（通信与信息系统专业论文）船用安全信息平台的设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文分析了海上安全信息装置的现状和发展趋势，对比目前国内国外船 用安全信息装置，指出其功能单一化、模拟器件不易升级的不足，提出本课 题的设计方案。 在研究传统e p i r b 和n a v t e x 装置信号编码、发射和接收理论的基础 上，提出了一种新型船用安全信息平台的设计方案；设计了以d s p 为控制与 信号处理核心部件的系统平台，实现遇险求救信号发射和岸台信号接收功能 的新型船用安装装置。首先介绍了系统平台的结构功能；其次详细阐明了该 平台在海上航行中船只导航和遇险求救中应用的工作原理；再次采用快速傅 里叶变换和数字调制的方式，利用高速的数字芯片和处理器，实现了航行中 接收岸台导航等相关信息和船只遇险时及时发射应急求救信号的目的；最后 通过在p c 机上进行m a t l a b 仿真验证系统的可行性，通过模拟现场对硬件 系统进行实地调试，测试结果表明系统具有实时性强、稳定性高、硬件结构 简单、系统升级方便等特点。 关键词：安全信息平台；应急示位标；警告电传接收机；调制解调 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ep 职h a sa n a l y z e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h et r e n do ft h em a r i n e s e c u r i t yi n f o r m a t i o ni n s t a l i r n e n t , c o m p a r i n gw i 也t h ep r e s e n ts h i p sw i 也t h e s e c u r i t yi n f o r m a t i o ni n s t a l l m e n td o m e s t i c a n d o v e r s e a s ，p o i n t e do u tt h a ti t s f u n c t i o ni ss i m p l e ，t h ec o m p o n e n ti sn o te a s yt op r o m o t e ，a n dt h e np r o p o s e dt h i s d e s i g np r o p o s a l t h ep a p e ri si nr e s e a r c ho fe n c o d i n g ，l a u n c ha n dr e c e i v e r t h e o r yo f t r a d i t i o n a le p i r ba n dt h en a v t e x , a n dh a sp r o p o s e do n ek i n do fn e ws h i p s e c u r i t yi n f o r m a t i o np l a t f o r md e s i g n , t o o kt h ed s pa st h ec o n t r o la n ds i g n a l p r o c e s s i n gp l a t f o r m ，r e a l i z e dt h es i g n a ll a u n c ha n dt h ec o a s t a lr a d i os t a t i o ns i g n a l r e c e i v e r i ti n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ef u n c t i o no ft h es y s t e mp l a t f o r m ，e x p o u n d e d h o wt h i sp l a t f o r mc a nb eu s e do ft h es h i p sg u i d a n c eo ri nd a n g e r , u s e dt h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h ed i g i t a lm o d u l a t i o n , t o o kt h eh i 曲s p e e dd i g i t a lc h i pa n d t h ep r o c e s s o r ，a n dr e a l i z e dt h ec o a s t a lr a d i os t a t i o ng u i d a n c ea n de m e r g e n c y d i s t r e s ss i g n a ll a u n c h f i n a l l yt h r o u g hs i m u l a t i o no nt h em a t l a bo np c ，a n d s i m u l a t i o nc a r r i e do nt h es p o to ft h eh a r d w a r es y s t e md e b u g s ，t h et e s tr e s u l th a s i n d i c a t e dt h a tt h es y