（电路与系统专业论文）双通道navtex接收机的研制.pdf

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信息 的系统，它为保证船舶航行安全发挥着极其重要的作用。自运行以来，成功挽救 了成千上万人的生命与财产安全。传统的n a v t e x 采用窄带直接印字州b d p ) 的工作方式，功能简单、智能化程度不高，已经不适应现代航运发展的要求。 本文所设计的双语双通道n a v t e x 接收机严格按照国际n a v t e x 接收机 的验收标准( i e c 6 1 9 7 0 6 ) 进行开发和设计，支持中英文双语系统，可以同时接 收国际( 5 1 8 k h z ) 和国内( 4 8 6 k h z 4 2 0 9 5 k h z ) 两个通道的信息。 系统采用了以d s p + f p g a 为主架构搭建的硬件平台。该结构特点是：通用 性强，适合模块化设计，能提高算法效率，开发周期短，系统易于维护和扩展， 能满足实时信号处理的要求。经过多个版本的实际验证和改进，本硬件平台可以 长时间正常和稳定运行。 系统采用软件无线电技术，用改进了同步算法的新型d s t f t 数字解调替代 传统模拟解调，增加了系统的灵活性和可升级性；用l c d 显示文本信息的方式 代替传统的打印显示文本的方式更好地实现了人机交互；采用中断驱动模式并设 计专门文件管理系统来保证和提高系统的实时性和稳定性。 本系统三个通道的接收灵敏度经实际检测优于( 可达11 0 d b m ) 国际标准 1 0 7 d b m ，在实际运行当中，各功能运行稳定和正常，已成功接受了上海，大连 和日本的航海信息，接收误码率在4 以下。 关键词：n a v t e x ；d s t f t ；d s p ；f p g a ；软件无线电 a b s t r a c t n a v t e xs y s t e mi sb a s e do nn a r r o w - b a n dd i r e c t - p r i n t i n gt e l e g r a p ht os e n da n d a u t o m a t i c a l l yr e c e i v et h ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，w h i c hp l a y sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n t r o l et oe n s u r et h es a f e t yo fn a v i g a t i o n t h et r a d i t i o n a ln a v t e xr e c e i v e ra d o p t s n a r r o w - b a n dd i r e c tp r i n t i n g ( n b d p ) w h o s ef u n c t i o n si ss i m p l ea n di n t e l l i g e n tl e v e li s n o th i g h ，n ol o n g e rm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms h i p p i n g ad u a l c h a n n e ln a v t e xr e c e i v e ri sd e s i g n e di na c c o r d a n c ew i t hi n t e r n a t i o n a l n a v t e xr e c e i v e r sa c c e p t a n c es t a n d a r d s ( i e c 619 7 0 6 ) t h er e c e i v e rc a ns u p p o r t b i l i n g u a ls y s t e mw h i c hc a ns i m u l t a n e o u s l yr e c e i v ei n f o r m a t i o no fi n t e r n a t i o n a la n d d o m e s t i cc h a n n e l s ad s p + f p g aa r c h i t e c t u r et ob u i l dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mi su s e d t h e s t r u c t u r a li s v e r s a t i l i t ya n ds u i t a b l ef o rm o d u l a rd e s i g nw h i c hc a ni m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h ma n de a s yt ob em a i n t a i n e da n de x t e n d ，f u