（通信与信息系统专业论文）船岸高速数据传输信道编码与调制技术方案的实现.pdf

摘要 随着无线通信技术的快速发展，对于近海船岸间无线数据传输系统的研究也 成了近两年热门的课题。本文以构建整个船岸高速数据传输系统为技术背景，重 点对信道编码和调制技术方案进行研究和实现。首先对技术方案进行了特钲分析 和整体实现设计。接着全面分析和研究了船岸通信的关键技术、通信协议以及数 据传输终端的软硬件的设计和实现。经过近一年的研究和试验，主要完成的内容 如下： 1 阐述了高速数据传输信道编码和调制技术方案的整体设计，并完成了其中 关键技术的研究和具体实现。 2 设计了整个无线数据传输系统的通信协议，并完成了基于v i s u a lb a s i c6 0 的上位机人机交互界面程序的实现。 3 设计了基于3 2 位a r m 微处理器s 3 c 4 4 b o x 和嵌入式实时操作系统u c o s i i 的无线数据传输终端，并完成了数据传输终端的软硬件的具体实现。 4 在实验室环境中完成了数据传输的收发试验。 本论文主要阐述了在实现高速数据传输技术方案的过程中所涉及到的对信道 编码和调制理论和技术的分析研究，以及对开放源码的嵌入式多任务操作系统 u c o s i i 在a r m 7 内核处理器s 3 c 4 4 b o x 上的移植。本文设计开发的嵌入式无线数 据传输终端为中短距离船岸通信提供了一个经济实用的技术方案，尤其是一些设 计相对较为创新和独到的地方，具有一定的理论和实践意义。 关键词：无线数据传输；信道编码调制；甚高频；终端 a b s t r a c t a l o n gw i mt h ef a s td e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m m f i c a t i o n t h er e s e a r c ho ft h e n a u t i c a lw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sa l s ob e e nt h eh o tt o p i ci nt h et w oy e a r s r e c e n t l y t h i sp a p e ri sb u i l du pi nt h eb a c ko fc o n s t r u c t i n gt h ee n t i r en a u t i c a lh i 曲s p e e d d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m c h a n n e lc o d i n ga n dd a t am o d u l a t i n gi sm a i n l yr e s e a r c h e d a t f i r s t ，t h et e c h n o l o g ys c h e m ei sa n a l y z e da n dt h e nd e s i g n e di nt h ew h o l e t h e n ，t h ek e y t e c h n o l o g yo f t h en a u t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dt h ed e s i g n o fd a t at r a n s m i s s i o nt e r m i n a ls o f t w a r ea n dh a r d w a r ei sr e s e a r c h e dc o m p l e t e l y a f t e ro n e y e a r sr e s e a r c ha n dt e s t ，t h et a s ko f t h ep a p e rw a sa sf o l l o w s ： 1 ，e x p a t i a t et h ew h o l ed e s i g no fc h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i n gi nh i g hs p e e dd a t a t r a n s m i s s i o na n dc o m p l e t et h er e s e a r c ho f k e yt e c h n i c a la n dc o n c r e t er e a l i z a t i o n 2 ，d e s i g nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so f t h ee n t i r ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m a n dr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np e o p l ea n dc o m p u t e rb yv i s u a