s t e mi sr e a lt i m e ，s t a b i l i t y , s i m p l eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ， c o n v e n i e n tu p g r a d eo fs y s t e m k e yw o r d s ：s e c u r i t yi n f o r m a t i o np l a t f o r m ；e p i r b ；n a v t e x ；m o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o n 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、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 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) ： ( 帐埸 日期：w y 年乡月彦日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囵在授予学位后且p - 3 口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 日期：纠年多, 目i ) - e i i 导絮c 签执善技 年弓月阳。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和研究现状 随着海上通信技术的发展，特别是于1 9 9 2 年2 月1 日起实施的全球海上遇 险和安全系统( 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 ys y s t e m ，g m d s s ) ，使海 上安全通信的概念发生巨大的变化。g m d s s 是采用卫星通信、数字技术、计 算机控制和网络技术等现代无线电通信设备来代替使用了近百年的传统的人 工莫尔斯电报和无线电通信系统，是海上无线电通信的一次大革命，极大的 改善了船舶的航行安全及海上船舶的搜索、救助能力。同年8 月1 日g m d s s 提出了旨在改善航运安全和帮助搜寻救助作业的新规定，其中包括3 0 0 总吨及 以上的船舶被强制要求安装应急无线电示位标和航行警告电传系统。 船载应急无线示位标( e m e r g e n c yp o s i t i o ni n d i c a t i n gr a d i o b e a c o n ， e p i i m ) 是一个独立的小型专用发信机，安装在船只上，在船只发生危险时 能够发送船只的注册信息，加装了g p s 接收机的可以直接发送船只的当前位 置信息给全球卫星搜救系统，再由全球卫星搜救系统统一安排营救排险f l 】。 全球卫星搜救系统( c o s p a s s a r s a t ) 由美国、前苏联、法国和加拿大四 国在1 9 8 1 年联合开发的全球范围内利用卫星进行搜索救援信息的系统。 全球卫星搜救系统包括遇险示位标、卫星空间段和地面处理分系统三部 分。本文研究的船用安全信息平台的发射机集成了e p i r b 功能。现有的船载 应急无线示位标产品可以分为含有g p s 接收机和不含g p s 接收机两种。不含 g p s 接收机的只能使用低极轨道卫星定位，而含有g p s 接收机的船载应急无 线示位标还可以使用同步静止轨道卫星定位。 国外由于相关技术起步较早，已经有较多成熟的产品： 挪威j o t r o n 公司的t r o n 3 0 s 和4 0 s4 0 6m h ze p i r b ； 日本j r c 公司的j q e 3 a 4 0 6m h z e p i r b ： l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 法国的k a n n a d4 0 6 m h ze p i l 也； 英国的m c m u r d oe 34 0 6 m h ze p i r b 。 国外产品价格较昂贵，而且没有自主知识产权。国内对示位标产品的相 关研究起步较晚，目前仅有西北工业大学、哈尔滨工程大学等少数几所高校 和科研单位有相关样机的研究，还没有商品化的示位标产品。 奈伏泰斯( n a v i g a t i o n a lt e l e x ，n a v t e x ) 系统是海上安全信息播发系 统的组成部分之一，该系统采用窄带直接印字电报技术，用英语向船舶播发 离岸4 0 0 海里内a 1 、a 2 海区的航行警告，气象警告、搜救通知等有关安全 信息，船上的n a v t e x 接收机则自动接收并打印。n a v t e x 分为国际奈伏 泰斯业务和国家奈伏泰斯业务，国际奈伏泰斯业务是指在5 1 8 k n 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。国家奈 伏泰斯业务是指在4 9 0 k h z 或4 2 0 9 5 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本国语言的海上安全信息。