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vdes上行ID20信号帧头检测算法研究

电子设计工程 2024年第19期32卷 47-51,57页

作者：刘紫珍王建新南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094

为了提高vdes上行ID20信号在低信噪比和大多普勒频偏情况下的信号检测概率,提出了一种基于频率信道化的分段相关帧头检测算法。利用频率信道化将频偏范围缩小,在每个子信道内结合本地序列分段相关、非相干积累和与恒虚警门限比较等过程... 详细信息

为了提高vdes上行ID20信号在低信噪比和大多普勒频偏情况下的信号检测概率,提出了一种基于频率信道化的分段相关帧头检测算法。利用频率信道化将频偏范围缩小,在每个子信道内结合本地序列分段相关、非相干积累和与恒虚警门限比较等过程对信号帧头进行检测。介绍了ID20信号模型,描述了基于频率信道化的分段相关帧头检测算法原理,理论推导了虚警率与门限因子的关系,并对算法的性能进行仿真。仿真结果表明,该算法可以抵抗4 000 Hz大频偏,并且信噪比得到了明显改善,当检测概率为0.9时,相比于vdes中常用的差分帧头检测算法的检测性能,信噪比可以提高6.3 dB。

关键词： vdes 帧头检测信道化相关恒虚警

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vdes系统中OFDM调制方式的仿真研究

现代电子技术 2020年第6期43卷 78-81页

作者：刘畅赵汝雪大连海事大学信息科学技术学院辽宁大连116026

针对现有的数据链路负载问题,提出数字OFDM调制方法。文中以vdes为研究背景,提出将高速传输技术正交频分复用(OFDM)集成到vdes系统中,进行物理层仿真建模,采用不同的数字调制方案模拟海上真实数据通信的误码率性能,并对其通信系统的性... 详细信息

针对现有的数据链路负载问题,提出数字OFDM调制方法。文中以vdes为研究背景,提出将高速传输技术正交频分复用(OFDM)集成到vdes系统中,进行物理层仿真建模,采用不同的数字调制方案模拟海上真实数据通信的误码率性能,并对其通信系统的性能进行仿真分析。结果表明,该方法可以实现较低的误码率,有效地实现海上甚高频数据通信。

关键词： vdes OFDM调制自动识别系统无线通信误码率模拟仿真分析

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vdes的调制解调算法与实现研究

VDES的调制解调算法与实现研究

作者：朱文龙大连海事大学

学位级别：硕士

甚高频数据交换系统vdes (vdes:VHF Data Exchange System)是一种新型的数字通信系统,该系统是在船舶自动识别系统AIS (AIS:Automatic Identification System)上发展起来的新一代海上数字通信系统。vdes作为一种新型数字通信系统,已经... 详细信息

甚高频数据交换系统vdes (vdes:VHF Data Exchange System)是一种新型的数字通信系统,该系统是在船舶自动识别系统AIS (AIS:Automatic Identification System)上发展起来的新一代海上数字通信系统。vdes作为一种新型数字通信系统,已经引起了各国的重点关注,但该系统目前尚处于前期研究阶段,一些国家正在进行系统的技术试验。本研究跟踪国际海事的前沿技术,主要对AIS使用的GMSK调制解调算法进行研究,在此基础上对vdes拟使用的正交频分复用OFDM (OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制解调技术和正交振幅调制QAM (QAM:Quadrature Amplitude Modulation)调制解调技术分别进行深入研究和性能分析。本文针对QAM调制解调方式的关键技术进行深入的研究,主要包括调制的基带成型滤波器设计与实现、解调的位同步算法研究与实现和载波同步算法的研究与实现。位同步技术研究采用QAM解调位同步的Gardner算法;载波恢复算法主要研究面向判决(DD)算法、减星座(RC)算法和极性判决算法,并选择矩形星座图的减星座(RC)算法进行实现。本研究首先进行功能仿真验证,然后进行现场可编程门阵列FPGA (FPGA: Field-Programmable Gate Array)实现。利用Xilinx公司的ISE环境下使用Verilog HDL语言对QAM调制解调进行实现,并使用Modelsim仿真验证,使用NEXYS4开发板进行系统整体验证。本课题的研究内容是大连海事大学导航研究所的国家支撑计划课题"AIS/GNSS船载导航设备关键技术与系统研制(2012BAH36B02)的部分内容。