lb a s i c6 0 3 , d e s i g n t h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nt e r m i n a lb a s eo n3 2 b i t sa r m m i c r o p r o c e s s o rs 3 c 4 4 b o xa n de m b e d d e d r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s i i ，a n d c o m p l e t et h ea p p l i c a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e i nd a t at r a n s m i s s i o nt e r m i n a l 4 ，c o m p l e t et h et r i a l so fd a t as e n d i n ga n dr e c e i v i n g i nt h el a b o r a t o r y t h ep a p e rf o c u s e so nt h ea n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n go f t h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e so n t h ec h a n n e lc o d i n ga n dm o d d a t i o l l ，a l s oo nt h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m u c o s - i ip o r ti n3 2 b i t sa r mm i c r o p r o c e s s o rs 3 c 4 4 b o x t h i sp a p e rd e s i g n i n gt h e e m b e d d e dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nt e r m i n a lp r o v i d e sa ne c o n o m i c a la n dp r a c t i c a l t e c h n o l o g ys c h e m ef o rc o m m u n i c a t i o no f t h em i d d l ea n ds h o r td i s t a n e en a u t i c a l ，h a v ea s i g n i f i c a n tm e a n i n go f t h e o r ya n dt h ep r a c t i c e ，e s p e c i a l l yt h en e w i d e a l sa r ei n t r o d u c e d k e y w o r d s ：w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ；c h a n n e lc o d i n g m o d u l a t i o n ；v h f ；t e r m i n a l i i 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 ：丝崖直速数堡佳猃值道缠鱼生调剑撞盔直塞的塞 现”。除论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人 或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：砸对锋湘1 年；月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密一( 请在以上方框内打“，) 论文储签名碣嘶野导师签名鹕w 日期：如订年j 月蚶日 1 1 引言 第1 章绪论 近年来通信技术发展迅速，已经成为国际社会和世界经济发展的新的强大推 动力。随着我国海上运输及港口物流事业的迅速发展，近海船台和岸台之间的数 据业务交流也愈加频繁，对数据传输的可靠性、保密性及高速率的要求已越来越 引起人们的重视。作为整个海上通信的重要一环，中短距离船岸间的高速数据传 输是现代航运不可缺少的重要环节，是现代航运事业能否得以更快发展的前提和 基础，对整个航运事业起着重要的支持和保障作用。 当前，在船舶与岸台的数据传输应用中，从技术层面上看，卫星通信b 站的 高速数据传输功能更适合新时代船岸数据业务发展的需要；但从应用层面上看， 利用卫星通信设备进行船岸间无线数据传输，各方面费用比较大。例如，根据 x a n t i c 等在2 0 0 3 年5 月1 日的通信费用统计来看，i n m a r s a t 船站的高速数据通 信时，a 船站是9 3 美元分钟，b 船站是1 0 3 6 美元分钟，c 船站是0 2 1 美元 2 5 6 b i t 。