由于国际奈伏泰斯系统是采 用同频工作方式，为防止发射台相互间的干扰，国际海事组织将全球按地理 位置划分为1 6 个航行警告区域，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标识，我国位于第1 1 区。 为保证海上航行安全，减少海难事故，到目前为止，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( 法语、西班牙语、希腊语、意大利 语、葡萄牙语、冰岛语、日本语、韩国语和越南语) ，在国际海事组织指定的 4 9 0 k h z 或4 2 0 9 5 k h z 的频率上传输本国语的奈伏泰斯信息。 根据国际海事组织关于航行警告区域的划分，我国已在大连、上海、福 州、广州和三亚分别建立了5 个航行警告业务海岸电台，分别向所辖海域发 布英文的航行警告信息，为航行于国际水域的中外船舶提供各种航行安全信 息。另外，香港和台湾两地区的航行警告业务也已经开通。 我国国内航运船舶及近海作业船舶的绝大多数人员掌握英语能力有限， 由于气象和航行安全的信息获取不及时，海难事故时有发生。因此，发展汉 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 字奈伏泰斯业务对保证海上人员生命财产安全来说尤为重要汉字奈伏泰斯系 统是在4 9 0 k h z 频率上，使用窄带直接印字电报方式用汉字广播和自动接收 海上安全信息的系统。由国家海事局协调各台汉字奈伏泰斯信息的发布，各 台以2 5 0 n m i l e 为半径，按序定时向所辖海域发布奈伏泰斯航行警告、气象预 报和各种搜救信息。所有在中国沿海及a 2 航区作业并装备汉字奈伏泰斯接 收机的船舶都能够自动接收汉字奈伏泰斯信息。 1 2 课题意义和展望 本课题来源于哈尔滨工程大学科技园承担的“船载航行数据记录仪关键 技术及生产工艺开发 项目，目的在于研制一个集成e p i r b 和n a v t e x 功能 的船用安全系信息系统平台。 随着海上通信技术的发展，n a v t e x 和e p i r b 系统已趋于完善并大批量 使用，这使得集成上述两系统功能的小型电子装置研发工作的紧迫性越来越 突出。随着电子科学与技术的发展，信号处理器件的控制、处理性能逐渐增 强，系统的集成度、可靠性、精度和使用便利性不断提高。目前，研发一种 集成上述系统功能的安全信息电子平台的时机已经成熟。 便携式船用安全信息平台的基本功能是接收岸台发送的遇险、紧急或安 全信息广播，在船只遇险时向海事搜救组织发送求救信息。应急示位发射机 工作频率是4 0 6 0 2 5 m h z ，调制方式是b p s k ；警告电传接收机工作频率是 4 9 0 k h z ，其发射端信号的调制方式是2 f s k 。接收信息在液晶屏显示，具备 无线电导航功能，可存储并显示电子地图和航行信息，电源可供电4 8 小时以 上，体积较小、重量轻，外壳坚固、防水，可以适应恶劣的海上工作环境。 1 3 课题内容和安排 本论文主要是以d s p 为控制与信号处理平台，实现遇险求救信号发射机 和岸台信号接收机的功能。其硬件主体分为三大部分：控制与信息处理单元， 应急示位发射机和警告电传信号接收机。发射机实现了传统的e p i r b 功能， 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用数字调制的方式，利用d d s 实现4 0 6 0 2 5 m h z 的b p s k 调制信号，经功 率放大后发射出去，供卫星接收。接收机硬件核心采用d s p 和高速a d ，对 接收信号进行2 f s k 信号解调，实现n a v t e x 接收机功能。 全文共分4 章，各章主要工作如下： 第一章阐述了课题的背景和研究现状，指出了课题的研究方向。 第二章论述了船用安全信息平台系统设计的理论基础，分析了该平台发 射应急示位信号和接收警告导航电传信号的工作原理，并对报文的协议和编 码进行了研究。 第三章详细论证了船用安全信息平台的应急示位信号发射机的设计方 案。首先对现有e p i r b 装置采用的模拟电路实现方案进行分析，提出一种全 新的采用全数字调制的实现方案，并对硬件平台设计过程和软件设计流程做 了详细论述，最后经过实地测试，证明了系统方案的可行性。 第四章详细论述了船用安全信息平台警告电传接收机设计方案。在分析 传统n a v t e x 装置采用模拟方式实现信号接收的理论基础上，提出了采用数 字信号处理中的f f t 技术实现信号解调的方案，给出了硬件设计方案和软件 开发流程，并对系统抗干扰设计做了论述，最后通过m a t l a b 软件仿真和 d s p 硬件平台调试结果验证系统方案的可行性。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章安全信息平台基本理论 国际海事组织要求所有船只必须安装e p i r b 和n a v t e x 这两种安全信 息设备。船用安全信息平台包括应急示位发射机和警告电传接收机，集成了 传统的e p i r b 和n a v t e x 系统的应用功能，满足了海事安全规定的需要。 2 1 应急示位发射机原理 卫星通信覆盖区域大、信道容量大，并具有多址联接能力等优点，广泛 应用于全球搜救系统。在卫星通信领域中，用数字信号进行通信己成为十分 重要的技术【2 】。随着数字通信技术的发展，数字调制技术作为这个领域的一 个重要方面，也得到了迅速发展。众所周知，一个通信系统的通信质量在很 大程度上依赖于所采用的调制方式。