（通信与信息系统专业论文）新型全数字渔业电台硬件电路的设计与实现.pdf

摘要 摘要 我国的海洋渔业电台通信目前主要还是模拟通信体制 数字系统较传统的模 拟系统具有安全性好和信号速率高等优点 随着海洋渔业的发展需要 数字语音 及数字业务的传输显得越来越重要 论文首先对国内外海洋通信系统的研究现状 研究成果和最新发展趋势进行 了分析 其次 介绍了新型全数字电台的功能和设计要求 分析了数字调制解调 原理以及接收机和发射机的组成 在此基础上进行了系统的方案设计 该方案采 用当今先进的通信技术 网络技术以及嵌入式系统 第三 设计和实现了全数字 渔业电台的硬件 通过优化发射机发射功率 提高接收机的接收灵敏度使通信距 离大为增加 同时采用m s k g m s k 数字调制解调技术 缩短了通信的建立时间 提 高了通信的实时性 第四 根据基于c d m a 网络渔业通信电台的功能和设计要求 在w i n c e 5 0 系统下利用串口和c d m a 模块e m 2 0 0 实现通信 通过a t 指令控制e m 2 0 0 实 现电话 短信 彩信 上网 远程控制等基本功能 此外还完成了电源 音频输 入 音频输出等有关电路的设计 最后 对全文进行了总结 关键词 全数字渔业电台m s l g m s k 调制c d m a 网络电台 a b s n a c t a b s t r a c t i nc l l i mm er a d i oc o m m u i l i c a t i o ns y s t e mf o rm a r i n ef i s h e d a r em a i m y 锄面o g u e c o m m 砌c a t i o n d i g i t a ls y s t e mi ss a f e ra 1 1 dc a nw o r ka tal l i 曲e rr a t ei nc o 瑚 p a r i s o n 谢t h 恤仃a d i t i o 砌o n e w i t l lm ed e v e l o p m e n to fm 撕n ef i s h e t l l e 仃a i l s f e 血go f d i g i t a lv o i c e a i l dd i g i t a ls e i c e si si n o r ea i l dm o r ei m p o i r t 锄t h lt l l i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y t 1 1 e 蜘 a c l l i e v e m e n t sa i l dd e v e l o p m e n t 仃e n do f n a t i o r l a la n di n t e m a t i o n a lm 撕n ef i s h e 巧c o m m l m i c a t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e d s e c o n d l y m ed e s i g nr e q u i r e m e ma n d 缸l c t i o l l a ld e s c r i p t i o no fa1 1 c wt y p ea l ld i g i t a lr a m oi s i n 仃d d u c e d b a s e d0 n 舭埘n c i p l eo f d i g i t a lm o d u l a t i o i l d e i n o d u l a t i o i l la n dm ed e s i 驴 o fr e c e i v e r 龇l d 觚m i 讹r ai n l p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft l l er a d i oi sp r o p o s e d i nw m c h 锹l v a i l c e dc 0 m i m m i c a t i o nt e c h n o l o g y n e 似r o r kt e c l l l l o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e ma r e a p p l i e d t h j r d l y n l e1 l a r d v a r eo ft h ea l ld i g i t a lr a d i oi sd e s i 印e da 1 1 di m p l e m e n t e d 1 k c o m m 血c a t i o nd i s t