（通信与信息系统专业论文）ais系统基带信号的研究与dsp实现.pdf

摘要 随着现代航运交通运输的发展，一种安装在船舶上的自动应答和识别装置对 于航海的安全、海运交通管制以及监视海事环境非常有益。本文着重对自动识别 系统( a i s - a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 设备的高斯滤波最小频移键控 ( g m s k - g a u s s i a nf i l t e r e dm i n i m u nf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 基带调制解调信号进行 了仿真研究，并在仿真的基础上，在t i 的d s p 上实现了基带信号的调制解调，为 国内研制a i s 系统储备了关键技术。 本文重点讨论了g m s k 基带信号的形成以及g m s k 基带信号的差分解调，系 统在s y s t e m v i e w 的环境下进行了软件仿真，通过对系统的仿真工作，仔细的 研究了g m s k 基带信号的高斯预滤波器、相位积分、s i n 查表、匹配滤波器、相 角计算、位同步、帧同步、输出滤波、a d 和d a 等。在实现上，本系统设计使 用软硬件结合的方式使用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 9 完成了g m s k 基带信号的调制 解调，系统结合f p g a ，具有结构灵活的特性，通用性较强，适于模块化设计系统 易于维护和升级，适合用于实时信号处理。 在a i s 的众多上层软件协议中，本文主要研究了i t u - - 1 3 7 1 中的消息1 的产 生以及其打包、编码等过程。产生的h d l c 数据包通过n r z i 编码后，再通过d s p 进行g m s k 基带信号的调制，此消息被s a b b 接收机正确解析，证明了设备的互 连互通。 在系统的自举( b o o t ) 中，本文讨论了一种采用一片f l a s h 来启动四片d s p 的方法。主d s p 依照设置的b o o t 模式，通过外部总线读入待加载程序，从d s p 在主d s p 的控制下通过h p i 进行程序加载。该方式电路相对简单并且成本降低， 但实现复杂。 系统完成后，对基带板进行了必要的测试。通过仪器证明了信号质量较好， 能够与其它a i s 设备互通，达到系统验收标准。 关键词：a i s ，g m s k ，基带调制解调，f p g a ，b o o t , d s p a b s t r a c t a b s t r a c t b yt h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms h i p p i n gt r a n s p o r t a t i o n ，ae q u i p m e n t ，w h i c hc a l l a u t or e s p o n s ea n di d e n t i f y ，i se s p e c i a lb e n e f i tf o ro c e a ns h i p p i n gs e c u r i t y 、t r a f f i c c o n t r o l l i n g a n dm a r i t i m ee n v i r o n m e n ts u r v e i l l i n g t i l i s d i s s e r t a t i o n b a s i n go n s i m u l a t i o n ，m a k e sad e e pr e s e a r c ho ns i m u l a t i n gs i g n a lo fg m s k ( g a u s s i a nf i l t e r e d m i u l m u nf r e q u e n c ys h i nk e y i n g ) b a s e b a n dm o d l l l a f i o na n dd e m o d u l a t i o ni na i s ( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) e q u i p m e n t ：t h et e c h n o l o g yr e l a t e di nt h ef o l l o w i n g m a k e st h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no f b a s e b a n ds i g n a li n t or e a l i z a t i o nb vt id s p a tt h es a m et i m e ，p r o v i d e sak e yt e c h n i q u et od e v e l o pa i ss y s t e mi n l a n d s i g n a lf o