l f i l l i n gt h e r e a l t i m es i g n a lp r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms h i p p i n g ， s o f t w a r e d e f i n e d r a d i o t e c h n o l o g y i s a d o p t e d w h i c hu s e i m p r o v e dd i g i t a l d e m o d u l a t i o nr e p l a c i n gt r a d i t i o n a la n a l o gd e m o d u l a t o rt oi n c r e a s et h ef l e x i b i l i t ya n d s c a l a b i l i t yo ft h es y s t e m i no r d e rt ob e t t e ra c h i e v eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，t h e t e x tm e s s a g e sa r ed i s p l a y e do nt h el c d t og u a r a n t e ea n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e a n ds t a b i l i t yo ft h er e a l - t i m es y s t e m ，ai n t e r r u p t d r i v e nm o d u l ei sa d o p t e da n da d o c u m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mi ss p e c i f i c a l l yd e s i g n e d t h es e n s i t i v i t yo ft h es y s t e mi su pt o 一110 d b mb ya c t u a ld e t e c t i o n ，m e e t i n gt h e i n t e m a t i o n a l s t a n d a r d s ( 一10 7 d b m ) t h es y s t m e h a sb e e n s u c c e s s f u l l ya c c e p t e d i n f o r m a t i o nf r o ms h a n g h a i ，d a l i a na n dj a p a n sn a v i g a t i o n k e y w o r d s ：n a v t e x ，d s t f t , d s p 5 6 8 5 3 ，f p g a ，s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或 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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：帝方气签字帆渺年岁月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江本堂 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和传播，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适用本授权书) 学位论文作者签名： 宁可 导师签名： i j i 签字同期：弘c 。年；月c 7 日 舍文勿 签字日期：如一年弓月7 日 致谢 光阴荏苒，不觉间在浙大渡过了七个年头，在即将毕业之际，回首这段美 好的时光，感慨万千，有着对美好学生时光留恋，对美好未来的憧憬，对自己所 学的欣喜，但最多的是感恩之情，借此论文一页来致谢。 首先我要感谢我的恩师金文光副教授，从本科毕设到研究生毕设3 年多的时 间里，您在学习和生活中都给了我无私的帮助和关怀。您渊博的学术知识，严谨 的治学态度以及为人处事的原则对我以后人生道路的发展定会起到莫大的帮助。 我要感谢章专副教授和其它电路二的老师，感谢你们对我学习和生活上关 心和帮助。 我要感谢我的家人，我的父母和我的姐姐，求学2 0 载一直都离不开你们的 支持，你们对我的爱是最无私和最伟大的。感谢我的女朋友，在研究生学习阶段 和我共同努力，共同进步。 我要感谢我的室友辜渝嘉，崔文频和付中梁，以及郑寒等其他朋友，和你 们在一起的日子永远都是最开心的。我要感谢n a v t e x 项目的参与者张正宇，刘 书豪，和你们一起工作和学习是轻松的。我要感谢我实验室的同学胡凯亮，张慧 芳，张斌，朱德庆，潘新春和周冬鑫，感谢你们陪我渡过了这美好时光。 最后，我真心祝福我的父母，我的导师，我的同学，祝你们生活幸福、身 体健康、幸运永远伴随着你们。 