f 船站是9 2 0 美元分钟。而且，i n m a r s a t 船站设备比较昂贵，且操作 流程复杂对专业技术人员的要求很高，导致一些船舶无法安装。因此从实际角度 考虑，应合理的选择具体的通信设备和通信工作种类，如果对信息传输速率和误 码率指标没有较高要求的前提下，应尽可能选用地面通信设备来进行大批量的数 据传输。在控制中心申请安装相应单边带收发机、甚高频收发信机后，在满足传 输距离要求的情况下，可以直接与船载地面设备进行通斜”。由于不经过海岸电台 或卫星及卫星地面站转发，可以不花费任何通信费用，从而达到节省通信费用的 目的。 但是，有一个问题：虽然单边带电台和甚高频电台能够节省费用，却传输速 率低，误码率高，信号失真严重。为了解决实际中的这个问题，通常可在信道上 改善和采用合适的调制技术两个方面来进行考虑。而且调制与解调技术对一个通 信系统的有效性和可靠性有很大影响，甚至直接影响着通信系统的性能。可见， 研究中短距离( 通常在5 0 海旱之内) 船岸数据传输的信道编码与调制解调技术具 有重要的实际意义。 1 2 目前船岸通信的现状 从1 9 0 0 年2 月6 同世界上第一份用以救助“拉温萨里”的五十名渔民生命的 无线电报到目前具有全时、全球、全天候的卫星通信，船岸通信经历了一个从低 级向高级发展的坎坷历程。“秀才不出门，尽知天下事”在今天发达的信息世界中 已成为不难实现的事实。但是，由于地理条件及行业发展不平衡，船岸无线电通 信手段和飞速发展的陆地无线通信手段也存在着较大差异。 随着现代船舶朝着业务多元化、信息交流复杂高速化方向发展，尤其是在近 海岸，高速、大容量的数据信息传输业务的需求不断增加，如船舶海图的更新， 船舶与岸台间物流业务的大量数据资料的更新等。而目前我们国家现有的近海船 岸通信业务主要采用以下几种方式：窄带直接印字电报( n a r r o wb a n dd i r e c t p r i n t i n gt e l e g r a p h ，缩写为n b d p ) 、数字选择性呼叫( d s c ) 、s s b 无线电话、v h f 无线电话、船舶自动识别系统( 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 ) ( a i s ) 、卫 星通信等【1 1 1 2 】。 但除卫星通信外，前几种方式数据业务方面的功能简单，数据传输协议落后。 大多数是用于海上遇险安全通信及短文本数据的业务交流，如船舶识别码、位置 信息等简单数据，不具备大文本数据业务的传输能力。而且传输速率低，设备陈旧 自动化程度低或相应技术比较落后。都不能适应现代化近海船岸间数据业务高速、 大容量发展的需要，主要存在着如下的一些缺点和局限性： 1 传输速率低，误码率高，纠错能力差。如n b d p 技术将数据终端输出的数字 信号经f s k 音频调制后由s s b 发射机送入m f h f 信道中传输，调制方式以相位连 续型f s k 方式，传输速率仅为i 0 0 波特。d s c 用来进行数据或信息交换时，在m f h f 信道，以f s k ( 频移键控) 进行调制，通常使用相位连续的频移键控，频移为+ 8 5 h z ， 调制速率是i 0 0 波特：在v h f 信道，呼叫序列的多个码元去调制1 7 0 0 h z 副载波， 频移为+ 4 0 0 h z ，调制速率为1 2 0 0 波特。d s c 采用十单元二进制码组成1 个字节， 每i 字节的前七位二进制码为信息码，后三位二进制码为监督码或纠错码的编码 方式，这种垂直校验群计数码只能纠正一位错码。 虽然a i s 采用g m s k f m 的调制方式，传输速率能达到9 6 k b p s ，但它采用多次 重发模式，基本上没有纠错功能。在现代近海船岸问数据业务交流迅速发展的今 2 天，以上几种方式在窄带内的传输速率低，信道利用率低，在大容量信息传递的 时效性和接收的可靠性方面都存在一定的缺陷，无法满足和适应现代近海船岸间 高速数据传输的需要。 2 数据业务功能简单、通信协议落后。n b d p 、d s c 采用副载波调制方式，n b d p 设备是一种采用数字通信技术与微机控制技术相结合的先进的通信终端。利用它 和船舶单边带( s s b ) 通信设备连用，构成窄带直接印字电报通信系统，可以实现 无线电路的自动建立、自动识别、报文的自动收发。但它主要是遇险紧急时船岸 电台问、船舶电台间的电传业务以及海上安全信息的播发业务；d s c 作为船岸间无 线电通信联系的终端使用时，主要业务是遇险报警、遇险确认和转播，而数据业 务也只是简单的船舶识别码、航速等简单数据的传输。a i s 采用g m s k 调制方式， 向船舶和主管当局提供来自船舶的信息，以便于他们精确跟踪。也主要是船舶识 别码、船型、船位、航向、速度等航行状态和其他来自于船舶或主管部门的问询 与安全有关的短文本数据信息。 由上可知，目前n b d p 、d s c 、a i s 等通信方式主要提供航行安全信息，通信协 议简单，不适合进行其它速率较高、业务量较大的数据业务通信。 3 数据通信业务费用高，技术应用不普及。