（通信与信息系统专业论文）海上安全信息自动接收系统.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 奈伏泰斯( n a v t e x ) 系统是以窄带直接印字电报方式发送和自动接收海上 安全信息的系统，为保证船舶航行安全发挥着极其重要的作用，也是全球海 上遇险与安全系统( g m o s s ) 中重要的组成部分。 软件无线电是最近几年在无线领域提出的一种新的通信系统结构，它突 破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性， 强调以开放性的最简单硬件为通用平台，尽可能地用可升级、可重新配置的 应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路。 本论文研究的内容是基于软件无线电技术的汉字奈伏泰斯接收机的实 现。根据系统设计的性能要求，依据带通采样定理，本设计采用模数转换电 路对奈伏泰斯射频信号直接采样，采样值送d s p 处理，通过数字带通滤波器 获得低频端信号，再对该低频信号的采样值进行抽取、定时检测，从而完成 对奈伏泰斯射频信号的解调译码过程。本设计采用了一种较新颖的译码方法， 即基于快速傅立叶变换( f f t ) 算法检测2 f s k 信号的方法，简化了信息接收的 过程。 本文所研究的内容适应当前海上移动通信技术的发展与更新，采用软件 无线电技术，为汉字奈伏泰斯接收机的进一步研制提供了一定的理论依据， 具有一定的实用价值。本设计的意义在于采用d s p 技术和数字化电路设计， 满足对接收机高集成度和性能稳定的要求，以尽量简单的硬件平台完成系统 的性能。 关键词：汉字奈伏泰斯系统，频移键控，d s p ，带通采样，快速傅立叶变换 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t n a v t e xi sa ni n t e r n a t i o n a la u t o m a t e dd i r e c t - p r i n t i n gs e r v i c ef o ri s s u eo f n a v i g a t i o n a la n dm e t e o ro nl o g i c a lw a r n i n g sa n du r g e n ti n f o r m a t i o nt os h i p i t w i l lf u l f i l la ni n t e g r a lr o l ei nt h eg m d s s ( g l o b a lm a r i t i m ed i s t r e s sa n ds a f e t y s y s t e m ) d e v e l o p e db yt h ei n t e m a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i z a t i o na n di sa l r e a d y c o n t r i b u t i n gt os a f e t yo nt h e s e a s o f t w a r er a d i oi san e wa r c h i t e c t u r eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a ti s b r o u g h tf o r w a r dt h e s ey e a r si nr a d i oa r e a i tb r e a k st h r o u g ht h el o c a l i z a t i o no f t r a d i t i o n a lr a d i oi ns i m p l ef u n c t i o na n d b a de x p a n s i b i l i t y , a n di tf o c u s e so nt h e n e wd e s i g ni d e aw h i c hi sb a s e do no p e na n dc o m m o nb o a r da n du s eu p d a t e a b l e a n dr e c o n f i g u r a b l ei n t e m e ta p p l i c a t i o n st or e a l i z ea l lk i n d so f r a d i of u n c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec h i n e s en a v t e xr e c e i v e rb a s e do ns o f t w a r er a d i oa r e s t u d i e da n di m p l e m e n t e d b a s e do nt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m ， a na n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i