摩少华 2 0 0 9 年1 月于浙大玉泉 浙江大学硕上学位论文 1 绪论 全球海上遇险- 9 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 即 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- 9 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 庞大的综合的全球性的通信搜救网络。 海上安全信息播发系统( n a v t e x ) 是以窄带直接印字电报方式发送自动接 收海上安全信息的系统【2 1 ，是全球海上遇险- 9 安全系统( g m d s s ) 的重要组成部 分之一。 我国在上海、广州、大连、福州、三亚建设了n a v t e x 播发台，链状覆盖 了我国沿海4 0 0 海里以内的海域【3 1 。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 日，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 接收机，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 1 课题的提出 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信息 的系统，它为保证船舶航行安全发挥着极其重要的作用。自运行以来，成功挽 救了成千上万人的生命与财产安全。 传统的n a v t e x 采用窄带直接印字( n b d p ) 的工作方式，功能简单、智能 化程度不高，已经不适应现代航运发展的要求【4 1 。 当前大部分n a v t e x 接收机信号解调仍采用传统的模拟解调方法，大量使 用电感、电容和其它分立元件，使得电路稳定性、体积及产品更新周期等受到影 响【5 1 。近几年来随着模拟电路集成化和数字信号处理技术的发展，不少学者对 n a v t e x 系统的f s k 解调算法进行了广泛的研究，得出了多种基于软件无线 电的数字解调算法。随着数字信号处理技术不断发展以及各种高性能数字信号 处理器( d s p ) 面世，使其在通信领域已有了广泛的发展，也为软件无线电的 应用提供了保障。 绪论 1 2 研究意义 n a v t e x 业务的建立和实施使得船舶人员不用再人工收听和抄收安全信 息，遇有重大通信信息被强制自动接收和报警。很显然，船舶安全信息接收率 大幅度提高，为船舶航行安全提供了可靠保障。 当前我国自行研制的n a v t e x 接收机在市场上比较少见，并且款式比较 老，功能简单，智能化程度不高，已不适应现代航运发展的要求。而德国、英 国、日本、韩国等国家所生产的n a v t e x 接收机，虽然技术先进，但无中文系 统也不能接收中文信息【6 】。 我国于2 0 0 6 年6 月正式开通了中频( 4 8 6 k h z ) 的中文n a v t e x 系统的播 发业务。因此，研制新型的中英文n a v t e x 系统接收机市场需求巨大。 本系统采用软件无线电技术，用数字解调替代传统模拟解调，增加了系统 的灵活性和可升级性；用l c d 显示文本信息的方式代替传统的打印显示文本的 方式更好地实现了人机交互；采用中断驱动模式并设计专门文件管理系统来保 证和提高系统的实时性和稳定性。采用中英文双语操作系统，大大方便用户的 操作和使用。 综上所述，研制新型中英文n a v t e x 接收机已经成为一种必须，符合经济 发展和技术进步的要求。 1 3 论文研究内容及章节安排 论文详细介绍了双通道n a v t e x 接收机的研制，整机以d s p + f p g a 为核 心架构进行平台搭建，具有中英文双语操作系统，同时能接收国际和国内通道 信息，该接收机用基于软件无线电的d s t f t 数字解调替代了传统的模拟解调， 系统以国际n a v t e x 接收机验收标准为参考进行设计。论文章节安排如下： 第一章，绪论。首先给出了课题，并对课题的研究意义进行了分析，最后 介绍了论文内容及章节安排。 第二章，n a v t e x 系统介绍。详细介绍了n a v t e x 系统，并从国内和国 外两个地域对n a v t e x 研究现状进行介绍和分析，最后综合提出了一个 n a v t e x 发展趋势。 浙江大学硕士学位论文 第三章，接收机的硬件实现。介绍了系统硬件平台搭建的过程，并分成模 拟，数字，显示，按键四个模块进行功能以及器件选型的介绍，最后归纳了本 系统在设计p c b 版图上的设计原则。 第四章，接收机的软件实现。余绍了基于d s p 5 6 8 0 0 e 的系统软件开发过程， 首先介绍了系统的软件开发平台c o d e w a r r i o r f o r d s p ，然后介绍系统所采用的 中断驱动控制模型，最后分块对软件界面设计，文件管理系统以及驱动和 b o o t l o a d e r 的设计和开发过程进行了介绍。 第五章，数字解调。首先综述了现有的数字解调和模拟解调方法，对本系 统采用基于软件无线电的d s t f t 对f s k 信号解调进行详细介绍，最后给出了 一种同步算法。 