虽然像中远集团等大型运输公司 在“九五”期间完成了船队的g m d s s 的改造工程，同时为船舶配备了卫星通信a 站、b 站、c 站等卫星通信设备，从根本上改变了过去船舶依靠中、短波通信效果 较差的落后状况。但是目前卫通b 站的数据传输还是在窄带内，通信协议受国际 标准的限制，速率并不高。并且卫星通信的信道非常繁忙，船舶终端不能始终占 据信道。因此i n m a r s a t 船站卫星通信目前主要应用还是船舶基本资料信息的传输、 陶际长途电话、报文传输等流量较小的数据业务，当船舶需要进行大流量数据业 务的传输时很容易造成信道堵塞。同时由于卫星通信的设备及业务费用较高，设 备的操作有严格的操作流程，对技术人员的要求很高，一些中小船舶不能安装 i n m a r s a t 船站设备【1 】。因此，目前近海通信在很大程度上有关部门仍然采用在常 规的m f v h f 地面频率通信系统，如窄带直接印字电报( n b d p ) 、数字选择性呼叫 ( 9 s c ) 、s s b 无线电话、v h f 无线电话等以语音业务为主的模拟设备来进行简单的 数据业务的传输。 综上所述，在近海船岸间数据业务的交流方式中，原有方式具有系统设备陈 3 旧老化，电路转换复杂，转接质量差；传输速率较低，误码率高，没有适合传输 大文本容量数据业务的完善通信协议等局限性。而卫通b 站的高速数据传输由于 技术和费用问题还没有充分利用起来。因此在现阶段很有必要提出一个技术方案： 即能利用甚高频电台的节省费用、适合中短距离进行数据传输的特点；又能解决 其传输速率低，误码率高，信号失真严重等实际问题，这个技术方案的具体实现 就是通过在信道上改善和采用合适的调制技术两个方面来解决。这样便能满足广 大船舶用户和管理部门要求的高速数据业务交流的低成本无线传输系统构建的需 要。 1 3 论文的研究意义和主要研究内容 1 3 1 论文的研究意义 船岸问无线传输技术有着广阔的应用市场和发展前景，但是由于海上通信业 务在地理条件和发展时间等方面的行业特殊性，和陆上无线数据传输技术还存在 很大的差距，目前国内近海船岸间的无线数据传输系统在传输距离、传输可靠性、 传输速率、抗干扰能力等方面仍存在很大的不足，尤其是在近海船岸间数据业务 交流目益增加的今天，结合目前现状的、具有较高性能的高速无线数据传输技术 方案的提出和实现就有了更加实际和具体的意义。 信道编码和调制技术是整个高速数据传输方案实现的基础，如何采用抗干扰 性能强、误码性能好、频谱利用率高的调制技术，尽可能地提高单位频带内传输 数据的比特速率，将是本课题的研究重点。同时，考虑到随着船岸间无线数据传 输技术以后可能在更多具体业务中的应用，本课题采用嵌入式终端设计，可以根 据实际系统的需求升级，对其做出一些改动，如和p c 机、简易手写设备、打印设 备等结合起来，可以将其用作中短距离船舶与岸台间的数据采集、信息反馈、数 据业务交换等方面。本课题所提出的技术方案的实现将有助于解决目前近海船岸 落后、低效的数据业务交流现状，打破近海高速数据传输的技术瓶颈，为实现现 代高效的港口物流管理等应用提供可靠的技术支持。 4 1 3 2 论文的主要研究内容 由于课题所提出的技术方案主要是为了构建个较完整的中短距离v h f 船岸 高速数据传输系统，考虑到系统构建的复杂性和任务量较大，将整个技术方案的 实现分成信道编码和调制技术、正交复用调制两方面进行研究和实现。本课题承 担的是高速数据传输技术方案中的信道编码和调制技术方面内容的研究。丰要进 行了以下几个方面的研究： 首先，根据无线数字通信的基本原理，并结合目前船岸闻数据业务的需要， 设计了适合于在现有窄带设备基础上提供较高速率传输的技术方案，主要将原始 信号经过卷积编码后，完成第一次调制，给后面射频上的正交复用调制提供两路 1 9 2 k b i t s 的已调信号，最终实现3 8 4 k b i t s 的较高的传输速率。 其次，考虑到船台与岸台之间的高速数据传输需要较多相应的外设来配合较 为复杂的两路正交调制复用的调制解调电路。采用了目前应用较为广泛且易于升 级开发的基于a r m 的嵌入式系统来控制信号的调制解调及其他外设，进行了高速 无线数据传输终端的硬件设计和软件设计。 最后，设计了船台和岸台之间，p c 机与船台终端间的通信协议，并采用面向 对象的v b 语言编程实现了p c 上位机和数据传输终端问的通信。 本文的全部程序分为两大部分，其中p c 机与数据传输终端部分的串行通信程 序在v js u mb a s i c6 0 下实现；数据传输终端部分在a r m 处理器的集成开发环境 a d s i 2 下实现。本课题的技术方案的实现目前只在实验室环境下进行，只是作为 学习和前提研究，因为操作系统uc o s i i 的源码和目标码在大学里可以免费提供 给学生学习使用，用于非商业性目的，因此无需申请使用许可证；如果将uc o s i i 的目标代码嵌入商业产品中，则必须要得到“目标代码销售许可证”p j 。 