a n c ei si m p r 0 v e dg r e a t l yb yo p t h i z i n gt l l er a d i op o w e ra n d i r n p r 0 v i i l g l es e n s i t i v i 何t h es e t u pt i m eo fc o m m u i l i c a t i o ni s r e d u c e db yu s i i 培 m s k g m km o d u l a t i o n f o 删y a c c o r d i l l gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ec d m a r a i i i o t 1 1 e 缸1 c t i o l l so fc a l l s m s m m s s u m n gt 1 1 ei n t e m e ta 1 1 dr e m o t ec o 蛐 lc a i lb e r e a l i z e db y 缸锄s m i t t 她a tc o m m a l l dt 0e m 2 0 0m o d u l et h r o u 曲s 面a lp o r t s1 1 1 1 d e r w i n c e 5 0 f u n h e m o r c 也ec 沁u i to fp o w e r i n p u ta n do u t p u to ft h ea u d i oa r e d e s i 印e d f i 腿l l y m et 1 1 e s i si sc o i l c l u d e d b yad i s c u s s i o na 1 1 da 文l i t l m 哪o ft 1 1 ew o r k p r e s e n t c d k e y w o r d 舢ld i g i t a l m s l g m s km o d u l a t i o n r a d i of o rm a r i n ef i s h e r y r a d i ob a s e do nc d m a 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德 本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果 也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切的法律责任 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 学校有权保 留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全部或部分内 容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 同时本人保证 毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于保密 在 年解密后适用本授权书 导师签名 日期丝 里 址丝 日期塑 翌 竺 第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景和意义 海洋覆盖着地球五分之四的面积 蕴藏着极其丰富的资源 现有研究成果表 明 海洋资源种类繁多 海洋生物 石油 天然气 矿产 可再生能源等资源极 为丰富 开发潜力巨大 随着陆地资源逐渐减少 海洋资源显得更加重要 世界 海洋经济必将持续快速地发展 成为世界经济发展中的新增长点 我国是渔业大国 海域辽阔 海岸线长达1 8 0 0 0 公里 海洋渔业水域面积3 0 0 多万平方公里 渔业船舶3 0 万多艘 其中2 0 马力以下2 0 0 0 0 0 多艘 2 0 6 0 马 力渔船6 0 0 0 0 多艘 6 0 2 0 0 马力渔船4 5 o o o 多艘 2 0 0 6 0 0 马力渔船2 7 o o o 多艘 大于6 0 0 马力渔船1 8 0 0 多艘 从事渔业生产的渔民有1 5 0 0 多万人 海水养殖 业 海洋捕捞业在渔业经济中占据主导地位 仍是沿海渔区经济的主导产业 海 洋捕捞生产总值占沿海地区农业产值的一半以上 海洋渔业的特点和海上作业环 境复杂多变 台风活动频繁 行船走马三分险 海上作业存在很大的安全隐患 决定了海洋渔业生产是事故高发行业 这些灾害每年给我国带来的经济损失以百 亿元计算 只有为渔船安上更有效的通信设备 才能有效的减少灾难的发生 但 是 我国的海洋渔业通信在总体上远远落后于当今高速发展的通信技术 不能满 足现代渔业生产 