关键词： vdes OFDM QAM 载波同步位同步

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vdes中QPSK信号同步参数估计研究

VDES中QPSK信号同步参数估计研究

作者：史珂天津理工大学

学位级别：硕士

甚高频数据交换系统（VHF Data Exchange System,vdes）是为缓解船舶自动识别系统（Automatic Identification System,AIS）负载压力而产生的新一代海事通信系统。vdes系统不仅可实现AIS的设计初衷和基本功能,还对现有AIS系统进行拓展,... 详细信息

甚高频数据交换系统（VHF Data Exchange System,vdes）是为缓解船舶自动识别系统（Automatic Identification System,AIS）负载压力而产生的新一代海事通信系统。vdes系统不仅可实现AIS的设计初衷和基本功能,还对现有AIS系统进行拓展,可实现海上船舶通信数据传输性能的全面强化。载波同步是vdes系统的核心技术,同步的性能直接影响到接收机码元检测的正确性。本文针对vdes系统中QPSK信号的同步算法进行研究,主要内容包括:（1）提出一种基于互相关的vdes信号频偏估计算法。该算法利用特征码元与不同的多普勒频偏构造本地序列,将本地序列与接收信号进行互相关运算得到的频偏粗估计值补偿到接收信号中,以此消除信号自相关函数求辐角时产生的相位折叠,最终使算法克服了频偏估计的高精度和宽范围相互矛盾的问题。仿真结果表明,该算法的频偏估计范围达到-4000Hz000Hz,满足vdes系统的频偏范围要求,且精度十分接近克拉美罗界。（2）提出一种基于插值DFT相位差的vdes信号频偏估计算法。该算法针对DFT相位差法对频偏相对偏差敏感的问题,提出在计算相位差之前设置频偏相对偏差门限值,在门限值前后综合利用Quinn插值和Rife插值两方法对频偏相对偏差进行预估计,以此消除频偏相对偏差对估计性能的影响。仿真实验结果表明,该算法的频偏估计性能比较稳定,且精度也得到了提高。（3）提出一种vdes帧结构下的时延频偏联合估计算法。该算法利用互相关矩阵可同时估计出时延和频偏,通过三次改变估计步长,大大降低了算法的复杂度,缩短了同步所需时间,并能保证参数估计的准确性。仿真结果表明,VDE-SAT下行链路的频偏性能优于ASM链路,且二者的时延估计性能非常近似。

关键词： vdes 参数估计相关函数频谱插值帧同步

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vdes卫星星座设计及通信关键技术研究

VDES卫星星座设计及通信关键技术研究

作者：张伟电子科技大学

学位级别：硕士

自21世纪初起,成熟健全的船舶自动识别系统(AIS,Automatic Identification System)在确保海上航行安全、船舶间可靠通信等方面扮演了至关重要的角色。然而,随着近年来海上船舶数量的急剧增加,船舶间各类应用数据交换量爆发式增长,数据... 详细信息