第六章，测试结果。介绍了接收机硬件功能和调试情况，软件实际运行功 能情况，最后介绍了接收机实验室下测试灵敏度以及实际所接收信息情况。 第七章，总结和展望。对本文的研究工作进行总结，并对下一步的研究内 容的发展进行展望。 n a v t e x 系统介绍 2n a v t e x 系统介绍 2 1n a v t e x 系统简介 2 1 1 什么是n a v t e x 系统 奈伏泰斯( n a v t e x ) 是n a v i g a t i o n a lt e l e x 的缩写，该系统是有关海岸电 台在规定时间段，通过印字电报模式向在4 0 0 海里海域内的船只发送航行警告、 气象警告、气象预报和紧急信息( 统称海上安全信息m s i ) ，船舶通过n a v t e x 接收机自动接收的一种安全通信系统，是全球海上遇险与安全系统( g m d s s ) 的一个主要组成部分，也是国际海事组织( i m o ) a 4 1 9 ( x i ) 决议案规定的全 球航行警告业务的重要组成部分。1 9 7 7 年北欧各国根据瑞典的建议，在世界航 行警告区第一区开始建立n a v t e x 系统，北海沿岸各国相继建立n a v t e x 发 射台，形成了完整的n a v t e x 覆盖区。经过试用之后，受到了航运界极大欢迎， 于是经i h o 、i m o 和国际电信联盟( i t u ) f 钩审议采纳，成为g m d s s 的一部分。 n a v t e x 系统是全球海上遇险与安全系统中的重要组成部分，它通常由奈 伏泰斯业务协调站、奈伏泰斯发射台和奈伏泰斯接收机三大部分组成【7 1 。 国际n a v t e x 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n a v t e x 系统是采用同频工作 方式，为了防止发射台之间的干扰，国际海事组钐r ( 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n a v t e x 信息的发布，在每个区域 内，按地理位置依次确定电台的标识，我国位于第1l 区。 国家n a v t e x 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。对非英语国家而言， 考虑到本国的实际，目前己有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n a v t e x 信息【8 - 9 1 。 浙江大学硕士学位论文 2 1 2n a v t e x 发展过程 n a v t e x 系统的前身始于1 9 7 7 年在欧洲试用的通过直接印字电报前向纠 错方式传送的航行警告系统，当时这种传送方式主要用来实现无人看守和自动 地接收和打印出有关信息的功能。但在 - 3 时，电报每四小时重新播发一次，接 收机会自动打印出远、近海岸电台发送的所有电报【1 0 1 。由于使用印字电报的海 岸电台的数量增多，造成了驾驶员使用中的极大不便，他们很难在大量聚积的 打印纸中找出优先需要的电报来。之后，在接收机中引进了微机记忆功能，消 除了电报重复打印的弊病，由此诞生了奈伏泰斯接收机【1 1 1 。 根据新的国际s o l a s 条款规定，3 0 0 吨以上船舶必须装备n a v t e x 系统 接收机。并且今后将更加推广n a v t e x 系统接收机在客船、渔船和其他小型船 舶上的使用。 2 1 3n a v t e x 系统特点 n a v t e x 系统在播发方面比较简单。现有的中频发射设备经改装，在符合 要求的频率稳定度下，便可作为n a v t e x 系统的发射设备使用。因此，n a v t e x 系统在播发方面有很多优点【陀1 ： ( 一) 输出功率低，覆盖范围广。在北欧许多国家使用的设备，最大输出 功率为5 0 0 w ，夜间可调低为1 5 0 2 0 0 w ，其覆盖范围可达4 0 0 海里； ( 二) 由于使用5 1 8 k h z 和4 9 0 k h z 作为播发频率，电波主要依靠地波传播， 传播较稳定，接收地点场强稳定，接收可靠。对于现有的海岸电台，只要具备 中频发射能力，稍加改装就能成为n a v t e x 发射台【1 3 1 ； ( 三) n a v t e x 系统发射台可遥控，甚至一个协调中心可控制三个播发台， 由于采用定时播发，节省劳力，便于管理。一般情况下，每个电台每天播发6 次n a v t e x 系统信息，每次1 0 分钟。 n a v t e x 系统接收设备对于船上使用人员来说具有下列优点： ( 一) 它能够自动接收与航行有关的警报，即气象预报，航行警报和其它 海上安全信息； ( 二) n a v t e x 系统接收机体积小、重量轻。它主要包括射频接收单元、 信息处理单元和显示或微型打印单元，可安装在船舶驾驶台内，占据非常小的 n a v t e x 系统介绍 空间； ( 三) 能够自动打印或存贮报文，没有人工抄报的差错，其打印输出可作 为无线电台日志而保存，不必重新进行抄写； ( 四) n a v t e x 系统接收机不会重复打印或存贮同一份报文，对于紧急信 息立即接收，不会延误与遗漏。 