管理及安全救助的需要 近年来 虽然党和政府对渔业安全生 产非常重视 采取了一系列有效措施 但海洋渔业安全形势仍然十分严峻 有效 快捷的通信是预防海难发生 组织海难救助的根本保证 才能最大限度地减少或 避免人员伤亡和经济损失 与此同时 随着中日 中韩 中越渔业协定的实施 2 0 0 海里专属经济区和南沙护渔任务的开展 维护国家主权和海洋权益的任务更 加繁重和艰巨 新形势下的渔业管理 海上执法对渔业通信提出了更高的要求i l 为贯彻落实科学发展观 构建和谐社会 改变我国海洋渔业通信和安全预警 系统建设落后的状况 为构筑海洋渔业安全生产预警 搜救指挥通信平台 加强 对渔业突发 紧急事件的应变能力和处理能力 进一步提高海上事故救助的成功 率 有效保护渔民生命财产安全 保障渔业经济的持续 健康 稳步发展 我国 政府对海洋监测给与了高度的重视 加大对海洋通信技术的扶持力度 提高对海 洋环境的监测和保护能力 2 我国海上通信设施的现状 还不能满足目前和未来船岸 船舶间通信和遇险 报警通信的需要 主要表现渔业通信建设缺少全国统一的发展规划 渔业通信服 务区域相对分散 使得整体功能不能得到有效发挥 通信装备落后 设备老化 服务性能差 短波通信方式通信质量不高 管理困难 电台通信干扰较多 遇险 2 新型全数字渔业电台硬件电路的设计与实现 报警范围和可靠性不高 通信功能单一 随着我国无线电台 站 总量的增加以及 航运船舶数量的日渐增多 海上安全通信受干扰的现象随之增加 影响了海上安 全通信 目前 我国各港口普遍都存在的通信秩序混乱 管理不规范等问题制约 了通信功能的有效发挥 这些问题的存在 严重影响了海上遇险和安全通信保障 能力 3 本课题涉及的渔业电台正是致力于解决传统电台的弊端 在兼容原有电台的 同时采用数字化的调制解调方式实现数字化的通信 能够缩短通信建立时间 增 强通话的保密性 提供更多的数字业务 这样能极大改善渔民生产作业环境 给 渔民提供一个稳定可靠的通信系统 并且在海上紧急情况发生时 能够快速的发 出求救信号 使渔船得到全天候的通信支持 保证渔民的生命和财产安全 切实 的维护渔民的生命财产安全 1 2 国内外研究现状 我国在海洋通信领域的研究起步较晚 技术比较落后 海洋科学与技术的实 力与海洋强国之间还存在很大差距 与此同时 经过几十年来的努力 已取得了 一批成果 开发了一批产品 实现了跨越式发展 显著缩短了与发达国家的差距 上世纪五十年代末 新中国开始关注海洋捕捞渔业的安全通信设施建设 在 沿海各地设立了1 0 0 多个短波电台 使用莫尔斯电报工作方式开展岸台与船台之 间的远距离通信联络 1 9 8 4 年 应渔民所愿 放弃 莫尔斯 推广使用少量单边 带电台 1 9 8 8 年 利用农业部拨付的单边带通信网专项资金 发动并资助渔民购 买单边带电台 从此正式开通单边带电台联络 完成了一项技术革新 渔民普遍 反映通信效果良好 为提高渔业安全生产保障能力 农业部近年开始建设统一的 全国海洋渔业安全通信网 国家已投资近4 0 0 0 万元 该项目由农业部渔业局承 担 渔政指挥中心承办 整合现有通信资源 利用现代化通信技术设备 建立多 层次 多角度 不同距离的通信网络覆盖体系 为渔民生产保驾护航 这项工作 正在整体推进之中 我国现有渔业短波岸台1 0 0 0 多座和数量众多的超短波岸台 有6 万多艘渔船 配备了短波电台 1 7 万多艘渔船配备了超短波电台 以及大量的无线电导航定位 设备 l o 我国现有各沿海地区渔船所使用无线通信设备主要有二种 一 近海渔船作业距离在5 0 海里 主要依靠 近海渔业安全救助通信网 2 7 5 m h z 3 9 5 m h z 渔船用无线电话机 二 7 0 海里以外海上渔船作业主要通信工具依靠进口短波单边带电台进行 通信联系 其工作频率1 6 m h z 3 0 m h z 之间 通信距离远 效果好 第一章绪论 3 1 3 新型电台的提出 在通信技术飞速发展的时代 我们在选择通信设备和通信方式的时候 不仅 仅要综合考虑通信设备费用 对于其通信效果 尤其是发生海上作业事故时的通 信可靠性要额外的关注 随着科技水平的发展和通信设备费用的降低 为一些经 济实力较差的渔业船舶提供了一个改善安全通信能力的良好时机 信息网络与信 息技术 嵌入式的结合 发展和应用 为渔业通信数字化和信息化奠定了坚实的 技术基础 为我国渔业安全通信能力的提高提供了保障 结合现有渔业电台设计 新型全数字渔业电台和c d m a 网络渔业通信电台 图1 1 海上近海渔业通信系统框图 新型渔业全数字电台在兼容原有m s k 信令的同时增加了高速g m s k 信令 高速g m s k 语音调制 在原有电台的基础上实现通话加密 短信传输 图片传输 留言传输等数字业务 c d m a 渔业电台利用现有的中国电信的c