ti sa d o p t e dt os a m p l et h en a v t e x s i g n a l d i r e c t l ya c c o r d i n ga sb a n d p a s ss a m p l i n gt h e o r e ma n dt h es a m p l e sa r ep r o c e s s e d i nd s r t h r o u g h ad i g i t a lb a n d p a s sf i l t e r , t h es i g n a li nl o wf r e q u e n c yi so b t a i n e d a n dt a k e no u t t h ew h o l ep r o c e s so fd e m o d u l a t i o na n dd e c o d i n gi sc o m p l e t e d a f t e rt h es a m p l e sa r et i m e da n dd e t e c t e d an o v e la l g o r i t h mt od e t e c tt h e2 f s k ( f r e q u e n c y - s h i f tk e y i n g ) s i g n a li sa d o p t e dt om a k et h es i g n a lr e c e i v i n gs i m p l e ， t h a ti st h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m t h es t u d yi nt h i sp a p e ri sa d a p t e dt ot h ed e v e l o p m e n ta n dc h a n g eo fc u r r e n t m a r i t i m ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dp r o v i d e ss o m et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o r m o r ed e v e l o po fc h i n e s en a v t e xr e c e i v e rb yu s i n gt h es o f tr a d i ot e c h n o l o g y i ti sp r o v i d e dw i t hd e f i n i t ep r a c t i c a l i t y t h es i g n i f i c a n c eo ft h ep a p e ri st h a ti t a d o p t st h ea d v a n c e dd i g i t a lt e c h n o l o g ya n dd i g i t a lc i r c u i td e s i g nt om e e tt h en e e d s a b o u th i 曲i n t e g r a t i o na n d s t e a d yp e r f o r m a n c e o ft h e s y s t e m t h a t i st o a c c o m p l i s ht h es y s t e mp e r f o r m a n c ew i t ht h eh a r d w a r ea sm o r es i m p l ea sp o s s i b l e k e y w o r d s ：c h i n e s en a v t e xs y s t e m ，f s k ，d s p , b a n d - p a s ss a m p l i n g ，f f t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：逸丞鉴 日期：伽f 年2 - 月髟日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 海上安全信息( m s i ) 1 1 是指“对海上船舶所播发的航行警告、气象警告、 气象预报和其它与航行安全有关的紧急信息” 全球海上遇险与安全系统( g m d s s ) 是国际海事组织( i m o ) 利用现代 化的通信技术改善海上遇险与安全通信，建立新的海上搜救通信程序，并用 来进一步完善现行常规海上通信的一套庞大的、综合的、全球的通信搜救网 络。海上安全信息播发系统( n a v t e x ) 是该系统的三大组成部分之一。该 系统分为两种：一种被称为国际奈伏太斯系统，为航行于国际水域的船舶提 供英文的海上安全信息：另一种被称为国家奈伏太斯系统，为航行于本国水 域的船舶提供本国的各种安全信息。目前全世界已有5 0 多个国家建立了 n a v t e x 系统，所使用的基本语言是英文。 现有的国际奈伏太斯系统为一些船舶( 主要是商船) 提供了英文的奈伏太 斯信息。对于我国几十万艘的近海作业船舶来说没，英语语言上的障碍、相 对较高的价格、恶劣的工作环境、信息的显示方式、较高的维持维护费用、 相对复杂的操作方式等因素严重的制约着它的应用。 