调制就是为了使信号特性与信道特性相 匹配，调制方式的选择是由系统的信道特性来决定的。不同类型的信道特性， 相应存在着不同的调制方式。船用安全信息平台发射机采用二进制移相键控 ( b p s k ) 调制方式。 2 1 1b p s k 基本原理 b p s k 是载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式。其信号功率 2 f s k 相当，但其频带利用率较高。通常b p s k 适用于带宽紧张、相对速率 要求较高、外界噪声干扰较严重的情况，尤其是在卫星通信中应用比较多。 应急示位发射机用于航海船只，应用环境比较恶劣，采用e p i r b 报文标准的 发射信号，供搜救卫星接收，所以发射机信号采用b p s k 调制方式。 b p s k 就是将二进制的数字信号0 和1 分别用载波的0 和丌来表示【3 】。其 表达式如式( 2 - 1 ) 所示： ( r ) = g ( 卜刀c ) c o s 吖 ( 2 - 1 ) s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中，g ( f ) 是脉宽为c 的单个脉冲，而的统计特性为， 以：j “，篓! 拳p ( 2 - 2 ) 。1 1 ，概率为( 1 - p ) 也就是说，在某一码元持续是时间c 内观察时，品膦( f ) 为 ” = 篓舅岛沼30 c o ，t , ， & 腿o ) = 妞寮乩。，、 ( 2 - ) i cst 吼率刀l j p j 即发送二进制符号0 时( 取+ 1 ) ，品膦( f ) 取0 相位；发送二迸制符号 1 时( 吒取一1 ) ，& 麟( f ) 取万相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应 数字信息的相位键控，通常称为绝对移相方式。 形成b p s k 信号的原理框图和相应的波形如图2 1 所示。 c ( f ) = a c o s ( a ) 原理框图 a a & 麟( f ) ( b ) 基带信号 07 00万0 ( c ) b p s k 调制信号 图2 1b p s k 产生原理及波形图 2 1 2d d s 调制原理 本系统调制信号的产生是基于直接数字频率合成( d d s ) 技术。d d s 技 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 术的基本理论虽早在7 0 年代就已经提出来了，但是由于硬件条件的限制，它 在初期并没有得到很大的重视。随着现代电子技术和大规模集成电路的发展， d d s 技术得到了飞速的发展，并广泛应用于波形发生器和信号调制器。 d d s 作为一种调制器，其合成信号的三个参量：频率、相位和幅度均可 由数字信号精确控制，因此d d s 的基本原理就是通过预置相位累加器的初始 值来精确地控制合成信号的相位，从而达到调制的目的【4 】。 d d s 的理论依据是时域采样定理，即一个频带限制在( 0 2 ) h z 范围 内的时间信号f ( t ) ，如果以c = l f 。秒的间隔对它进行等间隔抽样，则信号 将被抽样值完全地确定。即该信号厂( f ) 可以由其采样值完全地恢复。d d s 正 是基于此原理，将一个阶梯化的信号( 采样信号) 通过一个理想的低通滤波 器以得到原始的连续信号。 一个典型的数字频率合成器由相位累加器、正弦查询表、d a 转换器、 低通滤波器和系统时钟组成。参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用 于同步d d s 各组成部分的工作【5 】。d d s 的基本结构如图2 2 所示。 图2 2d d s 原理框图 ( 1 ) 频率控制字 d d s 的方程为： f o - f 。k ： ( 2 4 ) 式中，工为输出频率，z 为时钟频率，k 为频率控制字，也称为相位增量。 当k = 1 时，d d s 输出最低频率( 即频率分辨率) 为正2 ，而d d s 的最大输 出频率由n y q u i s t 采样定理决定，即z 2 。也就是说k 的最大值为2 一1 ，因 此只要足够大，d d s 就可以得到很细的频率间隔。要改变d d s 的输出频 率，只要改变频率控制字k 即可。 ( 2 ) 相位累加器 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相位累加器由位加法器与位寄存器级联而成。每来一个时钟脉冲 疋，加法器将频率控制字k 与寄存器输出的累加器相位数据相加，再把相加 后的结果送至寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续 与频率控制字进行相加。这样，累加器在时钟的作用下进行累加。当相位累 加器累加至满量时就会产生一次溢出，完成一个周期的动作。 ( 3 ) 正弦查询表 正弦查询表的作用是把相位信息转变成幅度值，这是通过查表r o m 来 实现的。它把相位累加器的数字相位信息作为正弦r o m 表中的地址。 ( 4 ) 数模转换器 数模转换器的作用是把合成的正弦波数字量转换成模拟量。正弦幅度量 化序列经d a 转换后变成了阶梯波。d a 的分辨率越高，合成的阶梯波台阶 数就越多，输出波形的精度也就越高。 ( 5 ) 低通滤波器( l p f ) d a 输出的阶梯波除了主频石外，还有分布在z ，2 z 两边处 的非谐波分量，因此必须在d a 转换器输出端接低通滤波器，滤除高频分量 得到平滑的正弦波。 ( 6 ) 参考时钟疋 参考时钟，：是一个高稳定的晶体振荡器。其中输出信号用于提供d d s 中各个部件同步工作。 对每个时钟脉冲7 ：，位加法器将频率控制数据足与累加寄存器输出的 累加相位数据相加，结果送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将上 一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法 器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据k 相加；另一方面将这个输出的 位二进制码与相位控制字尸，波形控制字形相加后作为取样地址值送入幅 度相位转换电路，幅度相位转换电路根据这个地址值输出相应波形数据【6 】。 最后经数模转换和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 3 发射机工作原理 按照全球卫星搜救系统颁布的标准，应急示位发射机中b p s k 信号载波 频率为4 0 6 0 2 5 m h z ，相位偏移：士( 刀3 ) 。 要产生4 0 6 。0 2 5 m h z 的b p s k 调制信号，采用一般的模拟电路频率合成 方法是难以实现的，本系统采用直接频率合成技术方案。一般的d d s 芯片输 出频率很难达到4 0 6 0 2 5 m h z ，一些高端的d d s 芯片如a d 公司的a d 9 8 5 8 ， 主频可以达到1g h z ，输出频率可以达到4 0 0 m h z ，但是a d 9 8 5 8 内部不存在 倍频器，必须由外部时钟提供i g h z 的频率，获取一个高稳定度的的1 g h z 时钟频率，成本会增加很多。因此，在本系统中采用一种新颖的方法获得 4 0 6 0 2 5 m h z 的输出频率。 首先分析下d d s 的输出频谱，当满足以下三个条件时，d d s 输出为理 想频谱【7 一。 用位相位码寻址r o m ，没有相位截断，不存在相位码舍弃误差； 幅度存储器r o m 中的幅度值的字长为无限长，没有量化误差； 系统中各个部件是理想的，不存在产生非线性的条件。 由d d s 的基本结构图可知，累加器的输出为产生的正弦信号的相位码， 因此可以看成是以疋为采样率，对一个正弦信号进行采样。理想d d s 的等 效模型如图2 3 所示。 图2 3d d s 的等效模型 式中乏- 1 f 。，厅( f ) = 万。一以乏) 为采样序列。d a c 输出可以看成是理想的 信号经采样后通过一窗r = - - 函。o 数g ( r ) 而得，该窗函数满足： g r o ( t ) = 岳嚣乏 ( 2 - 5 ， 2 o +其他 眈- 5 ) 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 则d a c 输出信号厂( f ) 可表示为： 八，) = c o s ( 2 7 r f o t ) 乃o ) g t o ) - - ic o s ( 2 7 r f o t ) 8 ( t - n t 。) l 婢( f ) ( 2 6 ) ( 等碱垮a o 驰乃， 其中矾为d d s 的频率控制字，4 ( 玎t ) 定义如下： 4 ( n z ) = u o 一以t ) 一v p 一伪+ 1 ) 乏】 ( 2 - 7 ) 而4 ( 刀乃) 的付氏变换为： 咖m 船( 封唧( 丁- j c o t 。) 亿8 ， 令s ( f ) = 办( f ) 缸( f ) = 8 ( t 一刀z ) 魍，则j p ) 的付氏变化为： 悱2 万勋( 等) 唧l ( 丁- j c o t 。堙也， 对于d d s 来说，被采样的信号为： 胁c o s c 嘲( 2 万等z ) 其付氏变换为： ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) a ( o j ) = x 8 ( c o + 丘o o ) + 8 ( c o 一嘞) 】 ( 2 一i i ) 由付氏变换的频域卷积性质可得理想d d s 的输出频谱为： 厂( 妫= s ( c o ) f o ( c o ) 2 x = 卜( 引e 坤( 半) 圭他，似c 咖m c 嗍) 】) 2 北m ， = 砌( 孚) 唧( 二等) 圭【一啤+ 嘞，+ 跏一嗽一) 】 上式为理想d d s 的频谱分布情况，可以看到输出信号频谱总是出现在 = 刀q + _ c o o ( n = 0 ，1 ，2 ，) 处，且杂散的幅度包络具有s a ( x ) 函数形状，如图 2 5 所示。从前面的推导可以看出，理想d d s 的杂散主要来源是系统中的取 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 样函数，也就是说杂散主要是由参考时钟z 引起的，这也说明杂散是d d s 固有的。从上式还可以看出，杂散的分布规律主要受窗函数的影响，参考时 钟越高，即取样点越多，杂散的抑制相对就越大【9 1 0 】。 图2 4 d d s 输出的频谱 图2 4 是本系统d d s 的输出频谱( 图中数值取整数) ，设置主频为 3 4 0 m h z ，输出频率为6 6 0 2 5 m h z 时输出频谱情况。