r m i n ga n dd i f f c r e n td e m o d u l a t i o no fg m s kb a s e b a n ds i g n a la r em a i n l y d i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n g a u s sf i l t e r , p h a s ei n t e g r a l ，s i nt a b l e , m a t c h e df i l t e r , c a l c u l a t ea n g l e b i t - s y n c m o u l z a t i o n 、o u t p u tf i l t e r 、a d 、d aa n de t eo fg m s kb a s e b a n d s i g n a la r ec a r e 血l l ys t u d i e dt h r o u g hs o f t w a r ee m u l a t i o ni ns y s 田巳l 讧v we n v i r o n m e n t t h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no fg m s kb a s e b a n ds i g n a la r ec a r r i e do u tb yt h ew a y o fu s i n gt m s 3 2 0 v c 5 4 9o fnt oi n t e g r a t es o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h es 3 r s t e mw h i c h c o m b i n ew i t hf p g a h a sm a n yc h a r a c t e r so f f l e x i b l es t r u c r k r e 、m o r ev c t s a m i t y 、b e i n g l i a b l et om a i n t a i na n du p g r a d e s u c hd i a t h e s i sm a d ei ts u i t a b l ef o rb l o c k i n gd e s i g na n d r e a lt i m es i g n a lp r o c e s s i n g a m o n gl o t so f 址ss o f t w a r ep r o t o c o l s t h ec o u r s eo fh o wm e s s a g e1i ni t u 。1 3 7 1 p r o d u c e 、p a c k e da n dc o d ei sp a r t i c u l a r l yi n v e s t i g a t e di n t h i sa r t i c l e n l eo u t p u to f h d l cd a t ap a c k a g ew a sc o d e db vn r z i t h e nc o n d u c t st h em o d u l a t i o no fg m s k b a s e b a n ds i g n a lt h r o u 曲d s p t h em e s s a g ew a sc o r r e c t l ya n a l y z e db ys a b br e c e n e r ， w h i c hp r o v e dt h ei n t e r c o m l e c t i o na n di n t e r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e na p p a r a t u s aw a yo fu s i n go n ef l a s ht ob o o tf o u rd s pw a sd i s c u s s e di nb o o to ft h e s y s t e m a c c o r d i n gt ot h em o d eh a v i n gb e e ns e t t e d ，t h ei n a $ t e rd s pl o a dp r o g r 锄 t h r o u g he x t e r n a lp a r a l l e li n t e r f a c e c o n t r o l l e db yh o s td s p t h es l a v ed s pl o a d st h e p r o g r a mt h r o u g hh p i 1 1 1 ee l e c t r oc i r c u i to f t h i sm o d ei sc o m p a r a t i v e l ys i m p l e a n dc a n c u tt h ec o s