海洋经济开发是我国经济发展的重要组成部分，船舶的航行安全是海洋 开发的基本保障，研究新型的船用安全信息无线接入系统对我国海洋经济丌 发具有重要意思，由于传统的n a v t e x 无线接入系统采用窄带直接打印 ( n b d p ) 的工作方式，功能单一、智能化程度低，不适应现代航运发展的 要求。通过使用现代通信技术及信号处理技术，开发具有处理汉字信息能力 的奈伏太斯发送和接收装置，为近海( 距大陆线2 5 0nm a i l 以内) 航运及海上作 业船舶提供各种汉字的海上安全信息是十分必要的。 1 2 国内外目前的研究现状 g m d s s 依赖于两种通信技术播发海上安全信息，一种是奈伏泰斯( n a v t e x ) 它以中频无线电的方式覆盖众多的沿海区域：另一种是卫星通信，以增强型 群呼的方式覆盖全部的3 n m a r s a t 海域和某些特定的沿海区域。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 国际奈伏泰斯业务是指在5 1 8 k h z 的频率上以窄带直接印字电报方式协调 播发和自动接收英语的海上安全信息。由于国际奈伏泰斯系统是采用同频工 作方式，为了防止发射台之间的干扰，国际海事组织( i m o ) 将全球按地理位 置划分为1 6 个航行警告区域( n a v a r e a s ) ，协调奈伏泰斯信息的发布，在每 个区域内，按地理位置依次确定电台的表识。我国位于第1 1 区。截止到2 0 0 0 年6 月，全世界已有5 4 个国家建立了国际奈伏泰斯系统。对非英语国家而言， 考虑到本国的实际，目前已有1 2 个国家使用英语以外的9 种语言在4 9 0 k h z 或者 4 2 0 9 5 k h z 的频率上传输本国语言的奈伏泰斯信息。 国家奈伏泰斯业务是指在5 1 8 k h z 以外的频率上以窄带直接印字电报方 式协调播发和自动接收本国( 或本地区) 语言的海上安全信息。根据国际海 事组织关于奈伏泰斯区域的划分，我国在上海、广州、大连、福州、三亚建 立了n a v t e x 播发台，链状覆盖了我国沿海的4 0 0 海里以内的海域，已经开 始在5 1 8 k h z 频率上播发航行警告和安全信息，此外，香港地区的奈伏太斯 业务也已经开通。我国自1 9 8 6 年开放用于船舶自动接收的n a v t e x 业务， 至1 9 9 9 年2 月1 目，所有从事国际国内航运的3 0 0 g t 以上的船舶均已安装 了n a v t e x 无线接入系统，自动接收并打印出海岸电台播出的有关海上安全 航行警告信息。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要研究了建立在软件无线电技术上的汉字奈伏泰斯( n a v t e x ) 接 收机。汉字奈伏泰斯接收机是在4 9 0 k h z 、4 2 m h z 以及5 1 8 k h z 频率或国家主 管部门所规定的频率上，自动接收海上安全信息的系统。 本文共由五章组成。第一章绪论，简述奈伏泰斯系统的概念、目前国内 外的研究现状及发展和本文的主要研究内容。通信系统质量的优劣在很大程 度上取决于接收机的性能，而信息在传输的过程中，一方面受到信道衰落的 影响，另一方面受到噪声的干扰，这些影响信息可靠传输的不利因素在很大 程度上直接作用在接收端，因此第二章讨论了海上无线电波的传输特性及在 噪声干扰下的特性，为设计接收机准备了必要的理论基础。第三章研究了汉 字奈伏太斯接收机的结构及宽动态范围内的射频前端的设计；信号的检测、 接收及数字化处理，提出了几种检测方案，并进行了对比：由于在海上进行 的无线通信环境复杂，受噪声干扰严重，因此对2 f s k 信号的在噪声干扰复杂 哈尔滨工程大学硕士学位论文 情况下的检测及解调进行了重点地谈论，提出了一种良好的抗噪声性能的 2 f s k 信号的解调方法以及在实际应用中可以利用d s p 实现的方法。第四章在 第三章准备的理论下，首先介绍了d s p 芯片及模数转换a d c 芯片，然后谈论 了d s p 技术在软件无线电接收机中的应用，针对系统中的各个关键技术环节， 设计了数字化处理、2 f s k 信号的检测、译码及f i r 滤波器的设计。第五章结 论，总结了前面的工作与实际课题的进展，并对课题的下一步进行了预测。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章海上无线电波传播特性和噪声干扰特性 电波的传播形式直接决定了通信系统总体指标的计算及整机系统的结 构。对于海上的无线电通信，除卫星通信之外，可考虑的无线电通信方式有 中波、长波和超长波段的地波通信方式：短波通信；超短波通信等方式。中 波、长波和超长波波段通信，电波是以地波的形式传播的。地面对这种波段 的电波的衰减要比频率高的电波的衰减小，从而保证了它的传播距离。在汉 字奈伏泰斯系统中，信息的播发采用的是中波通信方式，使用f s k 频移键控 方式调制。频移键控调制是数字通行常用的调制方式之一，其优点是抗衰落、 抗噪声性能好，在中低速率数据传输中得到了广泛的应用。 2 1 信道与噪声 在一个通信系统中，除了本系统所传输的信号以外，一切规则的和不规 则的、可懂得和不可懂得干扰，统称为噪声。 