5 第2 章课题的设计内容 本课题针对目前船岸之问无线通信手段的现状，结合了具体情况并借鉴美国、 卜1 本、欧洲等国家和国内开展船舶自动识别系统( a i s ) 的经验，探讨了无线数据 传输的基本理论，研究并提出了适合国内近海船岸实际需要的高速无线数据传输 的技术方案；讨论了高速无线数据传输技术方案的实现问题，并就技术方案中的 信道编码和调制技术进行了深入的探讨，在原有的船舶与岸台间通信手段的基础 上进行改进，提出了一种对原始信号进行信道编码后，并经过第一次调制后，输 出两路传输速率为1 9 2 k b i t s 的已调信号，经射频上的正交复用调制后实现了 3 8 4 k b i t s 的较高传输速率的方法f 。本章将围绕技术方案的整体设计展开介绍。 2 1 概述 由上面分析可知，目前近海船岸数据通信主要依赖地面通信系统。它们调制 方式落后，传输速率较低，误码率高，而且主要业务是仍然是语音为主的，数据 传输简单、低速。近海船岸高速数据传输技术方案的提出就是为了在现有设备的 基础上，经过编码与调制后提高传输速率来解决此问题。它结合了较为先进的数 据处理技术和信道复用技术，使用了处理能力更强的管理控制芯片，对原始信号 经过信道编码和第一次调制后，在v h f 的一个载频上，利用频谱的正交性实现复用， 完成对两路1 9 2 k b s 的d s b 波形的并行传输，达到3 8 4 k b s 的传输速率。这个 速率在目前近海船岸通信中完全可以满足需要，具体积极的意义。 本技术方案实现的高速数据传输系统实际是个模拟传输系统，该系统在固 定中频上，采用正交复用的方法，利用频谱的正交性，来传输两路基带调制信号 的波形，然后通过对原有的v h f 近海通信设备进行改造，实现两路高速数据的并 行传输。对于近海通信v i f 频段的通信设备，c c i r 有如下的规定 2 1 ： 1 、频带和信道：船台发射频率从1 5 6 0 2 51 5 7 4 2 5 m h z ，岸台发射频率从 1 5 6 0 5 0 1 6 2 0 2 5 m h z 。收发间隔4 6 m i t z ，相邻信道间隔2 5 k l t z 。 2 、载波输出功率：船台的额定载波输出功率应在6 2 5 w 之间，并应能减少 到小于或等于1 w 。岸台的输出功率通常在2 0 w 以内。 6 3 、频率偏差：船用v h f 电话的最大频偏为5 k h z 。 4 、电波辐射方式采用垂直极化波。 5 、调制音频的频带应限于3 k h z 以下。 6 、发射机辐射带宽：如果频道间隔为2 5 k h z ，最大允许频偏定为5 k h z ，最 高调制频率为3 k h z ，此时最大频射带宽为1 6 k h z ，这就是国际上通用的1 6 f 。制。 在此规定中，信道带宽为2 5 k h z ，限定了v h f 频段使用非线性的调制方式，同 时，也限定了收发机的射频带宽为1 6 k h z 。v i i f 通信采用的是角度调制方式，主要 以话音为主；d s c 或n b d p 终端与v h f 收发机相连就可以进行d s c 呼叫或电传通信， 但此时终端设备送来的是副载波为1 7 0 0 h z ，以4 0 0 h z 频移对应0 或1 码，调制 速率为1 2 0 0 b a u d 的频率键控信号。可见传输速率非常低，频谱利用率也很低，大 概为每h z 频带上每秒钟传送0 0 4 8 b i t 的信息。 本技术方案设计在c c i r 规定的射频带宽范围内，采用适合的编码与调制方式 和信道复用方式，来提高系统的传输速率和信道的频谱利用率。速率达到 3 8 4 k b i t s ，信道频谱利用率达到1 5 3 6 b i t s h z 。 本课题所研究的船岸高速数据传输信道编码和调制技术方案主要由三部分具 体实现： 第一部分是信道编码与调制技术的选择与实现，它是本文提出技术方案的关 键部分，主要包括根据船岸高速数据传输的传输速率、误码率、纠错能力等实际 要求，对原始信号进行信道编码方式和第一次调制方式的选择，采用4 电平f s k 调制解调芯片f x 9 1 9 b 实现，并根据选择好的编码与调制方案进行通信协议的设计 等。 第二部分是p c 机与数据传输终端之间的通信，把上位机部分的设计作为技术 方案的一部分，主要是因为目前计算机作为数据业务交流、船东与客户通知、相 关部门信息广播的主要工具，是船岸通信中大流量数据产生的主要源端。这部分 设计主要包括上位机数据发送与接收界面、与数据终端串行通信协议等。 第三部分是数据传输终端的设计，它是整个技术方案的具体实现的重要部分， 也是方案可行性的最终体现，主要包括基于a r m 7 一t d m i 内核的处理器s 3 c 4 4 b o x 的 硬件电路设计、调制解调电路的设计、t lc o s i i 操作系统在s 3 c 4 4 b o x 上的移植 等。 7 2 2 技术方案实现的整体设计 2 - 2 1 设计思想和原则 设计思想： 根据技术方案的思路并综合考虑数据传输系统的特点和应用范围，提出了下 面一些具体的设计思想，并根据这些设计思想来进行后面的具体方案的设计。 l _ 在设计和选择编码与调制方式时，不仅仅是提高数据传输速率，同时也要 保证数据传输的准确性以及较强的纠错能力。 2 在具体实现的通信协议设计时，要适合高速数据传输的同时还需满足目前 海上通信的国际通用协议标准。 3 在技术方案的具体实现时，要充分考虑到适合近海船岸通信的条件和现有 通信设备的基础。 