t b u th a v es o m ec o m p l e x i t yt oc a r r y i n go u t a f t e rt h es y s t e mh a sm a n y f a c t u r e d ，an e c e s s a r yt e s t e dw a sp e r f o r m e do nt h e b a s e b a n db o a r d n l eq u a l i t yo fs i g n a li sw e l le n o u g ht oc o m m u n i c a t ew i t ho t h e ra j s e q u i p m e n ta n da l s op a s st h ea c c e p t a n c ec h e c k k e y w o r d ：a i s ，g m s k ，m o d e m ，f p g a ，b o o t , d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：垒l 盔鱼日期：加6 年，月q 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：壶l 勉导师签名： 日期：7 矽年月届 第一章绪论 第一章绪论 a i s 系统改变了传统海上信息的传输方法，可以避免因雷达、v h f 等设备的 局限性而产生的船舶识别障碍。它的正确使用可以加强船舶间避免碰撞的措施， 增强a r p a 雷达、船舶交通管理系统( v t s ) 、船舶报告的功能。通过a i s 和雷达、 电子海图、罗经等航海仪器配合使用，船舶之间可以进行详尽的信息交换，在最 大程度上防止船舶碰撞和各类海难事故的发生，为航运界带来了前所未有的安全 感。a i s 的出现标志着船舶间和船岸间的信息交换进入了计算机数字通讯时代。 1 1 课题的提出 海上交通事故所造成的危害是巨大的，究其原因是多方面的。一方面随着对 外贸易的增加，船舶数量增多，船舶吨位变大，船速加快，重要水域及航道中往 来船舶的密度越来越大；另外，船舶间、船舶与岸上v t s 之间的信息通信存在缺 陷，不能及时准确了解对方的信息与意图，无法对船舶进行实时监控等。因此， 适时推出的船舶自动识别系统( a i s ) 将是一种新的、适用于水上船舶交通信息交换 设备，能为船舶航行安全提供新的技术手段。本课题正是基于这种形势下而提出， 为a i s 在中国海事发展上奠定基础。本文重点研究了a i s 中的关键技术：g m s k 基带信号调制解调的d s p 实现和i t l j 1 3 7 1 协议的应用。其目的就是要建立一套 a i s 通信的硬件平台，将a i s 的数据帧通过这套硬件平台实现基带的调制解调， 它是整个系统的熏要组成部分，是一个连接通信模块和射频模块的中间环节，它 承上启下的作用非常重要，关乎整个a i s 设备的稳定性和可靠性。 随着d s p 技术的发展，d s p 的灵活性及性价比都很高。如何将d s p 应用到 a i s 系统中，为此达到系统具有灵活性的目的，是摆在人们面前的重要课题。进一 步研究g m s k 信号在d s p 芯片上的实现不仅具有一定的理论意义，同时具有重要 的现实意义。 1 2a i s 现状及其发展 国际海事组织( i m o - i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i s a t i o n ) 航行安全分委会第4 5 次会议对修订的海上人命安全( s o l a s s a f e t yo f l i f ea ts e a ) 公约第五章进行了最后 一次审议，修订后的新五章计划于2 0 0 2 年7 月1 日生效。在新五章第2 0 条的船 电子科拄大学硕士学位论文 载航行系统和设备的配备要求中，扩大了设备的配备要求，其中较引人注目的是 a i s 船载自动识别系统。 1 2 1 a i s 产生的背景 i m o 和各国主管部门通过制定和实施避碰规则，规定强制配备必要的助航设 备，建立船舶交通服务系统f v t s v e s s e lt r a f f i cs y s t e m ) 、船舶报告制度等措施来管 理船舶的安全航行，但船舶的碰撞事故还是屡屡发生。为了进一步提高船舶安全 航行的性能，有关机构和厂商对助航设备进行着不断的研究和开发，当今通信技 术和计算机技术的飞速发展，为这方面的研究和开发提供了技术上的保证，a i s 就是依托了这些技术发展而成的。 在以往的海上船舶碰撞事故中，出现过多起由于v h f 设备操作问题和语言交 流上存在的潞题而不能及时沟通和了解对方船舶的信息与操船意图，最终导致碰 撞事故发生的案例。在限制水域或v t s 作用区域，控制中心通过无线电话询问或 由船舶用无线电话向控制中心报告而获得船舶的信息后，再用人工方式将船舶信 息输入v t s 监控系统以实现对船舶的跟踪管理【l j 。由于采用人工方式向系统输入 信息，对船舶来往密度较大的v t s 作用区域的控制中心来说，不仅工作强度大， 而且易出现操作上的差错，有时因出现盲区而丢失目标。