信息在传输过程中，一方面受到信道衰落的影响；另一方面受到噪声的 干扰。通信系统质量的优劣在很大程度上取决于接收机的性能，而影响信息 可靠传播的不利因素( 信道特性的不理想及信道中的噪声的存在) 在很大程 度上直接作用在接收端。 根据无线电通信规程，奈伏泰斯系统通信线路所使用的频段有中波( 5 18 和4 9 0 k h z ) 或中短波( 4 2 0 9 5 k h z ) 。中波波段无线电波的一个特点，就是白 天在电离层d 中损耗很大，主要利用地波传播；而到了夜间由于电离层d 层 消失，中波经e 层反射传播，可达到较远的距离。换言之，晚问的中波无线 电波既利用地波也利用天波传播【2 1 。在夜间，当发射功率足够大时，其通信 距离可以达到1 5 0 0 k m ，在发射台5 0 k m 的范围内信号最强；5 0 - - 5 0 0 k m 成为 “跳跃区”，信号较弱。天波的传输条件，实际上与地球表面的特征无关。在 昼夜时间内地波占优胜的短距离上，是没有衰落现象的。在只有天波的远距 离上，信号的衰落表现的很微弱。中波波段的特点就是在夏季时间内的干扰 电平会增大，同时由于电离层的随参特性，因而会产生交扰调制。此外，中 波频段的信道还具有以下特点： ( 1 ) 日出时候，来自西面电台的信号较强。 ( 2 ) 日落的时候，来自东面电台的信号较强。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 通过海上路径的信号较强，因为海水的电气性质类似于良导体【3 】， 以3 0 0 k h z 为例，其传导电流与位移电流之比为3 0 0 0 ，而湿地的这一比值为 3 0 。各种形式的地面的电性参数如表2 1 所示。 ( 4 ) 冬天的接受效果优于其它季节。因为黑夜比其他季节更长。 ( 5 ) 因为一些发射台在晚间降低发射功率，同时大约有半数的发射台停止 工作，所以晚间的中频信号质量比白天要好的多。中短波波段无线电通常是 通过天波传播的，这时衰落的程度更大，然而一次通信的状况可能非常稳定。 表2 - 1 各种形式地面的电性参数【4 】 5 表面的变化范围平均值 形式 r 7 ( s m ) r t 7 ( s m ) 海水 8 0l 1 4 38 0 4 淡水 8 01 0 2 也4 x1 0 28 01 0 2 湿地 1 0 3 03 1 0 3 1 0 吐1 01 0 。2 千土 3 - 41 1 1 0 2 。2 x1 0 41 0 。 森林 1 0 。 大城市 7 5 1 0 4 山地 7 5 1 0 4 2 2 噪声的干扰特性 按噪声的来源可分为自然噪声、人为噪声和系统内部噪声。自然噪声是 指自然界存在的各种电磁波源，如大气噪声( 闪电、电暴等) 及宇宙噪声( 太 阳黑子、银河噪声等) 。人为噪声来源于其他无关的信号源，如外台干扰、电 力干扰、工业电气点火干扰机荧光灯干扰等。系统内部噪声是设备本身产生 的各种噪声，如在电阻类导体内自由电子的热运动( 常称为热噪声) 、真空管 内电子的起伏发射和半导体中载流子的起伏变化( 常称为散弹噪声) 及电源 的哼声等。 任何通信系统都不可避免的有妨碍通信的噪声存在。按噪声的性质可分 为随机噪声及非随机噪声。随机噪声通常指不可预测的噪声，如单频噪声、 脉冲噪声和起伏噪声等。非随机噪声通常是指可以预测的噪声，至少在理论 上可以设法消除或者基本上消除，如电源“哼声”、自激振荡和系统内部的谐 波干扰等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如果把天线所接收的外部噪声以及由天线导体产生的热噪声都等效地看 成是由天线电阻所引起的，因此当天线与接收系统匹配时，天线送入系统的 噪声功率一与等效噪声温度死之间的关系为 p 。= 吸口。 ( 2 - 1 ) 式中，k 为波尔兹曼系数：玩为等效噪声带宽，被定义为 驴坦2 p ( c o o ) = 等 陋z ， 式中，r r 缈，为噪声功率谱密度。 另一种表示接收机外部噪声的方式是天线噪声系数，其定义为 f ：j l ：墨r 2 3 1 “玩瓦 、7 式中，p n 表示从等效的、无损耗的垂直短天线中所测得的噪声功率；t o 为参 考温度，通常取2 9 0 k 。 2 3 海上无线电波的传输特性 通过表2 - 1 ，我们发现由于海水导电率一大，对电波衰减小的特点，使得 海上4 0 0 k m 左右的距离上的中波通信中电波实质上是以地表面波的形式进 行传播的。 2 3 1 地波电场强度计算 地表面波的衰减原因来自两个方面【3 】1 6 1 ：一个是在自由空间传播因扩散而 引起的自然衰减；一个是地面对电波的吸收。 首先考虑无线电波在自由空问传播由于扩散所引起的自然衰减。设发射 天线的辐射功率为p ，天线的方向系数为d ，则距离辐射源r 处的电磁波能 流密度为 n n s = 二：( m2 )( 2 - 4 ) 4 m 而电磁波的能流密度正好为波印亭矢量在一个周期中的平均值，即 s = e h ( w m 2 ) ( 2 5 ) 其中，e 、日分别为电场强度和磁场强度的有效值。