自21世纪初起,成熟健全的船舶自动识别系统(AIS,Automatic Identification System)在确保海上航行安全、船舶间可靠通信等方面扮演了至关重要的角色。然而,随着近年来海上船舶数量的急剧增加,船舶间各类应用数据交换量爆发式增长,数据在传输过程中丢失现象在重要航运海域频繁发生,传统的AIS系统已无法满足各类新兴的船舶应用在通信、定位、导航等方面的服务质量需求。国际航标组织在2013年由首次提出了vdes(VHF Data Exchange System)的概念。经过多次国际会议讨论,业界已将vdes作为AIS的升级及后续演进。论文关注vdes卫星子系统,研究针对地球固定区域覆盖性优化的vdes卫星星座设计方法及基于认知无线电技术的vdes星-船通信链路性能优化方法。具体地,论文研究内容包括两部分:第一部分,基于遗传算法的vdes卫星星座设计方法研究。论文以设计vdes卫星星座对地球固定区域覆盖性能为目标,基于传统遗传算法和卫星星座设计理论,分析并推导出共地面轨迹星座应满足的约束条件,并在其基础上综合运用MATLAB和STK工具设计共地面轨迹星座。第二部分,基于认知无线电技术的vdes星-船通信链路性能优化方法研究。论文引入认知无线电技术以提升vdes系统中卫星与船舶间的通信链路性能。同时,论文改进了基于能量的双门限频谱检测算法,并通过仿真实验验证、评估和对比了传统算法与改进算法在典型vdes通信场景中对星-船链路性能的提升。论文主要贡献包括:一方面,提出了基于遗传算法的vdes卫星星座设计方法,实现对地面指定区域连续无缝覆盖性能的优化;另一方面,基于认知无线电技术及其频谱检测算法的改进,优化vdes星-船通信链路性能,提高VHF频段频率利用率。论文研究表明:首先,运用论文提出的基于遗传算法的vdes卫星星座覆盖性能优化设计方法得到的、由4颗中地球轨道卫星组成的共地面轨迹星座,能够对中国南海目标海域提供连续无间断的通信服务,相比由传统解析法得到的、满足覆盖性能要求的6颗卫星Walker-delta星座和10颗卫星极轨道星座所需卫星数量更少,成本更低,具有重要实践意义;其次,论文提出的基于能量的双门限频谱检测改进算法,相比于原有频谱检测技术,能有效提升vdes星-船通信链路性能,以缓解当前vdes业务数据交换量爆发式增长带来的通信频带资源紧张难题。

关键词： vdes 星座设计共地面轨迹星座认知无线电能量检测算法

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vdes多星座兼容策略研究

VDES多星座兼容策略研究

作者：王雪帆中国科学院大学(中国科学院微小卫星创新研究院）

学位级别：硕士

由于正在使用的海事信息服务的信道容量已经趋于饱和,新的海上通信平台——甚高频数据交换系统(VHF Data Exchange System,vdes)已成为争夺未来全球海上通信系统标准的制高点。各个海洋强国积极投入到vdes系统的研究和建设中,vdes多星... 详细信息

由于正在使用的海事信息服务的信道容量已经趋于饱和,新的海上通信平台——甚高频数据交换系统(VHF Data Exchange System,vdes)已成为争夺未来全球海上通信系统标准的制高点。各个海洋强国积极投入到vdes系统的研究和建设中,vdes多星座兼容共存是未来发展的必然趋势。由于所有vdes星座都采用相同的频率、时间对齐方式和时隙表,重复覆盖区域内的链路会造成大量冲突,严重影响系统整体性能。因此,vdes多星座兼容是vdes建设的关键之一。本文主要针对vdes异构星座共存场景下的兼容策略进行以下研究:首先,对本文所涉及到的相关理论技术和实际建设应用现状进行介绍。重点阐述了VDE天基部分(Satellite component of the VDE,VDE-SAT)建设的关键性和异构星座兼容策略研究的稀缺性与重要性。其次,阐述vdes整体架构和VDE-SAT的现有通信机制,包括信道、时隙表、帧结构和通信流程的设置。基于以上通信机制,阐明了多星座共存场景下的碰撞发生原因。通过VDE-SAT通信流程分析了星座间信息交互窗口和交互开销。通过借鉴载波侦听,分析历史资源信息对当前资源分配的影响,在不改变现有通信体制的情况下,提出一种vdes星座间信息交互策略,提高星座间的兼容性。其三,通过分析远洋场景中的通信需求,明确复杂环境中无模型马尔可夫决策过程的实用性,提出一种基于马尔可夫决策过程的时隙分配算法。通过引入状态转移概率,以一定条件初始化状态转移概率,并根据传输结果迭代优化状态转移概率。仿真实验验证了其性能在该场景下优于现有机制。其四,通过分析近海场景中的通信需求,明确时隙分配过程和目标,建立强化学习模型。将离散目标转化成连续的目标函数,并分析模型中动作对长期利益的影响,提出一种基于DQN的时隙分配算法。仿真实验证明在近海场景中,其性能优于现有机制。最后,比较了两种算法的侧重点,并在相同条件下对两种算法在公平性、稳定性和复杂度上进行比较,表明两种算法在各自场景中均由较好的适应性,由此指出未来的改进方向。