针对上述情况，欧美一 些国家在9 0 年代前后，着手开展了用于自动获得船舶信息和航行状态技术的探索 和研究。 1 2 2 a i s 的发展过程与现状 较早的一种方法是基于v h f 数字选择呼叫( d s c d i g i t a ls e l e c t i v ec a l l i n g ) 技术 开发而成的，称为自动应答系统( t r a n s p o n d e rs y s t e m ) 。其基本方法是在7 0 频道上 以d s c 方式自动发出询问信息，接收到询问信息的接收机f 装在船舶或岸台上的 a i s 设备) 根据询问方要求的频道，将本船的识别码、船名、船位、航向、航速、 吃水等信息自动传给询问方，这样便实现了自动应答功能，其中船舶识别码和船 位信息是必需传送的，它在设备安装时已存入；船位信息来自全球卫星定位导航 系统( g p s g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，通过数据接口连接在发射设备上。在v t s 作用区域，岸上设备不断向周围区域发出询问信号，区域内的船舶在接收到询问 信号后便自动依次向岸上设备发回各类信息，这些信息自动输入s 设备。v t s 控制中心通过v h f 将这些信息用广播方式播发，凡配有这种设备的船舶都可接收 到，并可在电子海图上显示出来，驾驶人员可在电子海图上看到周围船舶的船位、 第一章绪论 船名、航向、航速等信息。此外，系统还可进行数字通信和语音通信。由于新技 术在v t s 中的运用，增加了系统的功能，使之成为“增强型v t s ”。与此同时，一 种在v i - i f 频道上，用欧洲数字集群标准的技术来实现自动应答功能和通信功能的 研究也相当成功，上述系统已在欧美一些国家得到应用。 i m o 很重视这项新技术对安全航行的作用，在1 9 9 5 年1 1 月2 9 目的s o l a s 公约缔约国政府会议上，通过了一系列决议，其中的决议9 是关于自动船舶识 别应答器收发系统。在该决议中，肯定了这种装置将极大地提高航行安全性， 并提出：尽快制定该装置的操作要求和性能标准，审议通过该装置系统配置的 s o l a s 公约修正案；同时请国际电信联盟制定该装置的技术标准和合适的频率。 1 9 9 6 年，在i m o 航行安全分委会4 2 次会议上，审议了技术小组提交的使用v 肿 d s c 技术的船用自动识别系统装置的性能标准草案，并将该系统简称为 a i s ”； 同年，在海安会的6 7 次会议上同意把a i s 作为今后需实行的方案来考虑。1 9 9 7 年订0 的航行安全分委会举行了4 3 次会议，会上通过了关于全球船载自动识 别系统( a i s ) 性能标准的建议案。这次会议简报对a i s 的功能作了描述，称该系统 满足以下需要：船对船模式的避碰；港口国获得船舶和它所运货物的信息； 作为v t s 的工具”。 1 9 9 9 年航行安全分委会确定了对s o l a s 公约第五章的修 订，并确定了航行于国际航线的3 0 0 总吨以上船舶和公约国航行于国内航线的5 0 0 总吨以上的船舶，将从2 0 0 2 年7 月1 臼起到2 0 0 8 年7 月1 日分阶段执行配备a i s 设备的规定。 为了规范和统一系统技术标准和频率资源的合理使用，国际电信联盟( 1 1 1 j ) 曾 于1 9 9 2 年出台了建议案i t u r m 8 2 5 。w r c 9 7 ( 1 9 9 7 年世界无线电行政大会) 批准 将v h f 8 7 和8 8 频道拆为单工频道，其中的1 6 1 9 7 5 m h z 为a i s l 频道，1 6 2 0 2 5 m h z 为a s 2 频道。国际电信联盟无线电通信第八研究组经过讨论后，在1 9 9 8 年提出 了一一份海上v h f 波段使用t d m a 的船用自动识别系统( t a s ) 的技术特性的建 议案，该建议案采用自组织时分复用多路接h ( s o t d m a - s e l f - o r g a n i z e dt i m e d i v i m o nm u l t i p l e a c c e s s ) 系统用于船舶间的航线监督及安全、船舶报告、v t s 应用 等，并已被i m o 所采纳。 1 2 3a i s 基本功能与技术特点简介 ( 1 ) 系统工作特点： 在所有区域内自主和连续工作； 由交管监视中心指配工作模式，以便于主管部门控制数据传输的间隔和时隙； 一 皇王型垫查兰堡主兰垡堡壅 数据的传输响应来自于船舶或主管部门的问询，有轮询和受控两种模式。 ( 2 ) 系统传输的静态信息：i m o 编码、呼号和船名、船的长度和宽度、船的类型、 定位天线在船上的位置。 ( 3 ) 系统传输的动态信息：船位、国际协调时、对地航向、对地航速、航迹向、航 行状态、转向率、横倾角( 选用项) 、纵倾和横摆( 选用项) 。 ( 4 ) 系统传输的航行相关信息：船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到达时间、 航行计划( 选用项) 、简明的安全信息。 ( 5 ) 技术特点：a i s 采用o s i ( o p e ns y s t e m si n t e r c o m a e c t i o n ) i 作模型，无线传输的带 宽为2 5 k h z 或1 2 5 k h z ( 见i t u r m 1 0 8 4 ) ，调制采用g m s k 方案，数据编码为非 归零倒相( n r z i - n o nr e t u r nt oz e r oi n v e r t e d ) 方式，数据传输的比特率为9 6 0 0 b p s 。 1 2 4 a i s 的发展前景 从a i s 的基本功能和技术特点看，该系统为船舶航行安全和航行管理提供 了一种新型而有效的手段。据国外有关部门在1 9 9 9 年作的统计和预测，a i s 的发 展虽比e c d i s ( 电子海图显示与信息系统) 起步晚十年左右，但它的发展速度已大大 超过e c d i s ，今后若干年将保持这种发展趋势。从i m o 的方面看，a i s 的强制配 备要求将先于e c d i s ，如无意外情况，新的s o l a s 公约修正案将在2 0 0 0 年底被 正式通过，这就意味着2 0 0 2 年的7 月1 日将进入配备a i s 设备的实施期。 s o l a s 公约的8 8 年修正案对公约的第四章( 无线电通信) 作了重大修正，提出 了航运界人所皆知的全球海上遇险安全系统( g 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 d s a f e t ys y s t e m ) 计划。g m d s s 计划的实旋带给航运界和各管理部门的影响是巨大 的。将要实旌的a i s 计划中，设备的规模和费用上虽比不上g m d s s ，但其对船舶 航行安全和航行安全管理的作用却是十分重要的。 1 3a i s 系统的构架 m s 在甚高频( v h f ) 频段上收发信息，工作范围1 0 1 5 海里( 大功率a i s 设备工作距离可以达到1 5 0 海里左右) ，与卫星导航设备( g p s ) 、自动雷达标绘仪 ( a r p a ) 、电子海图系统( e c d i s ) 、罗经配合使用，实现信息的采集和交换。 第一章绪论 图1 一lb i s 设备的原理框图 从构成图1 1 可知，a i s 系统由四大部分组成。 1 数据采集部分 数据采集部分接收来自g p s d g p s 接收机的本船船位经纬度、对地航速、同 步u t c 及来自陀螺罗经的本船对地航向等信号，转换为数字信号并输入信息处理 机，还包括从输入装置中输入的信息。g p s 、陀螺罗经均采用n e m a 0 1 8 3 格式， 计程仪一般以2 0 0 个脉冲海里，通信接口采用r s 2 3 2 标准。 2 信息处理机 信息处理机是a i s 的核心部分，用于存储本船识别码、船名、呼号、船舶类 型等静态信息，存储船舶吃水、危险货类、航线等航行相关信息，处理、存储本 船动态信息。同时可以将存储的本船最新航行数据及必要的静态信息、与航行相 关的其它信息进行编码后送发送机。信息处理机可对接收到其他船舶的航行数据 进行解码并存储解码后的数据，可将本船和其他船舶的航行数据等信息送信息显 示器显示。 信息处理机中包括船舶静态、动态数据库及对信息的处理、管理控制、时区 选择、同步检测、显示等相应软件。为使广播式a i s 系统具有可靠、有序的信息 通信，要求各船舶a i s 设备时间严格同步，从而避免内部干扰。通常用于同步的 参考时间均采用来自g p s 的u t c ( 世界协调时) ，也可采用与u t c 相关的时间源。 3 信息显示器 用于显示各种数据及状态信息、监视系统运行情况，实际应用的信息显示器 与雷达、a r p a 及电子海图显示器一体化。 电子科技大学硕士学位论文 4 v h f 收发机部分 v i - i f 收发机由系统信息处理器控制，用v h fc h 8 7 b ( 1 6 1 9 7 5 m h z ) 、c h 8 8 b ( 1 6 2 0 2 5 m i - i z ) 两个国际专用频道自动发射和接收通信协议规定的g m s k 信号。 a i s 是同时在这两个频率上接收信息，而发射信息是在这两个频率上交替进行。此 外，主管部门还可以指配a i s 的区域性频率，使m s 工作于一组频率，并具有频 率选择和切换手段，既可工作于近程，也可工作于远程。典型的m s 系统包含一 个v h f 发射机，两台v h f 接收机，一台v h f d s c 接收机。需要指出的是，该 v h f 收发机与现存的v i - i f 收发机有一定的性能上的区别，它应具有对短脉冲快速 响应的要求，这需要对现在v h f 设备作相应的研究和改进。 1 4a i s 的关键技术 ( 1 ) g m s k 基带信号的调制解调 在m s 中，有四个v h f 收发机，信号通路的好坏直接关系到通信效率和通信 质量的高低，用软件的方式在d s p 芯片上实现基带信号的调制解调并不多见，可 参考的资料也不多，但是它有着良好的灵活性，要在d s p 上用好调制解调，是一 个技术难点，也是a i s 的一个重点。 ( 2 ) t d m a 同步 a i s 是基于t d m a 的通信方式，t d m a 通信方式使得a i s 系统中各台站只在 规定的时区内以突发的形式发射它的已调信号，这些信号时间上互不重叠，一个 重复周期称为帧，每帧又分若干时区。m s 的同步包括时区相位同步和帧同步。 因此时间的同步对a i s 系统来说非常重要。 ( 3 ) h d l c 通信规程 m s 的数据控制规程使用h d l c ( h i g h - l e v e ld a t al i n kc o n 打0 1 ) 高级数据链路控 制) ，h d l c 是面向比特的协议，使用位填充来保证数据的透明性。h d l c 规程具 有透明传输、控制简单、可靠性高、传输效率高的特点。在系统互连中，起着重 要作用。 1 5 论文的主要工作 a i s 是一个比较庞大的系统，研究的对象也比较多。本论文从m s 的整体要 求出发，重点研究了m s 基带信号的调制和解调在d s p 上的实现，其次，对m s 协议进行了分析，研究h d l c 打包和解析的过程。具体内容有： 6 电子科技大学硕士学忱论立 4 v h f 收发机部分 v h f 收发机由系统信息处理器控制，用v f i fc h 8 7 b ( 1 6 1 9 7 5 m h z ) 、c h s g b ( 1 6 20 2 5 m h z ) 两个国际专用频道自动发射和接收通信协议规定的g m s k 信号。 a i s 是同时在这两个频率上接收信息，而发射信息是在这两个频率上交替进行。此 外，主管部门还可以指配a _ i s 的区域性频率，使a i s 工作于一组频率，并具有频 率选择和切换手段，既可工作于近程，也可工作于远程。典型的a i s 系统包含一 个邗发射机，两台v i - i f 接收机，一台v h f d s c 接收机。需要指出的是，该 v h f 收发机与现存的v h f 收发机有一定的性能上的区别，它应具有对短脉冲快速 响应的要求，这需要对现在v h f 设备作相应的研究和改进。 14a l s 的关键技术 ( 1 ) g m s k 基带信号的调制解调 在a j s 中，有四个v h f 收发机，信号通路的好坏直接关系到通信效率和通信 质量的高低，用软件的方式在d s p 芯片上实现基带信号的调制解调并不多见，可 参考的资料也不多，但是它有着良好的灵活性，要在d s p 上用好词制解调，是一 个技术难点，也是a i s 的一个重点。 ( 2 ) t d m a 同步 a i s 是基于t d m a 的通信方式，m a 通信方式使得a i s 系统中各台站只在 规定的时区内以突发的形式发射它的已调信号，这些信号时间上互不重叠，一个 重复周期称为一帧，每帧又分若干时区。a i s 的同步包括时区相位同步和帧同步。 因此时间的同步对a i s 系统来说非常重要。 ( 3 ) h d l c 通信规程 a i s 的数据控制规程使用i - i d l c ( h i g h - l e v e ld a t al i n kc o n 打0 1 ) 高级数据链路控 制) ，h d l c 是面向比特的协议，使用位填充来保证数据的透明性。h d l c 规程具 有透明传输、控制简单、可靠性高、信输效率高的特点。在系统互连中，起着重 要作用。 1 5 论文的主要工作 a i s 是一个比较庞大的系统，研究的对象也比较多。本论文从m s 的整体要 求出发，重点研究了, m s 基带信号的调制和解调在d s p 上的实现，其次，对a i s 协议进行了分析，研究h d l c 打包和解析的过程。具体内容有： 协议进行了分析，研究h d l c 打包和解析的过程。具体内窖有： 6 电子科技大学硕士学位论文 4 v h f 收发机部分 v i - i f 收发机由系统信息处理器控制，用v h fc h 8 7 b ( 1 6 1 9 7 5 m h z ) 、c h 8 8 b ( 1 6 2 0 2 5 m i - i z ) 两个国际专用频道自动发射和接收通信协议规定的g m s k 信号。 a i s 是同时在这两个频率上接收信息，而发射信息是在这两个频率上交替进行。此 外，主管部门还可以指配a i s 的区域性频率，使m s 工作于一组频率，并具有频 率选择和切换手段，既可工作于近程，也可工作于远程。典型的m s 系统包含一 个v h f 发射机，两台v h f 接收机，一台v h f d s c 接收机。需要指出的是，该 v h f 收发机与现存的v i - i f 收发机有一定的性能上的区别，它应具有对短脉冲快速 响应的要求，这需要对现在v h f 设备作相应的研究和改进。 1 4a i s 的关键技术 ( 1 ) g m s k 基带信号的调制解调 在m s 中，有四个v h f 收发机，信号通路的好坏直接关系到通信效率和通信 质量的高低，用软件的方式在d s p 芯片上实现基带信号的调制解调并不多见，可 参考的资料也不多，但是它有着良好的灵活性，要在d s p 上用好调制解调，是一 个技术难点，也是a i s 的一个重点。 ( 2 ) t d m a 同步 a i s 是基于t d m a 的通信方式，t d m a 通信方式使得a i s 系统中各台站只在 规定的时区内以突发的形式发射它的已调信号，这些信号时间上互不重叠，一个 重复周期称为帧，每帧又分若干时区。m s 的同步包括时区相位同步和帧同步。 因此时间的同步对a i s 系统来说非常重要。 ( 3 ) h d l c 通信规程 m s 的数据控制规程使用h d l c ( h i g h - l e v e ld a t al i n kc o n 打0 1 ) 高级数据链路控 制) ，h d l c 是面向比特的协议，使用位填充来保证数据的透明性。h d l c 规程具 有透明传输、控制简单、可靠性高、传输效率高的特点。在系统互连中，起着重 要作用。 1 5 论文的主要工作 a i s 是一个比较庞大的系统，研究的对象也比较多。本论文从m s 的整体要 求出发，重点研究了m s 基带信号的调制和解调在d s p 上的实现，其次，对m s 协议进行了分析，研究h d l c 打包和解析的过程。具体内容有： 6 第一章绪论 ( 1 ) 研究了f s k 和g m s k 信号的特征，并对这些基带信号的调制和解调算法 进行详细的分析和仿真。 ( 2 ) 在仿真的基础上，在集成有t i 的d s p 器件和x i l i n x 的f p g a 基带模块 上，用c 语言、汇编语言以及v h d l 语言实现了f s k 、g m s k 基带信号的调制解 调算法。 ( 3 ) d s p 在进行信号处理的同时，还肩负着系统控制的功能，如h d l c 协议 的打包、解析、u t c 的同步、射频模块的参数设置、与通信模块的串口通信等。 ( 4 ) 研究了a i s 的网络结构和h d l c 通信规程。 ( 5 ) 对a i s 模块进行了测试。 电子科技大学硕士学位论文 第二章g m s k 调制原理与仿真 现代移动通信系统都使用数字调制技术，调制信号可以表示为符号或者脉冲 的时间序列，通常使用二进制数字信号，在使用二进制信号对载波进行调制时， 类似模拟调制，也可以分为三种基本方式：二进制幅度键控( b a s k ) 、二进制频移 键控( b f s k ) 和二进制相移键控( b p s k ) ，数字调制技术比模拟调制技术有许多优点， 如：更好的抗噪声能力、更强的抗信道损耗、更容易复用各种不同形式的信息( 如 语音、数据和视频图像等) 和具有更好的安全性等。 a i s 系统无线接口中使用b t = 0 3 0 4 ( b t 为高斯脉冲成型滤波器的3 d b 带宽 与比特周期的乘积) 的g m s k 调制解调，符号速率为9 6 0 0 b p s 。本章在介绍m s k 、 g m s k 数字调制方式的基础上，对g m s k 信号的调制原理进行了详细的分析，并 进行了仿真。 2 1 数字调制方式简介 数字调制与解调技术是现代移动通信系统空中接口的重要组成部分，由于它 具有容量大、频谱利用率高、通信质量好、业务种类多、用户设备体积小以及便 于网际互联等优点，迅速成为移动通信的主流。 数字调制解调技术的分类除了前面提到的a s k 、f s k 和p s k 外，还可以按 照传输信号幅度变化特性分为线性和非线性调制技术。在线性调制技术中，传输 信号的幅度随调制数字信号的变化而线性变化，典型的线性调制方案有：q p s k 、 o q p s k 和“4 q p s k 。线性调制技术带宽效率高，非常适合于在有限频带内要求越 来越多用户的无线通信系统。但线性调制方案一般来说都不是恒包络，传输中必 须使用功率效率低的线性放大器。使用功率高的非线性放大器会导致已滤波的旁 瓣再生，带来严重的邻道干扰，使线性调制得到的频谱效率降低。在许多实际的 数字移动通信系统中都使用非线性调制方法，不管调制信号如何变化，载波幅度 是恒定的，典型的恒包络数字调制技术有：f s k 、m s k 、g m s k 等。恒包络调制 具有可以满足多种应用环境的优点： 1 、可以使用功率效率高的非线性放大器，而不会使发送信号占用的频谱增大； 2 、带外辐射低，可以达到6 0 d b 至7 0 d b ； 3 、可以使用限幅器一鉴频器检测，从而简化接收机的设计，具有较好的抗随 机噪声和抗瑞利衰落引起的信号波动的能力。 第二章g m s k 调制原理与仿真 2 2g m s k 基带信号的调制 g m s k ( g a u s s i a nf i l t e r e dm s k ) 调制信号是在m s k ( m i n i m u mf r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ) 调制信号基础上增加一级预调制滤波器而实现的。m s k 信号则可以看成是 调制系数为0 5 的连续相位f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 信号。尽管m s k 调制方 式具有包络恒定、相位连续、且功率谱在主瓣以外衰减较快，但是，移动通讯中， 对信号的带外辐射功率的限制十分严格，要求必须在7 0 d b 以上。