在天线的远场处，电场强 度e 和磁场强度h 之间具有下面的关系： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h = = 一f 爿棚1 1 2 0 石、 由此，式( 2 - 5 ) 可以表示为 s = 盖( 刚m 2 ) 由式( 2 - 4 ) 和式( 2 - 7 ) ，可以得到距离辐射源r 处的电场强度为 e ：3 0 厕p d ( v i 聊、 如果采用实用单位。即电波的电场迁都用m v i m , 辐射功率用k w , 为单位，则场强的有效值表示为 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 距离用k m e = 1 7 3 厕，( k m ) ( m 矿聊) ( 2 - 9 ) 上式即为不考虑地球表面吸收的影响，由自然衰减所产生的接收点的场强计 算公式。 若考虑地球表面波传播过程中地表面吸收所产生的衰减，则在近距离( 不 考虑地球曲率) 的情况下，地表面波电场强度可按照舒莱金一范德波尔公 式计算，即 e ：! 竺掣a ( m 矿肌) ( 2 - 1 0 ) ，i k mj 其中，衰减因子彳代表因地表面所引起的能量损耗。因此可见，在近距离上 地表面波的电场强度的计算就是在自由空间电场强度的基础上附加一个衰减 因子a 。衰减因子a 可用布洛斯( b u r r o w s ) 曲线【7 1 查出，也可以按照下述近 似公式计算 4 = 石2 i + 面0 3 萨x ( 2 - 1 1 )2 + 工+ o 6 2 2 7 其中，辅助参量x 称为数量距离，其计算公式为 工= 百m ( 6 石, - 1 ) 丽2 + 丽( 6 0 2 广o - ) 2 ( 2 一1 2 ) 旯占：+ f 6 0 a 盯1 2 、7 式中，占，和盯分别为地表面的相对介电常数和电导率。 通常，利用舒莱金一范德波尔公式计算实际地表面波的场强仅限于地 球曲率可以忽略的近距离范围内。由于传播的电波的波长越长，地球曲率引 哈尔滨工程大学硕士学位论文 起的凸起部分高度比波长越小，地球曲率的影响则越小。因此，舒莱金一范 德波尔公式最大应用距离和传播电波的波长( 或者频率) 有关。表2 2 给出 了舒莱金一范德波尔公式最大应用距离和波长的关系。 表2 2 舒莱金一范德波尔公式最大应用距离和波长的关系 波长)频率门如)最大距离( k i n ) 2 0 0 2 0 0 0 01 5 如1 5 足3 0 0 4 0 0 5 0 2 0 06 n 扛1 5 f5 0 1 0 0 1 0 5 03 0 心m 1 0 2 3 2 本章小结 本章论述了对于海上的无线电通信可以采用的通信方式，即中波通信。 对于海上的中波传播，电波是以地波的形式传播的。地面对这种波段的电波 的衰减要比频率高的电波的衰减小，从而保证了它的传播距离。在海上4 0 0 海里以内，有公式可以计算出相应的电场强度。由于海上通信环境复杂，噪 声干扰很大，可以考虑使用f s k 频移键控方式调制。频移键控调制是数字通 行常用的调制方式之一，其优点是抗衰落、抗噪声性能好，在中低速率数据传 输中得到了广泛的应用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章接收机的结构及信号的检测 汉字耐伏泰斯接收机是一个调谐在4 9 0 5 1 8 k h z 的能够自动接收并打印 汉字英文两种形式的航行警告、气象信息和紧急信息的装置。它将是海上人 命安全公约规定的船舶必须装备的一种无线电设备。 3 1 汉字n a v t e x 接收机的结构及射频接收前端 传统上，奈伏泰斯接收机将接收到的信号进行模块化处理，即先进行单 边带解调、2 f s k 信号检测，得到的数据信号送信息处理单元进行相应的处 理，然后打印出来或者显示。它的原理框图如图3 - 1 所示，包括接收天线、 射频接收单元、信息处理单元、打印单元、显示单元和电源等 图3 - 1 汉字耐伏泰斯接收机的原理框图 在设计中，采用了数字信号处理技术，将射频接收单元和信息处理单元 两部分功能合并在一个d s p 芯片当中，这样就简化了以往系统设计时使用单 片机所带来的繁琐，也消除了由于单片机c p u 时钟不稳定而引起的定时不 准，码元串位等缺点。而且，对于2 f s k 信号的检测也采用了新的检测方式， 简化了接收信号的处理过程。 3 1 1 接收天线 接收天线是把电磁波能量转换为高频电流能量的变换器件。当把天线放 在外来无线电波的电磁场内，则在电磁波场强的作用下，在天线上产生感应 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电动势。接收天线上感应的电动势大小与天线的取向和长度( 有效n j f r ) 有关。 由于耐伏泰斯系统工作在中波频段，波长约为6 0 0m ，其接收天线满足电小 天线的特征，即天线高度与工作波长远远小于o 1 。电小天线的特征主要有： 1 、有效面积 4 ：丝：0 1 3 2 2f 3 _ 1 1 4 万 式中，d 为方向系数，这里电小天线取值为d = i 6 。 2 、有效高度 因为天线相对于工作波长很短，天线上的电流近似于三角分布，所以有 效高度约为天线高度的一半，即h 。zh 2 。 一个鞭状天线的等效电路如图3 2 所示。 图3 - 2 鞭状天线等效电路 天线供给负载( 接收机) 的功率 雎r 肚南艘 式中，z j 为天线的阻抗：z 为接收机输入阻抗。 f z 。= r 。+ j x 。 【z = r + 弘 阻抗匹配时，天线有最大的功率输出，其条件为 r 。