关键词： vdes 马尔可夫决策过程 DQN 干扰规避资源分配

vdes系统可视化场景仿真和物理层关键技术研究

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VDES系统可视化场景仿真和物理层关键技术研究

作者：朱继飞电子科技大学

学位级别：硕士

近年来随着海上贸易的不断繁荣,船舶数量与客货运航线不断增加,用于船舶监管和航路管制的自动识别系统（Automatic Identification System）,存在信息传输速率较慢、物理信道有限等缺陷,特别在船舶密集区域AIS广播消息的时隙冲突严重,... 详细信息

近年来随着海上贸易的不断繁荣,船舶数量与客货运航线不断增加,用于船舶监管和航路管制的自动识别系统（Automatic Identification System）,存在信息传输速率较慢、物理信道有限等缺陷,特别在船舶密集区域AIS广播消息的时隙冲突严重,从而导致对船舶的监管能力急剧下降,严重影响海上航行安全。传统的AIS系统已不能满足现代海上船舶监管的需求,新一代的vdes（VHF Data Exchange System）系统应运而生。vdes系统在保持原来AIS系统工作方式不变的基础上,增加了ASM信道和VDE信道,提升了信息传输速率,扩充了数据交互能力。但在相关建议书中vdes系统未对AIS系统做任何改进,在港口、河流出海口、近海等船舶密集区域AIS系统时隙冲突严重的问题并未解决。因此本文提出了一种基于航行安全消息等级分类的自适应信道选择方法,使用ASM和VDE中还未分配具体内容的逻辑信道发送低安全等级的AIS广播消息,从而有效降低时隙冲突概率。利用飞机和卫星接收船舶广播信号,掌握重点区域乃至全球船舶实时动态信息,为各类船只航行安全提供保障是现在和未来重要的研究和应用方向。但现有接收机大都不能满足星载场景下频偏和灵敏度的应用要求,在此背景下本文对vdes物理层的多种调制方式的接收技术进行了研究,提出了一套适用于星载场景抗大频偏、高灵敏度的vdes信号接收算法,并在硬件平台上对该算法进行了实现和测试。具体工作如下:（1）针对AIS系统目前的时隙冲突问题,将广播消息根据与航行安全的相关程度进行了分类,利用AIS系统终端可监听广播信道的能力,设定时隙冲突阈值,提出了一种自适应信道选择方案。面向单密集小区、岸基接收以及星载接收等应用场景,对本文提出的自适应信道选择方案进行了仿真验证,给出了性能评估结果,对未来vdes系统接入协议标准的制定具有重要的参考意义;（2）针对传统信号检测和帧同步方法的不足,提出了抗大频偏的基于相位变化量的信号检测算法,通过频率、相位估计,结合改进的ML相干解调算法,同时设计了以置信度标定为先验信息的纠错技术,提高了信号检测概率、降低了报文正确解调的信噪比门限。最后对以上算法进行了仿真分析,在不同信噪比和频偏时,针对vdes系统内多种调制方式的信号,均取得良好效果;（3）以vdes系统内的GMSK调制方式为例,对本文提出的抗大频偏高灵敏度接收方案进行了硬件实现,并使用KC705和AD9361搭建了测试平台,测试中使用矢量信号源产生信号,结果表明:在频偏±4kHz范围内,单时隙报文灵敏度达到-123.5dBm,双时隙报文灵敏度达到-122.4dBm。