由图我们可以看到，在 主频6 6 0 2 5 m h z 输出幅度最高的频谱，通常来说，这个频率是我们所需要的， 除了主频外，还存在一系列其他频率的谱线，其规律是：在n 倍主频两端分 别存在两个谐波，例如本系统中，在一倍主频3 4 0 m h z 的两端分别存在 3 4 0 6 6 0 2 5 = 2 7 3 9 7 5m h z 和3 4 0 + 6 6 0 2 5 = 4 0 6 0 2 5m h z 两个频率谱线，在 二倍主频6 8 0m h z 的两端分别存在6 8 0 6 6 0 2 5 = 6 1 3 9 7 5m h z 和 6 8 0 + 6 6 0 2 5 = 7 4 6 0 2 5m h z 两个频率谱线，以此类推，在其疗倍主频两端 都有逐渐减弱的高次谐波产生。当雄= 0 时，理想d d s 的输出即为所需的基 频信号，并且在所有谱线中幅度最大，其值可以达到万勋( 万石z ) 。另外， 还注意到在，轭处是没有谱线的。根据n y q u i s t 取样定理可知，要恢复出理想 波形，输出频率必须小于等于o 丘。若超过0 s f , ，则一阶镜像频率就会落 在n y q u i s t 带宽内，难以恢复原波形。由图2 4 可以看出，所完成的阶梯重构 只改变了输出频谱的幅度和相位而未增加新的频点，这样的频谱结构代表了 d d s 输出的频谱分布。由此可以知道，理想的d d s 的输出中没有杂散分量。 在典型的d d s 应用中，d d s 后一般放置一个低通滤波器，用来滤除一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 阶镜像。而实际中l p f 都有一个过渡带的问题，所以为了更好地去除一阶镜 像带来的杂散，一般将d d s 的输出频率限制在0 0 一疋内i l 卜1 2 j 。 以上是d d s 用于调制器的应用原理，而本系统需要的调制信号频率是 4 0 6 0 2 5 m h z ，按照常规的d d s 应用，d d s 的输出频率限制在0 0 4 f 内，。 本系统选择的d d s 芯片是a d 9 9 5 4 ，外部晶振2 0 m h z ，其内部有和2 0 倍的 倍频器，主频最高可达到4 0 0 m h z ，根据d d s 输出频率的限制，它的输出频 率最高为1 6 0 m h z ，远远不能满足4 0 0m h z 的要求。本系统的4 0 6 0 2 5 m h z 调制器利用d d s 的这一频谱特性，通过带通滤波器获得高次谐波，作为输出 信号。在本系统中，设置主频为3 4 0 m h z ，输出频率为6 6 0 2 5 m h z ，在一倍 主频3 4 0 m h z 旁边的3 4 0 + 6 6 0 2 5 = 4 0 6 0 2 5 m h z 频率的信号，是本系统所需 要的，通过带通滤波器输出，再经过3 阶放大，使信号功率满足系统要求。 2 2 警告电传接收机原理 在发射端警告电传信号首先去调制1 7 0 0 h z 的载波，然后经过线性搬移 到4 9 0 k h z ，在频谱搬移过程中并没有产生新的频率分量。本设计中对2 f s k 的检测与形成2 f s k 信号的频率没有关系，所以只需将接收到的2 f s k 信号 搬移到低频端之后再处理即可，这一过程是依据带通采样定理来完成的。 2 2 1 带通采样定理 l 、n v q u i s t 采样定理 如果对某一时间连续信号( 模拟信号) 进行采样，当采样率达到一定数 值时，那么，根据这些采样值就能准确地确定原信号【l 3 1 。 n y u q i s t 采样定理：设有一个频率带限信号工( f ) ，其频带限制在( o ，厶) 内， 如果以不小于z = 2 厶的采样速率对x o ) 进行等间隔采样，得到时间离散的 采样信号x ( 行) = x 0 互) ( 其中互= l l f 为采样间隔) ，则原信号x ( f ) 将被所得到 的采样值x ( n ) 完全确定。也就是说，如果以不低于信号最高频率两倍的采样 速率对带限信号进行采样，那么所得离散采样值就能准确地确定原信号【1 4 】。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其意义在于：时间上连续的模拟信号可以用在时间上离散的采样值来取代， 这样就为模拟信号的数字化处理奠定了基础。 2 、带通信号采样定理 n y u q s t i 采样定理只讨论了其频谱分布在( o ，厶) 的基带信号的采样问题。 由于实际应用中所覆盖的范围一般都要求比较宽，在这里不能采用n y u q s t i 的基本采样定理。我们从中频开始全数字化，因为有用信号只是占据了整个 中频带宽的一部分，所以如果我们将整个带宽进行采样，不仅数据非常大， 而且也包含很多无用信息，对于这样无法用基本n y q u i s t 采样定理来采样的， 必须采用带通采样。 带通采样定理：设一个频率带限信号x o ) ，其频带限制在( 无，厶) 内，如 果其采样频率z 满足： l ，= ：三坠盟 ( 2 1 3 ) 。( 2 n + 1 ) 式中，n 取能满足z 2 ( 厶一无) 的最大整数( 0 ，1 ，2 ，) 则用z 进行等 间隔采样所得到的信号采样值x ( n r , ) 能准确地确定信号x ( f ) 。 式( 2 1 4 ) 用带通信号的中心频率石也可以表示为： ，= ：盟 ( 2 1 4 ) z 刀+ l 式中，f o ：五姜丘，刀取能满z 2 b ( b 为频带宽度) 的最大整数。 