= r x 。= - x t 3 ：二- 4 r 。 1 0 ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当鞭状天线电小时，有效高度与频率无关。开路电压也几乎与频率无关， 相当于一个与频率无关的恒压源，即在入射场强的激励下，由鞭状天线感应 的开路电压为 u 。= e h 。( 3 - 5 ) 3 1 2 天线放大器 电小天线的效率通常是较低的或者是很低的，对信噪比的影响不大。这 就有可能在低频段使接收天线小型化，因为电小天线不管d , n 什么程度，它 的方向系数总是保持在1 5 左右。换言之，加入天线放大器其目的主要是在 于提高有用信号的电平。当外部噪声起决定作用的情况下，天线放大器对于 改善系统的信噪比意义并不大。若外部噪声不是起决定性的作用，天线放大 器靠近天线，有利于提高系统的信噪比。 一个有源天线的结构如图3 - 3 所示。总长1 2 m ，其中天线部分为l m ， 天线放大器部分为o 2 m 。 具体要求如下： 天线中心频带4 9 0 k h z ； 频带宽度3 k h z ： 放大器增益大于1 0 d b ； 噪声系数1 1 ； 输出阻抗5 0 q ； 单电源供电+ 1 2 v 直流电压； 直流供电与射频信号通路同路； 放大器前端保护接地与高频接地隔离。 天线放大器的具体电路如图3 - 4 所示。 天线 丁i h l f t 胀 卜 一 “一朝 o 0 3 一 i ! 一 i 图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 - 4 天线放大器 在实际工作中，对于船舶而言，保护接地要求使用截面积不小于6 m m 2 的铜线，以最短的路线连接到船体金属处。 3 2 奈伏泰斯系统中的2 f s k 信号 汉字奈伏泰斯系统信息的传输采用f 1 b 模式。f 1 b 是前向纠错窄带直接 印字电报模式( f e cn b d pt e l e x - t e l e p r i n t e r ) 的英文简称。f 1 b 的基本结构 如图3 5 所示。 2 f s k 叫前向纠错编卜_ 叫产生卜_ 叫射频调制h 广j _ l 无线信道i l 。一 图3 - 5f 1 b 模式结构 表示汉字编码的消息序列经前向纠错编码，加入监督码元并进行时间分 集，赋予该码组具有纠错的能力。2 f s k 调制的作用是把数据信号转变为音 频信号，其中心频率为1 7 0 0h z 。当输入数据为高电平时，2 f s k 信号的频率 为1 6 1 5h z ；反之，2 f s k 信号的频率为1 7 8 5h z ，然后将这个音频信号进行 哈尔滨j 二程大学硕士学位论文 单边带( 取上边带) 调制，通过无线信道传输到接收端，采取与发送端相反 的变换。 在汉字奈伏泰斯系统中，所传输的2 f s k 信号便是0 符号对应于载频 f o = 1 7 8 5h z ，而“l ”符号对应于载频f l = 1 6 1 5 h z 的一种信号。它可以利用一 个矩形脉冲序列对一个载波进行调频而获得，也可以采用键控法来实现，即 利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。前 者波形相位是连续的，具有较窄的频谱；后者波形相位通常是不连续的，具 有较宽的频谱。2 f s k 信号的数学表达式为8 e o ( r ) = s o ( f ) c o s ( 2 n f o t ) + s l ( ，) c o s ( 2 n f , t ) ( 3 - 6 ) 其中 s o ( f ) = 口。g ( t n t ，) ( 3 7 ) ( ，) = _ g ( 卜门) ( 3 - 8 ) 旷 1 ，0 鬈浆p ， p ， 瓦： 0 ：黧1 p ) ( 3 q o ) 一11 ，概率为p 式( 3 7 ) 和式( 3 - 8 ) 中的g ( t ) j d 单个矩形脉冲，脉冲宽度为瓦，幅度为1 。司以证 明，这种2 f s k 信号的功率谱密度如式( 3 - 1 1 ) 所示 p e ( f ) ：g t p o ( s f o ) + p o ( f + f o ) + p , ( f 一 ) + 只( ，+ z ) 】 ( 3 1 1 ) 这里p 0 6 9 和p 1 6 9 分别是s o 倒和j 一例的功率谱密度。由式( 3 7 ) 至( 3 一l0 ) 可以分别 求的功率谱p o ( ) 和p l o 2 f z 的采样速率来进i 于采样，但是，当 f m 口= 局呃时，也就是当信号的最高频率远远大于其信号带宽时，如果 仍按n y q u i s t 采样率来采样的话，则其采样频率将会很高，以致很难实现， 或者后面处理的速度满足不了要求。 软件无线电所基于的最基本的理论是带通采样定理，带通采样定理便为 以比n y q u i s t 采样率更低的速率对带限信号进行采样提供了依据。而且在前 置窄带滤波器的配合下，采用几个有限的采样频率( 其中包括1 个主采样频率 和取决于工作频率范围以及主采样频率的若干个“盲区”采样频率) 就能实现 对整个工作频带内的射频信号进行直接采样数字化，然后通过软件或信号处 理算法完成对各种类型或各种调制样式信号的解调、处理功能。带通采样定 理的应用大大降低了所需的射频采样速率，为后面的实时处理奠定了基 “】。 