关键词： vdes 场景仿真时隙冲突信号检测相干解调

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vdes信号解调技术研究与实现

VDES信号解调技术研究与实现

作者：黄金磊南京理工大学

学位级别：硕士

甚高频数据交换系统(VHF Data Exchange System,vdes)是一种工作在甚高频的海上数据交换系统,主要用于海上数字通信。vdes包括自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)、特殊应用报文(Application Specific Messages,ASM)和甚高频数据交换(VHF Data Exchange,VDE)三项子业务。本文研究了AIS信号、ASM信号以及部分VDE信号的多信道实时解调解码并在硬件平台上实现,主要工作包括:(1)介绍了vdes信号的消息帧和报文格式以及相应的信号调制方式,同时由于AIS信号的同步字段具有周期性,ASM信号和VDE信号的同步字段具有良好的自相关检测和差分检测性能,根据这种同步字段的特点,在FPGA端设计并实现了vdes信号的恒虚警检测算法;(2)设计了vdes基带信号的解调与译码算法,包括频偏估计算法、相偏估计算法、符号同步算法、信道译码判决算法以及CRC校验与1bit纠错算法,仿真结果显示AIS信号在E/N=8d B时误帧率低于10%,未经过Turbo编码的ASM信号在E/N=10d B时误帧率低于10%,经过Turbo编码的ASM信号和Link ID为21的VDE信号在E/N=6d B时误帧率低于10%;(3)给出了信号接收处理样机的整体架构,基于FPGA和DSP芯片实现了相关信号接收解调算法,并详细阐述了解调算法的DSP实现过程,此外在DSP端还设计了动态内存管理机制,可以实现系统内存的重复使用;(4)通过EMIF接口和Rapid IO接口实现了FPGA与DSP的通信,其中EMIF接口实现DSP与FPGA的控制信号交互,Rapid IO接口实现了FPGA到DSP的数据传输;通过TCP协议和UDP协议实现了DSP与上位机的通信,其中UDP协议用于DSP接收上位机的控制指令,TCP协议用于DSP向上位机传输解调报文。

关键词： vdes 数字通信解调解码 Rapid IO DSP

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基于vdes的帧同步系统的研究与实现

基于VDES的帧同步系统的研究与实现

作者：郝永宸北京邮电大学

学位级别：硕士

船舶自动识别系统(AIS)是工作在海上甚高频频段的船舶跟踪系统,是用来保障海事安全的重要海上通信工具。但是随着使用AIS系统的船舶数量不断增加,逐渐暴露出频带狭窄、通信容量小的问题。为了实现更高更快更强的数据交换能力,提出了甚... 详细信息

船舶自动识别系统(AIS)是工作在海上甚高频频段的船舶跟踪系统,是用来保障海事安全的重要海上通信工具。但是随着使用AIS系统的船舶数量不断增加,逐渐暴露出频带狭窄、通信容量小的问题。为了实现更高更快更强的数据交换能力,提出了甚高频数据交换系统(vdes)的概念。由于vdes系统覆盖范围广,链路较多,链路之间差别较大,vdes系统还存在着同步问题和信号冲突问题。本文主要研究的是同步问题和信号冲突情况下的同步问题。首先,本文介绍了研究背景,vdes系统和帧同步技术的研究现状,给出了 vdes帧同步系统的设计意义。之后,本文深入调研了vdes的相关技术,包括物理层帧结构、时隙冲突产生原理;之后,本文对vdes系统的信号特性进行研究和仿真;并介绍了帧同步算法和串行干扰消除技术。其次,本文根据vdes系统的相关技术和信道特性,提出并实现了改进的时频联合帧同步算法,并通过引入串行干扰消除算法提出了单通道多用户帧同步算法,解决了信号冲突情况下的同步参数估计问题。最后,本文在信道特性、帧同步算法和串行干扰消除算法的研究基础上,设计了一个基于vdes的帧同步系统。并基于MATLAB对帧同步系统进行系统级仿真,统计在不同信噪比、时延和频偏的情况下系统的准确率,验证算法的可行性和正确性。之后仿真了帧同步系统在不同频偏情况下对ASM链路的误帧率的影响,以及设计了帧同步系统的性能优化。仿真结果表明,对于无冲突信号,帧同步性能非常好。对于冲突信号,帧同步性能与信号之间的功率差有关,功率差越大,同步性能越好。

关键词： vdes 信号传播帧同步技术串行干扰消除技术帧同步系统