由于n a t e x 系统采用同频工作方式，为防止发射台相互间的干扰，i m o 将全球按地理位置划分为1 6 个航行警告区( n a v a r e a s ) ，协调n a v t e x 系 统信息的发布。1 6 个航行警告区的5 4 个沿岸国家已经建成或正在着手建立9 0 多个n a v t e x 发射台，基本上覆盖了全球的海域。在每个区域之中，按地理位 置依英文字母a ，b ，c 的次序确定电台标识。各台所赋予的英文字母被称为发 射台及其覆盖海域的识别码。每个发射台在识别字母确定以后，它的发射时间 也被确定。而且各组的各个播发台不同时工作，避免了相邻的各发射台之间的 相互干扰。尽管各个相邻航行警告区的播发台有可能同时工作，但是由于它们 各自覆盖的海域相隔很远，在5 1 8 kh z 和4 9 0 kh z 4 2 0 9 5 kh z 频率上不会造成 相互干扰。 各个n a v t e x 播发台所播发的报文，应根据信息种类分别用英文字母予以 编号，该字母称为报文的主题字母。对于每一种信息再按播发的先后次序予以 编号，也就是在报文的主题字母之后紧跟编号，表示这一类报文播发的先后次 序，便于进行存档。这些信息各自由一个协调台汇总，然后输送到整个系统的 信息协调中心，在那里形成报文，送往发射台进行发射。 2 1 4n a v t e x 技术特性和性能指标 技术特性【1 4 】 l 、使用窄带直接印字电报技术，即信号采用7 单元恒比检错码，调制方式 采用f s k ，无线电的调制速率为1 0 0 b p s ，频移为1 7 0 h z 。 2 、播发的国际共用频率为5 1 8 k h z 。 3 、信号的发行频率容差应在1 0 h z 之内。 4 、信号的技术格式如图2 1 ： 6 浙江大学硕士学位论文 l 定掴信眵 l 伪燃空一一 l 踟致舾秘 嘲车换行电文删 网车换 i 两次l 定糨信垮 1 0 蠢i z ( 2 ci 空一锯i8 l 投b 3 驰l 两睾换行i 电交l “嬲i 斛车换 i 织次i 发报结_ i l ( 图2 1n a v t e x 系统的信号技术格式 开头是大于l o 秒的定相信号，然后是正文开始标志信息z c z c ，空一格后 是技术编码b 1 8 2 8 3 8 4 ，其中b 1 是发射台覆盖区域的识别字母，b 2 是下列各 种电报的分类代码： a ：航行警告 b ：气象警告 c ：冰况警告 d ：搜救通知 e ：气象预报 f ：引航业务电报 g ：台卡电报 h ：罗兰c 电报 i ：奥米加和差奥米加电报 j ：卫导电报 k ：其它电子导航系统电报 l ：航行警告一字母a 的附加字母 m 至u 保留待今后规定 v 至y 特别业务一由i m o 分配作试验用) z ：现无电报 b 3 、b 4 是每一类b 2 电报的双字编号，从0 l 开始至9 9 后再重新从0 1 开 始，但要避免使用仍然有效的电报编号。编号0 0 只能用于特别重要的电报，如 始发的遇险电报。技术编码b 1 8 2 8 3 8 4 回车换行后是正文，报文结束字组 “n n n n ”应在最后单独列成一行。 性能指标 7 n a v t e x 系统介绍 ( 1 ) 能在频率为5 1 8 k h z 和4 9 0 k h z 与4 2 0 9 5 k h z 上接收前向纠错的窄带 印字报文； ( 2 ) 接收机要有相当于1 0 7 d b m 的灵敏度 ( 3 ) 能够明确的向使用者显示当前选择的传输覆盖区域编码b l 和信息类 型编码b 2 ； ( 4 ) 抑制不需要的非强制性报文； ( 5 ) 拒收己经正确接收的报文； ( 6 ) 应至少贮存2 0 0 条，平均每条长度5 0 0 个字符的信息在非易失性存储 器中，并允许使用者对无用报文进行删除操作。在6 0 个小时到7 2 个小时之间， 没有被表示为永久保留的报文和报文标识将会被自动从存储器汇中删除。如果 收到的报文数量超过贮存量，应能自动消除时间最长的报文和报文标识； ( 7 ) 电报收妥后，应能贮存，字母错误率小于4 ； ( 8 ) 能够可以对传输覆盖区域编码b l 和信息类型编码b 2 进行选择，从 而将对应报文存入非易失性存储器并输出； ( 9 ) 接收机应能估计信号的质量，应有能测试无线电信道部分，信息处理 器和打印机工作是否正常的装置； ( 1 0 ) 新的搜索和求救信息( s a r ) 在被接收和储存后应立刻显示并触发 警报，直到被读取后取消警报； ( 1 1 ) 在收到和储存除s a r 意外的信息后应向使用者表示出明确的接收到 信息的指示。 2 1 5n a v t e x 接收机组成 n a v t e x 接收机的标准组成框图如图2 2 所示，系统包括接收天线、射频 接收单元、信息处理单元、打印单元、显示单元、电源这几个部分，信号首先 由天线进入射频接收单元，再传送至信息处理中心进行解调和解码工作，接收 信息需进行存储，并可在l c d 显示和打印两者选其一进行信息显示。 