设一个频率带限信号x ( o ，其频带限制在魄，问内，如果其采样速率工 满足 1 ，、 f ：! ! ! ! 二! 丝! r 3 15 、 。5 2 h + 1 。 式中，n 取能满足，、2 ( 厶一兀) = 2 b 的最大正整数( o ，1 ，2 ) ，则用 正进行等间隔采样所得到的信号采样值x ( n 列能准确地确定原信号x 。 当以f o = ( 兀+ 厶) 2 代替，采样速率工还可以用其中心频率而和频带宽 度占来表示 4 ， z = 等( 3 - 1 6 ) z 门十l n 取能满足f 2 b 的最大正整数。 如果我们允许采样后在不影响信号的情况下频带有一定的混叠，而这些 混叠可以由后续的数字信号处理器中的数字滤波器滤除，那么我们可以进一 步的减少采样速率。 由带通采样定理可以看出，只要对信号的采样频率满足大于前置模拟滤 波器的截至带宽和后续数字信号处理的所设计的滤波器的截至带宽之和，以 这样的采样率对信号采样后所得的采样值就能准确的确定原信号。最主要的， 带通采样的结果是用低频端基带信号的频谱来表示所处理的处于较高频段的 信号。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本设计采用的是窄带中频采样数字化软件无线电结构，其采样模型如下 图3 7 所示。 图3 7 窄带中频采样数字化模型 软件无线电体系结构的一个重要特点是将模数转换器a d c 和数模转换 器d a c 尽量靠近射频前端。为减少模拟环节，在较高的中频，甚至更高的 射频信号直接进行数字化，这就要求a d c 器件具有适中的采样速率和很高 的工作带宽，a d c 器件的选择应保证软件无线电功能和性能的实现，其选择 原则是： 1 、采样速率的选择：应根据带通采样定理，在选择a d c 前设计好前置 滤波器，确定其截至带宽。 2 、采用分辨率较好的a d c 器件：因为器件的分辨率越高，所需的输入 信号的幅度越小，对模拟前端的放大量的要求也越小，它的三阶截点就可以 做得较高。a d c 的分辨率主要取决于器件的转换位数和器件的信号输入范 围。转换位数越高，信号输入范围越小，则a d c 转换器的性能越好，但对 制作工艺要求也越高。在选择a d c 器件时一定要注意信号的输入范围，尽 可能选输入范围小的a d c 器件，这样可以减轻前端放大器的压力，有利于 提高动态范围。 3 、a d c 的动态范围指标主要取决于转换位数，转换位数越多，其动态 范围就越高。 4 、根据环境条件选择a d c 转换芯片的环境参数，例如功耗、工作温度 等。a d c 转换器的功耗应尽可能低，因为器件的功耗太大会带来供电，散热 等许多问题：尤其对于在海上来说，供电更是一个大的问题。 5 、根据接口特征考虑选择合适的a d c 转换器输出状态：例如a d c 转 换器是并行输出还是串行输出；输出是t t l 电平、c m o s 电平，还是e c l 电平：输出编码是偏移编码方式，还是二进制补码方式：有无内部基准源； 有无结束状态等等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 4f s k 信号的检测 信号检测的定义概括说就是：从噪声中得到有用的信号的特征如频率、 幅值等，通过信号的特征来了解信号。 3 4 1 利用谱估计检测f s k 信号的理论“2 1 利用给定的个样本数据估计一个随机信号的功率谱密度叫做谱估计。 下面给出了利用谱估计检测f s k 信号的理论分析。 3 4 1 1f s k 信号的谱特性分析 设2 f s k 信号的码元长度为m = ，在一个码元长度内信号可以表示为： x ( ”) = a e x p 【( 2 须，z + 们】+ z ( n ) 铆= d ，j ，- )( 3 1 7 ) 式中，为了分析方便卉为归一化频率，既实际信号频率和采样频率之比 值。当乏疗f , 时，本码元信号代表二进制数1 ，反之，石乏乃饥时，代表二进 制数0 ，这里2 f s k 信号的载波频率万和正是已知的。p 为初相位，是o 2 石 之间的一个随机数，a 为信号的幅值。z ( n ) 是个均值为0 ，协方差矩阵为 尼噪声信号，记： x = x ( o ) x ( 1 ) e = 1 d j 2 斫 z = z ( o )z 0 ) x ( n 一1 ) 2 p 。“2 叫 7( 3 - 18 ) z ( n 一1 ) 7 则有x=ace+z 其中，4 = a e x p ( j 9 ) 为复振幅。 则从信号x 得到4 的最大似然率( m l e ) 估计值为： j e ”贬1 x 气一面丽 设z ( 月) 是白噪声，即r z = 盯2 i ，代入上式( 3 2 0 ) ， 有 小甏= 专矿例n 其幅值即为信号幅值a 的无偏m l e 估计： ：， 柳 姗 埘 p p 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 五= = 丙| l l 磊q - i 砌矿l p z z ， 以上推导说明，a ，等于信号的傅立叶变换在再处的值( 只差因子j n ) 。 只要z ( n ) 为白噪声，这一估计的性质不受z ( n ) 方差的影响。2 f s k 信号代表 二进制数1 和0 的载波频率力和正是己知的，因此计算z 的傅立叶变换在归 一化频率办和正厂7 ；处的幅值并加以比较，就可以判断x 俐的频率究竟是五 还是力。