由( 2 1 5 ) 可见，当频带宽度召一定时，为了能用最低采样速率即两倍 频带宽度速率( z = 2 b ) 对带通信号进行采样，带通信号的中心频率须满足： f o ：型曰(215)fo 1 5 = _ 曰 ( 2 二 力取不同值，对应不同中心频率矗，任何一个中心频率为五( n - - 0 ，l ) ， 带宽为b 的带通信号均可以用同样的采样频率z = 2 b 对信号进行采样，这些 采样均能准确地表示位于不同频段原信号x o ( t ) ，而o ) ，x 2 ( t ) 。 上述带通采样定理适用的前提条件是：只允许在其中的一个频带上存在 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号的混叠。 图2 5 带通滤波器信号采样 为了满足此条件，可以采用跟踪滤波器的办法来解决，即在采样进行滤 波，如图2 5 所示，也就是当需要对某一个中心频率的带通信号进行采样时， 就先把跟踪滤波器调到与之对应的中心频率 上，滤出所需要的带通信号然 后再进行采样，以防止信号的混叠。 2 2 22 f s k 基本原理 2 f s k 信号最常用的解调方法是非相干解调和相干解调。还有鉴频法、 过零检测法、差分检测法、包络检测法和相干检测法、傅里叶变换法等。 l 、相干解调法 2 f s k 信号的相干解调，即在接收机端恢复出调制载波的两个频率分量， 分别与接收的信号相乘，再通过低通滤波器得到含基带数字信息的低频信号， 如图2 6 所示。抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号进行比较判决， 即可还原出基带数字信号。对于相干解调方法，码间干扰是一个要克服的问 题，因此通常在最后加个判决反例”l 。相干解调方法实现起来对硬件要求 比较高，可靠性也比其他方案差一些。 图2 62 f s k 信号相干解调方式 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 、非相干解调法 2 f s k 信号的非相干解调如图2 7 所示，也叫做包络检测法，首先用两个 窄带分路滤波器分别滤出频率为f o 及f l 的高频脉冲，经过包络检波后，分别 取出他们的包络。把两路输出同时送到抽样判决器进行比较，从而判决出基 带数字信息。非相干解调方式的最大优点是通信的可靠性高。 图2 72 f s k 信号非相干解调方式 3 、鉴频法 鉴频法解调2 f s k 信号的原理与采用鉴频法解调f m 信号一致。鉴频器 的输出解调电压信号幅度应与输入2 f s k 信号的瞬时频率成正比，因此鉴频 器实际上是一个频率电压幅度转换电路。实现鉴频的方法有：斜率鉴频、移 相乘积鉴频、锁相环鉴频等。 4 、过零检测法 由于数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数就可以得 到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想，其原理如图2 8 所示。 坠咂习t 互卜卧矬h p 图2 8 过零检测法解调方式 输入信号经限幅后产生矩形波序列，经微分整流形成与频率变化相应的 脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。将其变换成具有一定宽度的 矩形波，并经过低通滤波器滤除高次谐波，便能得到对应于原始数字信号的 基带脉冲信号【1 6 1 。这种方法的缺点就是调频信号的频率间隔大时效果比较明 显，但频率间隔较小时几乎无法检测。因此通常这种方法只有在采样频率为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 载波频率的整数倍时效果较好。 5 、差分检测法 差分检测2 f s k 信号的原理如图2 9 所示。输入信号经带通滤波器滤除 带外无用信号后被分成两路，一路直接送到乘法器，另一路经过时延t 后送 到乘法器，相乘后再经过低通滤波器除去高频分量即可取出基带信号。 设输入信号为ac o s ( o d o + c o ) t ，它与延时f 之后的波形乘积为： 兰葛：+功yi+c国oys(+c00(4+2)cos(缈o z 2 ) e o s f 2 ( c 0 0 + c o ) t - ( c o o + 功) f 】c 2 一6 ， = ( 彳2+ 国y + ( 4 2 + 功) f 】 、。 若用低通滤波器除去倍频分量，则其输出为： v = 似2 2 ) c o s ( t 0 0 + ) f ( 2 1 7 ) 图2 9 差分检测解调法 可见，y 是频率偏移国的函数，但不是一个简单的函数关系。我们适当 地选择_ r ，使c o s c o o r = 0 ，则s i nc o o t = l ，v = - ( a 2 2 ) c o sc o t ；当f = 州2 ， 则v = 似2 2 ) s i n c o r ；当f = 一州2 ，若角频偏较小，则有v ( 么2 2 ) 国r 。由 此可见，当满足条件c o s ( d r = 0 时，输出电压将与角频偏成线性关系，这正 是鉴频特性所要求的。 差分检波法基于输入信号与其延迟信号的比较，信道上的延迟失真将同 时影响相邻信号，故不影响最终的鉴频效果。实践表明，当延迟失真为零时， 这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当有较严重延时失真时，它的性能 要比鉴频法优越。