d m a 网络基于 嵌入式系统w i n c e 和c d m a 模块实现通话 短信 彩信 留言等功能 并能够 和服务器建立s o c k e t 连接通过网络实现通信等功能 新型渔业电台具有使用方便 经济节约的特点 在保证船舶正常通信的基础上 提供可靠的全球全天候遇险报 警和连续详尽接收海上安全信息的功能 与此同时可以充分利用现代化信息手段 改善渔船管理水平 在沿海开发使用c d m a 网络 虽然不能够完全代替遇险安全 通信 但在短波电台通信系统的基础上又加上了一层保险 加强了近海通信能力 使渔业船舶海上作业时的安全得到了更好的保障f 3 4 新型全数字渔业电台硬件电路的设计与实现 1 4 研究内容及章节安排 本课题来源于与大连某公司的合作项目 渔业全数字船台的设计与实现 和 基于c d m a 网络渔业通信系统的设计与实现 结合课题要求 作者阅读了大 量的传统渔业电台和数字电台方面的资料和文献 通过对传统经典电路的仿真和 对比提出更好的船台数字化的方案 最后设计实现新型全数字渔业电台和c d m a 渔业电台的硬件电路部分 完成新型全数字渔业电台的样机 本文的具体安排如下 第一章简单介绍了本课题的研究背景 研究意义 国内外研究现状以及新型 渔业电台的提出 并对论文结构进行了描述 第二章提出新型渔业全数字电台的设计方案 第三章根据新型渔业全数字电台电源的要求 选择合适的电源芯片完成对电 台各个部分供电的电路设计 根据新型渔业全数字电台接收发射部分的要求 综 合考虑船台的工作环境 工作方式 性价比等因素 选择合适的器件完成收发滤 波器 混频器 发射功率放大器的电路设计 深入学习和研究m s k g m s k 的理 论知识 并且选择合适的m s k 调制解调芯片完成信号的调制解调 采用开关电容 滤波器实现g m s k 的信号调制解调模块的设计 第四章基于c d m a 模块和w i n c e 嵌入式系统 根据c d m a 渔业电台的功能要 求 设计实现c d m a 电台的硬件电路 第五章总结了本文的工作 并对下一步的工作进行了展望 第二章新型全数字渔业电台的设计要求 第二章新型全数字渔业电台的设计要求 2 1 新型全数字渔业电台的性能指标 据了解 全国海洋渔业安全通信网超短波网 是指在渔业超短波频段 2 7 5 3 9 5 m h z 范围内 由农业部在全国沿海统一规划建设的渔业超短波通信基站 岸台与渔业船舶超短波电台所构成的安全通信网络 该网具有船位监测 选呼 群呼 报警 通信和信息管理等功能 承担通信覆盖范围内渔业船舶遇险 紧急 通信 海洋气象预报 搜救协调等安全通信和日常通信任务 根据农业部规划建设的安全通信网络 新型全数字渔业电台的工作频率为 2 7 5 3 9 5 m h z 供电采用宽电压输入 一般情况渔船上配备标称值为2 4 v 的直 流电源 由于渔船海上作业环境的不稳定 常常导致电压波动 因此在设计电台 电源的时要求具有宽电压输入的功能 这样才能适应因不稳定带来输入电压的波 动 在本设计中电压的输入范围为1 8 3 0 v 在工作频率范围内 从2 7 5 m h z 一 3 9 5 m h z 按1 2 5 k h z 信道间隔划分为9 6 0 个信道 信道号依次为1 至9 6 0 其中 频点分布规律为 f j 2 7 5 o 0 2 5 n 一1 l n 4 8 0 r9 1 1 2 7 5 o 0 2 5 n 一4 8 1 0 0 1 2 54 8 1 n 9 6 0 i 一l ul 式 2 1 中 n 为信道号 信令信道和模拟语音信道的信道间隔和带宽均为2 5 z 数字语音信道信道 间隔和带宽均为1 2 5 z 本系统采用数字化m s 删s k 的调制方式 编码中 采用1 2 卷积 交织 交织深度4 0 m s 为了增大通信距离 本系统改善原有电台的发射和接收模块 使发射功率达 到5 0 w 接收灵敏度不大于0 3 州 为了达到更好的接收效果 采用5 0 欧姆天线 阻抗 使驻波比全频道不大于2 5 在改善原有电台的基础上 增加数字通信业务 包括 1 短信 汉字不多于7 0 个 存储总计l o o 条 收发各5 0 条 2 图片 j p e g 格式 不大于3 2 0 2 4 0 点阵 黑白或彩色 存储总计2 0 条 3 留言 不多于1 0 次 每次留言长度不多于5 0 秒 总留言长度不多于5 0 0 秒 4 电话簿 不多于5 0 组 每组可存用户不限 总用户数不超过5 0 0 0 个 6新型全数字渔业电台硬件电路的设计与实现 2 2 新型全数字渔业电台的功能实现及系统框图 根据与大连某公司的横向项目 开发与现有 渔业船用v h f 调频无线电话机 通用技术规范 的m s 列g m s k 系统兼容的半双工全数字语音通信电台 主要工 作有 