设计原则： 作为一个应用范围具有较强行业性的高速无线数据传输技术方案，要对它具 体实现，也必须遵守一些较为普遍和基本的设计原则。 1 方案的可行性：作为一个新的技术方案，首先要考虑它是否可以在当前的 环境下实现；或者是在做一些可行改动的前提下，部分可以现在实现，而随着技 术的进步完善和发展，在可预见时间内能够实现。因为只有可以实现的技术方 案才具有实际意义。 2 可靠性和安全性：本技术方案是针对船岸间数据传输的应用提出的，因此 在具体实现后的系统稳定可靠运行是实际设计中的首要考虑因素；数据传输系统 也必须尽可能地承受住外界干扰的影响，应该在数据传输的协议上进一步弥补通 信过程中存在的不可靠性，要能防止某些恶意的攻击与破坏。 3 容错能力：由于技术方案最终实现的是无线数据传输系统，而且由不同的 几大部分组成，因此系统可能出现其中一部分与另一部分发生信息中断，为此， 一方面应在系统硬件设计上提供实际的功能支持，如硬件错误检测指示灯等；另 一方面要在通信协议中设计具有纠错功能的协议来提高系统的容错能力，即在数 据传输完毕后可以对发送端自动请求对错误数据包重发，尽量降低损失和误差。 4 易于扩展性：考虑到技术方案中提出的3 8 4 k b i t s 的传输速率虽然在目前 8 海上船岸通信中具有较强的实用性，但是和陆地的无线通信技术相比，还有很大 的提升空间；随着海上通信技术的不断完善，船岸间数据传输速率必然将越来越 与陆地无线通信接近。因此，在系统的设计时，还应充分考虑到今后系统的发展 方向，使其能满足今后业务的需要，能够进行系统扩容和技术更新的潜力：在此 基础上，为以后的系统扩充留下足够的发展空间，保证系统的可持续发展。 除上述各原则外，系统还应在开放性、灵活性等方面，满足船岸高速数据传 输在更多现代化的具体业务中的应用与扩展。 2 2 - 2 船岸数据传输系统的结构 忐怒ha 嚣 。躲ha 獬产 外围指示 屯路 4 f s k 调制 电路 外围指示 电路 4 f s k 调制 电路 无 线 信 道 正交复用 实现电路 正交复_ j 实现电路 图2 1船岸高速数据传输系统结构框图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo f n a u t i c a lh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m 由于本课题是整个船岸高速数据传输技术方案的一部分，因此其具体实现必 然充分结合整个高速数据传输技术方案的实现，整体的船岸高速数据传输系统的 结构框图见图2 1 。 本文仅就信道编码与调制技术方案的具体实现部分进行讨论和设计，它主要 包括结构框图中的p c 机与数据传输终端的有线通信部分、数据传输终端中的a r m 处理器控制以及基带信号的调制解调部分。 9 2 2 2 1 上位机 上位机部分即p c 机与数据传输终端的有线通信部分，主要实现两个功能，其 结构框图见图2 2 。 上位机l1 有线信道 r s 2 3 2 c - 1 删处理l a r m 与调j ( p ( 郴) hp c 机串1 3 卜一叫v r l c a 平h 器：u a r th 制解调电 操作界面1l 转换电路i 串行口1l 路接口 图2 ，2p c 机与数据传输终端通信结构框图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dd a t at r a n s m i s s i o nt e r m i n a l s 第一个功能是高速数据传输系统的数据打包处理和数据接收处理的界面功 能，将需要借助终端发送或接收的文件、通知等数据的人性化处理，使用户不需 要直接和数据传输终端交涉，使操作更方便。 第二个功能是通过串行口与数据终端进行数据交互的有线通信功能，设计中 采用p c 机的r s 一2 3 2 c 串行口与a r m 处理器的u a r t 串行口进行通信。并根据4 f s k 调制解调芯片的内嵌通信协议的需要将数据进行编码处理，同时在接收端对应解 码处理。 2 2 2 2a r m 处理器控制部分 设计中采用基于a r m 7 一t d m i 内核的三星公司的s 3 c 4 4 b o x 处理器，这部分主要 实现三部分功能，其结构图见图2 3 1 3 卯。 第一个功能是和p c 机的数据交互功能，首先在发送端处理器将p c 机发送的 数据进行处理，后转发给4 f s k 调制解调芯片f x 9j 9 b ：在接收端处理器从f x 9 1 9 b 将数据接收后进行判断，正确则将数据转发给p c 机，如果出错则将错误数据包的 包号返回给发送端。 第二个功能是对调制解调芯片f x 9 1 9 b 的收发控制功能，处理器数据总线宽度 采用1 6 b i t ，同时对两路f x 9 1 9 b 芯片进行控制，使两路8 位并行收发的数据合成 为1 6 位并行的数据进行传输。 