8 浙江大学硕士学位论文 图2 2n a v t e x 接收机框图 2 2n a v t e x 国内外研究现状 2 2 1 国外研究现状 n a v t e x 系统由国外制定，从第一台n a v t e x 接收机诞生至今也有3 0 年 时间，因此国外的技术已非常成熟。国外目前研制的接收机以两种类型为主： 第一类基于软件无线电的l c d 显示双通道n a v t e x 接收机，代表有日本 j r c 公司的n c r 3 3 3 1 5 1 和英国m c m u r d o 的n a v 6 、n a v 7 以及日本f u r u n o 公司的n x 3 0 0 。 第二类用p c 机作为后端处理器，前端只预留一个黑匣子来接收模拟信号， 代表有英国b r i s t o l 的w e t t e r b o xw i b 2 和日本f u r u n o 公司的f a x 3 0 。 9 n a k r r e xi 统n 自 星睁曛 国髫= 2 2 2 国内研究现状 田2 3n a v t e x 接收机田片 我国海上安全信息的无线电方式发播主要有表21 中几种，在几种海上安 全信息发播方式中，n a v t e x 业务的发播是i m o 在g m d s s 中规定船舶地面 无线接收安全信息的唯一手段，而且因其自动接收等优点受到广大船舶的欢迎。 表2 1 我国海上安全信息的无线电发播方式 方式 中文英文 内容发播海岸电台 中高频莫尔斯广播 。 气象，航行警告等各岸台( 定时播发仅限 上海、广州两台) 中高额莫尔斯广播 o 气象，航行警告等各岸台( 定时播发仅限 上海，广州两台) 高频无线电传广播 。 航行警告等上海，广州 高频无线电传广播 o 气象，航行警告等 上海，广州 n a v t e x5 1 8 o 气象，航行警告等上海，广州，大连，福 州，三亚 n a v t e x5 1 8 航行警告等上海 根据国际海事组织关于n a v t e x 系统的区域的划分，我国已经先后在三 亚、广州、天津、上海、大连、湛江、福州大连和香港建立了8 个n a v t e x 系统业务海岸电台，链状覆盖了我国沿海4 0 0 海里以内的海域，分别向所辖海 域以5 1 8 k h z 为工作频率发布英文的n a v t e x 系统信息为航行于国际水域的中 浙江大学硕士学位论文 外船舶提供各种航行安全信息。自从n a v t e x 系统运行以来，成功挽救了成千 上万人的生命与财产安全。另外，香港和台湾两地区的航行警告业务也己经开 通了。中文n a v t e x 系统则是在4 8 6 k h z 频率，使用窄带直接印字电报方式用 中文广播和自动接收海上安全信息的系统。 1 9 9 2 年8 月1 日，旨在改善航运安全状况和帮助提高搜寻救助作业效率， 强制性安装n a v t e x 的规范已生效。这些新规则使得总吨位3 0 0 吨及以上的所 有船舶强制要求安装n a v t e x 系统【1 6 l 。根据交通部( ( 关于进行中文n a v t e x 播发的通知，我国于2 0 0 6 年6 月正式开通了中频( 4 8 6 k h z ) 的中文n a v t e x 系统的播发业务。中文n a v t e x 系统的播发内容包括以下信息：航行警告、气 象警告、气象预报以及其他紧急的海上航行安全信息。 国内船只上安装的n a v t e x 接收机几乎全部依赖进口，自主研发的 n a v t e x 接收机型号少，功能简单、非无纸化接收，其性能指标已经不能满足 国际国内航海业的发展需求。同时由于其操作系统都为英语，而我国国内航运 船舶及近海作业的大多数人员的英语能力有限，这对于保障海上人员生命财产 安全存在较大的隐患。 目前国内也有少数的单位学校在研究n a v t e x 接收机，包括大连海事大学 和北京兴兴交通通信工程技术公司等。大连海事大学研究方向为用软件无线电 实现的中英文n a v t e x ，目前还停留在实验室研究阶段。北京兴兴交通通信工 程技术公司与武汉理工大学共同研制的基于模拟解调的n a v t e x 接收机处在 调试阶段。总的来说国内新一代的n a v t e x 接收机都还停留在实验室或者调试 阶段，成熟的产品未见报道。 2 3n a v t e x 发展趋势 以往使用的n a v t e x 接收机的模拟电路非常复杂，要达到所需要的精度会 使接收机占用的体积过大，并且对性能的提高和新功能的增加都会带来困难 最新n a v t e x 接收机设计朝着模块化、数字化、软件化和多样化的方向发展。 模块化指把实现相近功能的部件由同一模块实现，几个基本模块包括：模 拟前端设计，a d 转换模块，d s p 处理、控制模块，信息处理模块，输出显示 模块。 n a v t e x 系统介绍 数字化指对能用数字化电路代替模拟电路实现相同功能，尽量用数字化电 路。数字化电路所带来的好处：一是部分数字电路在不处理数据时可以不消耗 功率( 允许有休眠模式) ；二是数字化设计使用半导体技术，可以很容易的在 不同的制作过程中使用，不需要额外的设计而达到减少消耗功率的目的；三是 相对模拟电路来说，数字电路对温度，压力变化和老化影响敏感度低。 软件化主要指用新兴的软件无线电技术来实现数字下变频的功能。它用软 件编程的方法把由a d 模块转化所得到的中频信号直接解调到基频信号，不仅 可以省去模拟电路的解调模块，同时能够降低对前端模拟电路的要求。 