行正交相干解调，然后经过低通滤波器，低通滤波器LPF滤除高频分量，获得有用信号，低通滤波器LPF输出经抽样判决可恢复出电平信号，对采样后的IQ信号进行判决即可解调；
通过移位操作进行串并转换。
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。
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。
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 (11)

1.一种船/标载VDES系统通信终端，包括：
接口及控制模块，用于与外部应用系统进行通信及对信号与协议处理模块进行控制；
信号及协议处理模块，进行数字信号处理、协议解析和时间基准管理；
射频模块，用于对双向信号进行放大、滤波和变频处理；
所述信号及协议处理模块分别与射频模块和接口及控制模块连接，所述接口及控制模块还与外部应用系统连接，所述射频模块还与VHF天线连接。
2.根据权利要求1所述的一种船/标载VDES系统通信终端，其特征在于，所述射频模块包含T/R开关、接收单元和发射单元，所述接收单元包括一个下变频器，所述下变频器与T/R开关的接收端连接，所述发射单元包括数模转换电路、带通滤波电路、上变频电路和功率放大电路，所述数模转换电路的输入端与接口及控制模块的输出连接，数模转换电路的输出依次与带通滤波电路、上变频电路、功率放大电路连接，功率放大电路的输出与T/R开关的发送端连接，所述T/R开关的公共端与VHF天线连接。
3.根据权利要求2所述的一种船/标载VDES系统通信终端，其特征在于，所述信号与协议处理模块多路相互并列的接收信道选择电路和一个VDE数字调制解调器，所述接收信道选择电路包括依次连接的正交解调电路、低通滤波电路、自动增益控制电路和模数转换电路，多路并列的接收信道选择电路的输入端共同与接收单元连接，多路并列的接收信道选择电路的输出端一并与VDE数字调制解调器连接。
4.根据权利要求1所述的一种船/标载VDES系统通信终端，其特征在于，所述信号与协议处理模块还包括GNSS单元，所述GNSS单元的一端与GNSS天线连接，另一端与接口及控制模块连接。
5.根据权利要求3所述的一种船/标载VDES系统通信终端，其特征在于，所述VDE数字调制解调器包括VDE数字调制器和VDE数字解调器。
6.根据权利要求5所述的一种船/标载VDES系统通信终端，其特征在于，所述VDE数字调制器的工作流程包括以下步骤：
基带帧组帧：ARM协议栈处理器按照标准协议进行基带数据的组织，包括标准帧格式及待调制信息内容；
TruboFEC编码：信道编码参照ETSI EN 302583标准采用Turbo码，编码范围包括数据段和CRC校验段；
π/4QPSK 8PSk 16QAM映射；
所述π/4QPSK调制包括数据链串转并，符号分组，调制映射及将映射后的两组符号按需要重新组合在一起；
所述8PSK调制包括串并转换，通过8PSK的调制器，最后进行内插和低通滤波；
所述16QAM调制包括采用32个子载波多载波复用方式进行调制；
物理帧组帧：按照VDE物理帧结构进行组帧；
符号串并转换1：32；
所述符号串并转换1：32具体为：进行32bit的串并转换操作，进行后续信号处理；
32点IFFT变换；
接入多相滤波器：发送的成型滤波器和接收匹配滤波器参数一致，都为根升余弦滤波器，滚降系数为0.3；
DUC(Digital Up Converter)：经过数字混频基带IQ数字信号先插值、滤波，然后上变频到数字中频信号，包含插值、数字滤波、上变频步骤，设其输入复数信号为Idata和Qdata，则输出信号为：
Sout＝Idatacos(wt)-Qdata sin(wt)。
7.根据权利要求5所述的一种船/标载VDES系统通信终端，其特征在于，所述VDE数字解调器的工作流程包括以下步骤：
数字下变频(DDC)：中频信号通过带通滤波防止频谱混叠，再与正交和通向的载波信号分别相乘，乘法器输出通过低通滤波后得到带频偏的基带信号，在将该信号进行速率转换，带到适合处理的基带信号；
接入多相滤波器；
所述接入多相滤波器还包括：在接收端，输入信号先经过低通滤波器以消除带外噪声，滤波器带宽要足够宽，保证在有频偏的情况下不会破坏信号成分；32点离散傅里叶变换(DFT)，计算过程具体为：
Figure FDA0003723949280000031
进行信道估计后滤波器叠加实现均衡；
软解映射：将输入信号s(n)与本地同频载波相乘后得到同相分量x(n)和正交分量y(n)，再对各个分量进行通过低通滤波，进行旋转变换后，进行符号判断即可求得码元；
进行32bit的并串转换；
Trubo解码：信息序列(Systematic data)和相应的冗余序列(Parity 1and 2)分别输入两个解码器，而后各自的输出经过一个减法运算并通过交织(Interleaver)和解交织(Deinterleaver)后反馈给另一个解码器；
基带帧恢复与校验：对输入数据做反NRZI编码处理和比特反填充处理，以恢复原始的比特流，然后利用ISO/IEC3309:1993中的定义的16比特生成多项式进行CRC校验和差错检测，最后按照所需的帧格式组包。
8.根据权利要求6所述的一种船/标载VDES系统通信终端，其特征在于，所述π/4QPSK调制具体为：
串并转换：每2bit为一个符号进行串并转换；
π/4QPSK调制：将符号按照序号分为奇数组和偶数组，将映射后的两组符号按需要从新组合在一起；
通过内插操作来提高采样率；
成型滤波器：采用滚降系数为0.3的根升余弦滤波器。
9.根据权利要求7所述的一种船/标载VDES系统通信终端，其特征在于，还包括π/4QPSK的解调步骤，所述π/4QPSK的解调步骤具体为：
匹配滤波：采用滚降系数为0.3的根升余弦滤波器；
通过抽取降低采样率；
π/4QPSK解调：输入信号s(n)与本地同频载波相乘后再对给个分量进行通过低通滤波，经过符号同步后抽取码元判决处的同相和正交基带差分量，对采样后的信号进行判决即可解调；
进行标准化的串并转换。
10.根据权利要求6所述的一种船/标载VDES系统通信终端，其特征在于，所述16QAM的调制步骤包括：
串并转换；
16QAM调制：根据ITU-R M.2092标准的要求，在VDE通信链路中采用多载波复用方式；
通过线性插值，提高系统采样率；
低通滤波器：通过选择合适的阶数，滤除高频分量。
11.根据权利要求7所述的一种船/标载VDES系统通信终端，其特征在于，还包括16QAM的解调步骤，所述16QAM的解调步骤包括：
低通滤波：在接收端，输入信号先经过低通滤波器以消除带外噪声，滤波器带宽要足够宽，保证在有频偏的情况下不会破坏信号成分；
16QAM解调：16QAM信号采取正交相干解调，解调器首先收到的16QAM信号进行正交相干解调，然后经过低通滤波器，低通滤波器LPF滤除高频分量，获得有用信号，低通滤波器LPF输出经抽样判决可恢复出电平信号，对采样后的IQ信号进行判决即可解调；
通过移位操作进行串并转换。
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