1 0 s d r a m 存 储器 熏些4 态蕊 邀磐丽叫篙 电源 t t l 与 r $ 2 3 2 c 电 平转换电路 备用 u s b l c d 接 口 f l a s h 存 储器 与上位机串 行接口 图2 3a r m 处理器控制电路结构框图 f i g 2 3 b l o c kd i a g r a mo f c o n t r o lc i r c u i to f a r mp r o c e s s o r 第三个功能是通过内嵌u c o s i i 操作系统，实现多任务实时嵌入式操作系统， 对调制解调的收发过程通过l e d 显示出来，同时在多任务中对以后升级开发的u s b 总线、l c d 控制等功能进行初步开发。 2 2 2 3 调制解调部分 设计中采用美国c m l 公司的4 f s k 调制解调芯片f x 9 1 9 b ，这部分主要实现两方 面的功能，其结构框图见图2 4 【4 】1 6 1 。 耿珀i t x d o 与正 叫f x 9 1 9 b 卜1l m 3 2 4 【 a r m r x d o交复正交 处理用电复用 器 厂一 厂1t x d l 路接电路 一j 口v 0 1 0 口 l _ jt 1 t r x d l 口 粘 = 匣止乒 图2 4调制解调电路接口的结构框图 f i g 2 4 b l o c kd i a g r a mo f i n t e r f a c ec i r c u i to f m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n 第一个功能是通过f x 9 1 9 b 芯片的外围电路的设计，在发送端对原始基带信号 进行调制，使数据以4 f s k 电平信号进行传输；在接收端对己调信号进行解调，恢 复基带信号。 第二个功能是与正交复用方案部分进行接口处理，即数据传输的无线通信部 分。在发送端将调制后的4 f s k 电平的幅度、直流分量等参数进行调整，以便4 f s k 电平信号经过后面的正交复用通道，将两路信号复用时能匹配；在接收端对经过 正交复用通道后进行非相干解调后的4 f s k 电平进行调整，然后交给处理器处理。 1 2 第3 章船岸通信中的编码与调制技术 在船岸无线通信系统中，由于地理环境等因素，多径衰落、频率选择性衰落、 频率弥散以及加性干扰等，会严重影响接收信号的质量，使通信系统性能降低。 因此为了提高船岸高速数据传输的质量，在技术方案的具体实现设计时针对近海 通信环境的特点，要采用各种抗衰落和抗干扰措施，以减轻无线信道中所引入的 各种干扰对通信的影响。通常采用的技术有选择抗衰落性能好的调制解调技术、 扩频技术、功率控制技术分集接收技术等”。本文选择调制解调技术，使比特误码 率尽可能降低。但实际上，即使如此在许多系统中比特误码率并不能满足实际的 要求，此时则必须采用信道编码( 既差错控制编码) 才能将比特率迸一步降低。 这章主要讨论本文涉及到的与交织结合的差错控制技术以及调制解调技术。 3 1 信道编码理论与技术 随着信道编码( 即差错控制编码) 理论的完善和数字电路技术的飞速发展， 信道编码已经成功地应用于各种无线通信系统中。差错控制编码的基本实现方法 是在发送端在被传输的信息码元附上一些监督码元，这些多余的码元与信息码元 之间以某种确定的规则相互关联。接收端按照即定的规则校验信息码元之间的关 系，一旦传输发生差错，则信息码元与监督码元之间的关系就受到破坏，从接收 端就可以发现错误乃至纠正错误【8 】口 3 1 1 信道模式 与模拟通信不同，数字信号可以进行编码。编码可以分为信源编码和信道编 码两种。信源编码是一种信息压缩方法，即去除信息中冗余度达到压缩数据率的 作用，信道编码是对信息增加一定冗余度即保护码，以达到可靠传输的目的。 信息经过压缩编码，去除了原信息表达形式中的冗余度，换成了新的表达形 式把信息速率降了下来，有利于进行传输。但是这种形式的信号最怕干扰，为了 要对付信道中存在的噪音和干扰，还要加上一些保护措施，即进行信道编码【9 j 。数 字信息总的传输过程如图3 1 所示： 1 3 l - 1 二三 至二 _ + 亘三至至 - - 至至至卜信息受主 图3 1 数字信息的传输过程 把调制解调和信道传输合在一起，可看成是一个广义信道。对这种信道可得 到它的信道容量是 c = l + l 0 9 2 + ( 1 一e ) l 0 9 2 ( i - ) ，b i t 符号 ( 3 1 ) 当很小时， c _ 1 。箭，b i t 褂 - ( 3 2 ) 当信道误码率为1 0 。时，在b s c 信道= o 5 l o 。，按上式c = 0 9 9 8 6 b i t 符 号。当使用二进制传输时，每i b i t 的利用率为0 9 9 8 6 b i t ，或者说在信道误码率 为1 旷3 时，可以找到一种纠错编码，对每i b i t 信息码，增加0 0 0 1 4 b i t 保护码就 可以保护信息无差错的传输。但这只是一种理想情况，实际纠错码性能比理想情 况要差【9 j 【10 1 。 在实际通信系统中，传输信道常见的错误有以下三种类型，即随机信道、突 发信道和混合信道： ( 1 ) 随机信道 在随机信道中，错码的出现是随机的，且错码之间是统计独立的。例如，由 正态分布白噪声引起的错码就具有这种性质。因此，当信道中加性干扰主要是这 种噪声时，称这种信道为随机信道。 ( 2 ) 突发信道 在突发信道中，错码是成串集中出现的，也就是说，在一些短促的时间内会 出现大量错码，而在这些短促的时间区间之间却又存在较长的无错码区间。这种 成串出现的错码称为突发错码。产生突发错码的主要原因之一是脉冲干扰，而信 1 4 道中的衰落也是产生突发错码的另一主要原因。称为突发信道。 ( 3 ) 混合信道 如果信道中既存在随机错码又存在突发错码，称为混合信道【1 1 】。 本技术方案中船岸数据传输的无线通信属于移动通信的范畴，对于移动通信 来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题。船岸通信具有以下特点： ( 1 ) 终端位置的移动性：需要进行数据传输业务的近海船舶停靠地点频繁变 动，或者处在移动状态中，具有移动性。 ( 2 ) 信号电波传播环境复杂：船台虽然大部分时间可能都处在平坦的海面上， 船岸通信的误码率主要是随机错误造成的。但海洋性气候变化比较大，可能遇到 雷雨天气，这些情况下的雷声、闪电会对系统传输造成突发性错误，此外，由于 船台可能停靠或者处在沿海地形比较复杂的区域，所以在通信时也会因为外界的 因素产生反射、折射、绕射、多h 勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟 和展宽等效应 1 0 1 。 由于这种较为特殊的传输环境，数字信号在传输过程中容易受到干扰的影响， 会使信号码元波形变坏，接收后可能发生错误判决。由信道中乘性干扰引起的码 间干扰，通常可以采用均衡的方法纠正【9 1 。因此，在设计本技术方案时，除了考虑 合理地选择调制解调制度以及发送功率等方面外，还要考虑使用差错控制措施。 3 1 2 差错控制方式 为了对各种错误进行差错控制，我们又常采用以下三种差错控制方式： ( 1 ) 检错重法( a r q ) a r q 系统中，在接收端根据编码规则对接收的数据进行检查，如果发现规则 被破坏，则通过反向信道要求发送端重新发送，直到接收端检查无误为止。此种 控制方式多和c r c 编码结合在一起使用。若c r c 指示有错误，就会重发数据。 采用这种差错控制方法需要具备双向信道。 它的主要优点是只需要少量的纠错码元( 一般为总码元的5 2 0 ) 就能获 得极低的输出误码率；要求使用的检错码基本上与信道的差错统计特性无关，也 就是说，对各种信道的不同差错特性，有一定的自适应能力；但缺点是由于需要 反向信道，故不能用于单向传输系统，当信道干扰增大时，整个系统可能处在重 1 5 发循环中，通信效率比较低，甚至不能通信；不大适合于实时性要求较高的系统。 ( 2 ) 前向纠错( f e c ) f e c 系统中，发送端发送能纠正错误的编码，在接收端根据收到的码和编码规 则，能自动纠正传输中的错误。其主要优缺点是：这种差错控制方式的控制电路 较简单，不需要反馈信道，译码迟延固定，不存在由于反复重发而延误时间，实 时性好。较适用于实时传输系统。但这种方式的译码设备比较复杂，并且所选择 的纠错编码必须与所用信道的差错统计特性相一致，因此必须事先测定数据通信 信道的差错统计特性，选择合适的码，否则最终误码率很难达到要求。如果为了 纠正比较多的错误，则要求附加很多码元，通常需2 5 至5 0 的多余码元，因而 传输效率很低。 ( 3 ) 混合方式( h e c ) 结合前向纠错和a r q 的系统，在纠错能力范围内，自动纠正错误，超出纠错 范围则要求发送端重新发送。它是一种折中的方案。 在上述三种方法中，前两种方法的共同点都是在接收端识别有无错码。由于 信息码元序列是一种随机序列，接收端是无法预知的，也无法识别其中有无错码。 为了解决这个问题，可以由发送端的信道编码器在信息码元中增加一些监督码元。 这些监督码和信码之间有一定的关系，使接收端可以利用这种关系由信道译码器 束发现或纠正可能存在的错耐1 0 1 【12 1 1 3 1 。 3 1 3 信道编码方案的选择 在无线传输系统中，为了要对付信道中存在的噪音和干扰，可以采用信道编 码( 即差错控制编码) 的方法很多，有不同的分类方法。根据信息位和校验位的 关系分为：线性码和非线性码。根据差错控制编码的功能不同分为：检错码、纠 错码、纠删码( 结合检错、纠错在一起) 【1 4 】。 在船岸高速数据传输系统中，考虑到实际情况主要是需要数据的实时性和准 确性，因此采用纠错码的编码方法。图3 2 是常见纠错码的类型【l5 1 。 下面我们对几种常见的纠错编码作简要的说明。 1 卷积码：卷积码或称连环码，是一种对付突发错误的有效编码方法，通常记 作( i 3 ，k ，n ) 。它将k 个信息编码为n 个比特，编码效率为n = k n 。n 为约束长度。 1 6 与分组码不同，卷积码中编码后的n 个码元不但与当前段的k 个信息有关，而且 图3 2 纠错码常见类犁 f i g 3 2 c o m m o nt y p e so f e r r o rc o r r e c t i o nc o d e 与前面n1 段的信息有关，编码过程中相互关联的码元为n n 个。其纠错能力随着 n 的增加而增大，而差错率随着n 的增加而指数下降。在编码器复杂度相同的情况 下，卷积码的性能优于