多样化指的是n a v t e x 接收机不仅可以接收n a v t e x 信息，还可以配套 使用g p s 、e c d i s 等。同时在输出模块不仅可以用传统的窄带打印机打印输出， 也可以选择l c d 或连接计算机终端。 2 4 本章小结 本章首先介绍了n a v t e x 系统，分别从概念，发展过程，系统特点，技术 特性和性能指标进行展开，接着介绍了标准n a v t e x 接收机的组成部分，最后 对n a v t e x 接收机国内外现状进行了分写，并给出了n a v t e x 接收机之后的 一个发展方向。 浙江大学硕上学位论文 3 接收机的硬件实现 第二章对n a v t e x 系统，现状及其发展做了介绍，本章将对接收机，特别 是数字板的硬件设计和实现进行详细分析。 3 1 接收机的硬件框图 本文研制的n e v t e x 系统的硬件平台如图3 1 所示，它由模拟模块，数字 模块，显示模块，输入模块四部分电路组成。接收机的工作流程如下：模拟板 选择放大所需接收信号，数字模块控制a d 把模拟信号转换为数字信号，数字 模块对该数字信号进行解码及解调，并把接收信息通过显示模块进行显示，用 户则通过按键模块实现人机交互。 图3 1 接收机硬件框图 接收机的硬件实现 3 2 接收机的模拟模块 模拟模块：对所需的国际通道( 5 18 k h z ) 和本地通道( 4 8 6 4 2 0 9 5 k h z ) 进行 选频放大、滤波、自动增益放大和模数转换，以完成天线信号的放大、整形和 数据采集。 3 3 接收机的数字模块 接收机的数字模块是整个系统的核心模块，具有控制数据采集，信号解调 解码，人机响应，信息处理显示等功能。模拟模块的框图见图3 1 。由于模拟模 块的具体实现由课题组的其他同学完成，此处只做简要描述。 3 3 1 主架构选择 系统采用d s p 和f p g a 的架构，由d s p 和f p g a 构成数字信号处理系统 结构灵活，通用性强，适合模块化设计，能提高算法效率，开发周期短，系统 易于维护和扩展，能满足实时信号处理的要求。 由于超大规模集成电路的发展，过去2 0 年中数字信号处理技术得到了突飞 猛进的发展，这种发展趋势在今后l o 年内仍将保持下去。目前d s p 仍然是电 子工业领域增长最迅猛的领域之一。本系统选择了f r e e s c a l e 公司的以5 6 8 0 0 e 为内核的芯片d s p 5 6 8 5 3 。该芯片不仅仅内完成通常的数字信号处理，本身外围 接口丰富也可作为普通的单片机来使用。在本系统中d s p 主要完成的功能：系 统控制，信号解调，信息处理显示等功能。 d s p 5 6 8 5 3 1 1 7 】特性如下： 内核 - 1 6 位处理器，采用双哈佛结构； - 在1 2 0 m h z 时钟频率下可以达到1 2 0 m i p s 的指令执行速度； 一单指令周期可以完成1 6 1 6 的并行乘一加运算； _ 具有4 个带扩展位的3 6 位乘加器； _ 支持1 6 位双向循环移位； 一 并行的d s p 指令集独特的寻址模式； 1 4 浙江大学硕士学位论文 _ 支持硬件d o 和r e p 循环指令； _ 具有3 条内部地址总线和1 条外部地址总线； _ 具有4 条内部数据总线和l 条外部地址总线： _ 支持d s p 和m c u 两种功能风格的指令系统； 一4 级硬件中断和5 级软件中断； _ 高效的c 编译器，支持局部变量； 一支持软件子程序，中断堆栈空间仅局限于存储器空间大小； - j t a g o n c e 程序调试接口。 m e m o r y _ 片内m e m o r y 一1 2 k 1 6 位程序s r a m - - 4 k 1 6 位数据s r a m - - 1 k 1 6 位引导r o m _ 片外m e m o r y 一可支持2 m 字的程序空间扩展或者8 m 数据空间扩展 一片选逻辑的无粘接接口从r o m 到s r a m 接口 _ 通用1 6 位定时器 一2 个s c i 接口 - 一个s p i 接口 _ 一个增强行的e s s i 接口 _ 看门狗定时器 6 独立的d m a 通道 一8 位并行主机接口 一 日历模块 多达4 1 个g p i o1 ：2 d s p 5 6 8 5 3 在数字模块中的原理图如图3 2 。 接收机的硬件实现 图3 2d s p 原理图 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 耳p 现场可编程门阵列，它是在p a l 、 g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电 路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克 服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。f p g a 的使用非常灵活，同一片 f p g a 通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。