不过差分检波法的实现将受条件c o s a g o r = 0 的限制，而且 这种方法受噪声影响非常严重。 上述2 f s k 解调方法多采用模拟电路实现，解调效果主要依赖于模拟芯 片性能的提高，不利于以后的升级换代，因此本系统采用f f t 进行f s k 解调 的方式，在下一节详细论述。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 3 信号接收原理 随着数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展，采用傅里叶变换 对2 f s k 信号解调的方法正越来越多的被采用。该方法利用f f t 算法，将时 域信号变换到频域，并区分出来，实现2 f s k 信号解调。 本系统采用快速傅里叶算法f f t 进行2 f s k 解调，利用f f t 技术对2 f s k 信号的频谱特性进行分析。警告电传信号在发送端只是将调制信号的频谱进 行了搬移，而并没有产生新的频率分量，解调时只需将n a v t e x 信号搬移到 低频端，采用f f t 方法对低频信号进行检测即可。 f f t 运算结果相当于一个带通滤波器的输出，只要在运算时使f f t 的频 谱分辨率小于不同信号之间的频率间隔就能够使信号在频谱上分离，通过比 较每点幅值的大小从而达到解调信号的目的【1 7 以8 】。以1 0 2 4 点f f t 为例，这 个快速傅里叶变换可以被认为是一个含有1 0 2 4 个彼此分离的相关器的并行 存储器，因为使用了快速傅里叶算法，1 0 2 4 个相关器的输出以相对较少的计 算量计算得到。采用f f t 算法的最大的好处是它允许接收机处理大频率偏移 而不需要将信号的载波频率搬移到确切的0 h z 处。连同f f t 算法的有效性， 这些优点使得所设计的接收机结构较常规使用相关器的接收机更有效，同时 这种f f t 检测器能够允许简单的频率跟踪，使之对多普勒效应能够迅速反应。 该方法具体实现是通过在1 0 2 4 个存储空间中填充个信号采样值和 ( 1 0 2 4 一n ) 个零值完成的。将1 0 2 4 个填充好的数值进行f f t 变换，通过 比较f f t 结果的两个存储位o b i n 和1 b i n 的大小得出数据检测的结果，“o 和 “l 比特相应的存储位就是o b i n 和l b i n 。我们定义变量，为1 0 2 4 点f f t 变 换结果的数量大小，而，( z ) 对应的是变换结果的某一位的值，检测方案及原 理如图2 1 0 所示。 f = i f r r s i g , 缎l ( 1 n ) z e r o s ( 1 1 0 2 4 - ：) i ( 2 1 8 ) f ( 二) ：o ，矿阡( 0 6 加) ( 1 6 胁) ( 2 - 1 9 ) i1 ，ff f ( o b i n ) f f ( 1 b i n ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工( )x ( n nx o ) 1 0 2 4 f f t l - 2p - lpp + l q lqq + i 1 0 2 31 0 2 4 l + i 少一 丫输出一 图2 1 0 基于f f t 的2 f s k 检测原理图 在基于f f t 算法的接收机中的定时的获得和跟踪比在基于时域方法的接 收机中的要复杂的多，正确采样信号的傅里叶变换包含信号的所有信息，时 间和相位偏移的大部分信息包含在复傅里叶表示的相位里，这意味着只使用 f f t 结果的幅度数值会导致频率信息几乎完全丢失，但由于所设计的接收机 是非相干的，而且可能会受到多普勒频移的影响，相位被假设是随机的，我 们只能从经f f t 后的幅度数值确定频率信息【1 9 】。 定时偏移的一个表现是某一位f ( x b i n ) 减少，而其他位的值增多，这一 位数值减少是因为进行f f t 计算的采样值有一位或更多位出错，也就是说所 有进行f f t 计算的采样值不是来自同一个符号，或说是不同频率或相位。如 图2 1 1 所示的，在连续的“0 1 1 中，用来判别比特“0 而进行f f t 的采样 值中，有一个是比特“l 的采样值，导致功率减少，而接下来的比特“l ”不 会受到影响，因为它将使用一个下一个比特“l 的采样值。 时偏 n 馏a f 砀 丫触| 。 i n 一一 图2 11 定时偏移导致的错误采样值 f f t 检测器初始定时获得是在l 2 采样周期或在v g n 个符号周期内修正 定时偏移，在上面的设计中，会产生1 n 个偏移。定时获得的是基于一个重 复，次的“0 1 序列，序列的每一个数据都是变化的，那么每一个符号经由 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f f t 后的输出能很明显的看出定时偏移的影响，时偏为： = ，2 ( 乃三) - - o ，( 1 5 ) ，( 2 5 ) ，( 3 5 ) ，( 4 5 ) ) 瓦 ( 2 2 0 ) 在2 n , 个比特间隔内计算i f ( 0 6 加) 一f ( 1 b i n ) i 的平均值，选择相近的较大 的偏移值进行修正。然而从这种有规律的序列中找出定时偏移是无效的，对于 一个系统来说定时偏移的估计必须是通过对随机数据的实时处理计算