上述推导是所有利用2 f s k 信号频谱峰值进行检测方法的理论基础。 3 4 1 2 一种利用谱估计解调2 f s k 信号的方法 根据式( 3 2 2 ) ，计算信号x 在五厂正及五厂石处的频谱幅值。 f 3 2 3 ) 一般给定的x 倒为实信号，以上复数运算可以化简为两个实数运算，求 绝对值运算可改为求模方，同时可省去1 n 因子，不会影响判决。 d 2 2 ，- o x ( n ) c o s 2 n ( f 1 f , ) n j i + i 薹x c n ，s i n 2 万c z f ，疗蔓。，一：。， 。2 = 薹x c ”，c 。s ：万c ，正，n 2 十 薹x c n ) s i n 2 石( j ，六，” 2 。 然后计算p = b 2 a 2 的值，若p 1 ，则本码元信号x 代表二进制数1 反之则为二进制数0 。 3 4 1 3 谱估计解调方法的性能分析 系。 下面进一步分析上述方法的有效性与码元长度和信号频率差的关 设码元内信号频率为 ，不考虑噪声，即设 iiijiii iiijjii m 正 正 如 州 州 f ，二 一 一， 8 p 呻 曲 x x ，一一 = = q 既 ，j、【 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这里有 如瞧expj2z(fl唧珍exp一j2玎(fll)n=0n ， 2 a 2 = p 工) n + 纠) 一 n ) | i = l a n e x p j 妒 2 = 彳2 2 b 2=l爿艺expj2万c一，六，一+妒，-exp-j2，r(f2n=0，六，n ，l 2 2 = l 爿 万( j 六) h + 纠 -六) n ) 1 i = a2 1 1 z _ e x p j 2 刑v a f , l l1 一e x p t ，2 刀掣，l = a 21 ( 1 一c o s 2 ；v n a 旷) 2 + ( s i n 2 r , n a f , ) 2 l l ( 1 一c o s 2 a a f , ) 2 + ( s i n 2 e r a f f ) 2i ( 3 - 2 6 ) ：“2 1 - c o s2 ；, r n a f , ( 3 - 2 7 ) 1 一g o s 2 z a f , 这里4 f = a d z 为要求判决的信号频率差和采样频率的比值。 p = 等= 怒nc o s 2 m ，f = 端ns i n = 豢n - 2 b z s ， 口2 2 ( 1 一) 2 2 盔靳 。；。2 国 v 其中，a c o = 2 碱。可见，p 的值总小于1 。在馘= 0 时，p 为1 ； 4 f = 1 n ，即a c o = 2 7 r 时，p 最小为0 ，p 和国的关系如下图3 - 1 2 所 若码元内信号频率为五，同样可以推导知道p = b2 a 2 的值总大于1 ， 彩= 2 r e n 时，p 将趋于 由以上推导可知，p 值与输入信号的幅值a 及初相位p 无关。的值基 本上只和m 有关，当n - a f , = 1 时，p 为0 ，判断最为容易。若a f , = a f 六 过小而值有限，将使p 值和1 接近，判断逐渐困难。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p = b e a 2 厂 i l 4 n - 堡 2 n 4 z r nn n n 图3 ，1 2j 9 和a c o 的关系( 信号频率为彤 由上面的分析可以看出，在相同的采样频率正下，对于高速信号( 码元速 率石较大) ，由于每个码元得到的采样数据很少，码元宽度较小，因而很难 利用有限点的数据来准确地提取信号频谱特征；对于窄带信号，由于两个频 率的间隔a f 很小，鉴频的难度较大。 3 4 2f s k 信号解调的传统方法卵1 34 2 1 鉴频法 鉴频法是将移频键控信号的频率变化转化为幅度变化，然后通过幅度检 波得到基带信号。这种方法广泛应用于模拟调频信号的解调。但是，用鉴频 法解调移频键控信号，误码率较高【1 3 】。 3 4 2 2 过零检测法 单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。过零 检测法就是用计算信号过零点数目的方法来解调2 f s k 信号的。 具体实现方法通常是将输入己调信号经限幅、微分、整流后，形成与频 率变化相应的脉冲序列，由此形成一定宽度的矩形波，经低通滤波器滤除高 次谐波，抽样判决后即可得到原始的基带信号，如图3 - 8 所示。 图3 - 82 f s k 信号的过零检测法框图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 4 2 3 差分检波法 图3 - 9 为差分检波法的原理框图。输入信号经带通滤波器滤除带外无用 信号后分成两路，一路直接送到乘法器，另一路经时延时f 后送到乘法器， 相乘后再经低通滤波器滤除高频成分即可取出基带信号。差分检测是基于输 入信号与其延迟信号进行比较，检测出不同频率信息的，受信道延迟失真很 小。所以，在信道有严重延迟失真时，可用差分检测的方法。但是它受到 1 r = 厂0 的限制及时延网络精确度的影响，不易精确实