f p g a 在通信、数据处理、 网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。目前f p g a 的品种很多，有x i l i n x 公司的v i r t e x 系列、t i 公司的t p c 系列、a l t e r a 公司的s t r a t i x 系列等。 a l t e r ac y c l o n e f p g a 是目前市场上性价比最优且价格最低的f p g a 。因 此本系统选择了a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列的e p l c 6 1 1 9 1 芯片。在本系统中该 1 6 浙江大学硕：学位论文 芯片实现的功能：信号的解码，键盘的译码，液晶的对比度和背光的控制，系 统断电，信号采样。 e p l c 6 特性如下： 成本优化的结构：具有5 9 8 0 个逻辑单元，可用来实现复杂的应用； 嵌入式存储器：具有9 2 1 6 0 b i t s 的存储容量，能够被配置来支持多种操作模 式，包括r a m 、r o m 、f i f o 及单1 2 和双口模式； 外部存储器接口：具有高级外部存储器接口，允许设计者将外部单数据率 ( s d r ) s d r a m ，双数据率( d d r ) s d r a m 和d d rf c r a m 器件集成到复 杂系统设计中，而不会降低数据访问的性能； 支持单端i o ：支持多种单端i o 接口标准，如3 3 v 、2 5 v 、1 8 v 等标准； 时钟管理电路：有两个锁相环( p l l s ) 提供六个输出和层次时钟结构，以及 复杂设计的时钟管理电路； 接口和协议：支持诸如p c i 等串行、总线和网络接口，可以访问外部存储 器件和通信协议如以太网协议。 f p g a 的设计原理图如图3 3 。 1 7 接收机的硬件实现 3 3 2 电源设计 图3 4 f p g a 原理图 电源是整个系统能稳定有效工作的保障，电源选择的好坏直接影响系统的 性能，对本系统的电源需求进行详细分析，得出以下四个需求： 一是接收机需要多组电源，包括：9 v ，5 v ，+ 5 v ，3 5 v ( 可调) ，3 3 v ， 1 8 v ，1 5 v ； 二是n a v t e x 接收机供电规定由船舶主源供电，可选择的输入电压为1 2 v 或者2 4 v ，电压偏差在- + 2 0 之间； 三是电源产生的频率或者倍频不能干扰模拟电路，模拟电路所工作的三个 通道频率分别为4 8 6 k ，5 1 8 k ，4 2 0 9 5 k 。 四是整个系统的功耗不高，大约在2 5 w 左右。 浙江大学硕士学位论文 现市场上主要有两类电源芯片一类为l d o ，另一类为d c d c 。 l d o 是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 f e t ，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。l d o 特点如下： 1 、l d o 主要用在输入电压与输出电压接近的场合，一般用于降压电路。 2 、噪音小，几乎没有，外部只需接少量的器件。 3 、价格便宜，一般的l d o 价格在1 块左右，而d c d c 的芯片一般都在 几块钱，甚至几十块。 4 、小尺寸，一般l d o 的封装是s o t 2 3 或s o t 8 9 ，尺寸很小。 5 、输出电流小。 6 、效率不高。 d c d c 是指把直流变( 到) 直流由开关方式实现的器件叫d c d c 。d c d c 特点如下： 1 、主要用于输入电压与输入电压不接近的场合，它有升压、降压、升降 压和反相等电路。 2 、噪音较大，一般要加电感，与电容一起滤除噪音。 3 、高效率，一般可达9 0 以上。 4 、可持续性工作时间长。 5 、工作电流大。 结合系统电源设计的要求以及市场现有两类电源芯片的分析，进行电源芯 片的选择。 首先考虑输入电压在一个较大的范围内，与之后的输出电压压差较大，前 端选择d c d c 芯片，同时由于d c d c 芯片的噪声较大，系统对电源的噪声有 较高的要求，此处必须仔细选择具体型号。本系统选择了m c 3 4 0 6 3 t 2 0 1 ，它的工 作特性如下： 1 、能在3 0 4 0 v 的输入电压下工作 2 、短路电流限制，低静态电流 3 、输出开关电流可达1 5 a ( 无外接三极管) 4 、输出电压可调 接收机的硬件实现 5 、工作振荡频率从1 0 0 h z 至1 0 0 k h z 6 、可构成升压降压或反向电源变换器 选择此器件的优点在于：首先工作频率可由外部所接电容控制，这样就能 避免对模拟板的干扰。其次大的输入电压范围，满足本系统要求。再次有升压 和负压两种工作方式，可同时用于多组电压产生。最后，输出电流满足系统功 耗的要求。本系统中9 v ，+ 5 v ，5 v 的电压由m c 3 4 0 6 3 电源芯片产生。 除上述提到的3 组电源由m c 3 4 0 6 3 芯片产生，其余的都由l d o 芯片产生， 具体选择芯片s