从m s k 信号的 功率谱上可以看出m s k 信号仍不能满足这样的要求，而g m s k 能够满足移动通 信环境下对邻道干扰的严格要求，很适用于工作在v h f 和u h f 频段的移动通信 系统。 g m s k 是由m s k 演变来的一种二进制数字调制方法。由于在r f 频率上对 发射机的频谱直接进行操作比较难，因此脉冲成形就在基带或i f 上进行。m s k 是 一种高效的调制方法，具有很多好的特性，例如包络恒定、带宽较窄和误比特率 低等，但是m s k 信号没有一个紧凑的功率谱密度，谱利用率低，因此，将调制的 二进制不归零( n 蚴数据通过高斯预调制脉冲成形滤波器，滤除信号中的高频分 量，使其频谱上的旁瓣水平进一步降低。基带的高斯脉冲成形技术平滑了m s k 信 号的相位曲线，因此稳定了信号的频率变化，这使得发射频谱上的旁瓣水平大大 降低，提高了谱利用率。 预调制高斯滤波器将全响应信号( 即每一基带符号占据一个比特周期t ) 转换为 部分响应信号，每一发射符号占据几个比特周期。而由于脉冲成形并不会引起平 均相位曲线的偏离，g m s k 信号可以作为m s k 信号进行相干检测，或者作为一 个简单的f s k 信号进行非相干检测。实际上，g m s k 由于具有极好的功率效率f 因 为恒定包络) 和极好的频谱效率而倍受青睐。预调制高斯滤波器在发射信号中引进 了符号间干扰( i s i ) ，但如果滤波器的3 d b 带宽与比特时间乘积( b n 大于o 5 的话， 性能的下降并不严重。g m s k 牺牲误码性能，而得到了极好的频谱效率和恒定包 络特性。 m s k 调制是调制指数o 5 的二进制调频，基带信号为矩形波形。为了压缩m s k 信号的功率谱，可在m s k 调制前加入预调制滤波器，对矩形波进行滤波，得到一 种新型的基带波形，从而得到比较好的频谱特性。g m s k 的调制原理图【2 l 如图1 所示。 电子科技大学硕士学位论文 图2 1g m s k 基带信号调制原理框图 图中m ( t ) 为双极性不归零码，x ( t ) 为双极性不归零码通过预调制滤波器后的波 形，再将此信号经过m s k 调制，即可得到g m s k 的基带信号。 g m s k 信号不仅要具有m s k 信号所具有的相位连续、恒包络等特性，还必须 能进一步的抑制m s k 信号的带外功率辐射，因此，预调制滤波器的选取非常重要， 它必须具有以下特i 生t 4 1 ： ( 1 ) 为抑制高频分量，前置滤波器必须带宽窄并且具有陡峭地截止特性； ( 2 ) 为防止过大的的瞬时频率偏移，前置滤波器应脉冲响应的过冲较小； ( 3 ) 为满足g m s k 信号调制指数为0 5 ，要求前置滤波器输出脉冲响应曲线下 的面积对应于万2 的相移。 一种满足上述条件的预调制滤波器是高斯低通滤波器，高斯低通滤波器的单 位冲击响应1 5 l 为 厂_ ( r ) ：塑e x p 【一( 兰们( 2 1 ) “ 传递函数为 h ( ，) = e x p ( 一d 2 f 2 )( 2 2 ) 其中口玩= 、五i i 厄，b b 为高斯滤波器的3 d b 带宽。 高斯滤波器的时频特性嘲如图2 - 2 所示。 f ， 、 、。，、厂、厂、，、厂 1 i 7i d6 0 t61 e61 02 0 0 t6 d1 k 目2 k d日“ a b 图2 2 高斯滤波器的时、频特性 图2 2 a 为时域响应，图2 2 b 为频域响应。高斯成形滤波器具包络光滑无 1 0 第二章g m s k 调制原理与仿真 拐点，凼此频谱特性得到优化，从狈翠特性司以看出，响应具有有陡峭地截止特 性。 若输入为双极性不归零矩形脉冲序列s ( t ) ： s ( f ) = a b ( t - n t b ) ( 2 3 ) 式中= 1 ，瓦为码元间隔，方波信号6 ( f ) 归一化后为 坼，= 黔丁他 b 。， 高斯预滤波器的输出为 z ( f ) = s ( f ) * = a g ( t h 瓦) ( 2 5 ) g ( r ) 叫伊坼) 堋+ 挑胁= 扣r + 争一争胁胁 ：争擘 ( 砂一昏t ( 触】_ 丢崖胁 b 1 b2 ( 2 6 ) 可以证明【7 】 g ( ，) 廊= 0 5 ( 2 7 由g m s k 信号表达式 s 脚+ 砉f 。【娶如一”瓦一扣纠 ( 2 8 ) 由此可见，每一个码元的贡献在一个码元周期里大约为+ z 2 ，但在系统中平 均为万2 。所以高斯滤波器满足调制指数为0 5 。 进一步观察m s k 和g m s k 的相位路径，可得仿真图如图2 3 所示。 电子科技大学硕士学位论文 第二章g m s k 调制原理与仿真 ( c ) 图2 3m s k 、g m s k 的相位路径 图2 3 一a 为原始码元，图2 3 b 为m s k 的相位路径，图2 - 3 c 为g m s k 的相 位路径，图2 3 d 为前三副图的叠加。 从图上可以看到，每一正码元对相位贡献为，r 2 ，每一负码元对相位的贡献 为一石2 。 通过前面所讲述的高斯滤波器和相位路径，可以方便的得到g m s k 调制的原 理框图如图2 - 4 所示。 电