研制船台的硬件电路及软件功能 通过修改软件 实现协议规定的岸台功 能 采用2 个信道 信令搜索信道 数字化语音信道 模拟语音信道 加入加密 交织 卷积算法 液晶显示 手柄 键盘 控制 汉字输入 短信 图片传输 电话本及留言 实现g p s 模块功能 利用s d 卡存储提供智能渔船信息卡 功能具体实现过程如下 1 半双工电台 采用双信道值守 发射时 接收电路不工作 接收时 两路 接收信道同时工作 发射不工作 一路接收信道用于接收信令信息 另一路接收 信道用于语音 短信及图片信息 收发切换可由单片机和d s p 控制 模拟电路的收发控制信号p i t 由单片机 输出p t t 和f p g a 译码d s p 命令得到的d s pp t t 中的共同控制 控制信号由 f p 认译码d s p 命令得到 2 信令的收发 系统的信令信息速率为4 8 k 1 p s 采用1 2 卷积编码及维特比译码 信令的加 密 卷积 交织 组帧及其逆过程都在f p g a 内部实现的 信令内容组帧 c r c 编码以及校验 信令识别在d s p 内实现 发送时 d s p 将要发射的信令按一定帧 格式组帧后进行c r c 编码 然后将该信令通过并口发送给f p g a f p g a 收到信 令后 存储在片内删中 并对其进行加密 卷积 交织 组帧处理 然后以 9 6 k b p s 的速率送到g m s k 调制芯片调制发送 接收时 f p g a 首先对收到的信 令解帧 然后进行解交织 解卷积 解密 f p g a 通过并口将信令发送到d s p 中 进行解校验及信令识别 3 语音的收发 采用f m 调制模拟话或m s 列g m s k 调制数字话语音通信 f m 调制语音的工作过程可由框图直观看出 数字话采用低速率声码器实现 数字话的语音速率为3 7 5 0 b p s 通过选择声码器片内的f e c 声码器输出的语音 速率为4 k b p s 为保证声码器的正常工作 传输时在每帧数据前加入同步信息 发送时 声码器将4 k b p s 的语音数据送入f p g a 中 f p g a 进行加密 交织 编码 组帧处理 以9 6 k b p s 的速率送入g m s k 调制芯片调制发送 接收时 f p g a 对收到的语音数据去帧同步 解帧 解交织 解密 然后以 4 k b p s 的速率送到声码器中 恢复声音 4 输入显示 第二章新型全数字渔业电台的设计要求 7 单片机利用4 0 1 7 b 芯片进行脉冲分配 实现按键扫描识别 选用3 2 0 2 4 0 的 彩色液晶作为显示屏 液晶自带控制器 由单片机的1 3 个i o 口并行驱动 汉字 字库存储在f l 嬲h 内 编辑短信或输入汉字时 暂存在片内洲中 编辑完毕后 发射或存储短信时 再存到n a n df l a s h 中 面板及手柄见图2 1 i 蚺 o o o o 黜斡龇 就t 晒2 舶s 落 融 眩馘蠊 螋 f 1 2 l 器 开关 音量 回圆圆先蝗 硝 1 2 o 喇叭 甜瓣 i l l 蕊 2 燃 2 回园圃 o 嚣廷 婚3 3 回固圆 f l 二 心t l 临 弘l 销 图2 1 面板按键示意图 指示灯 收发 指示收发状态 发射 显示为红色 接收 显示为绿色 模式 指示工作模式 兼容模式 显示为红色 全数字 显示为绿色 电源 指示通电状态 电源接通显示为红色 功能键 f 1 f 2 f 3 其功能根据液晶屏幕右侧菜单区的提示确定 不同的 显示页面功能不同 液晶 屏幕尺寸 6 3 9 木7 6 9 外观 右侧两列汉字为菜单区 为三个功能键提示 最下面一行为提示显示区 其 余区域作为正常信息或图片显示区 通常情况下 机器面板可显示本船 本机 区号 船号 经纬度 航向 航速及日历时间信息 经纬度 航向 航速要实时 更新 开机后 f 1 为天气键 f 2 为记忆键 f 3 为确定键 按下手柄上的功 能键后 出现系统菜单 可通过上 下 左 右以及取消 o k 键选择语音录音 短信传输 图片传输 f m 特定频点通信 频道记忆扫描等功能 5 短信和图片的收发 设置每条短信最多1 0 0 个汉字 每个汉字采用g b 2 3 1 2 汉字内码的2 个字节 传输 共1 6 b i t 每个英文字母或数字采用1 个字节表示 通过在发射前添加短 信起始标志和短信大小计数的方式 实现系统短信收发起始和终止的识别 发送时 将编辑好的短信存储在n a n df l a s h 中 通过菜单选择发送短信后 单片机通过1 2 c 总线告知d s p 要发送短信以及短信内容在n a n df 1 a s h 中的存储 地址 d s p 收到通信命令后通过e m i f 读取短信内容 加入1 6 b i t c r c 校验 然 后通过并口将数据发送给f p g a 由f p g a 实现加密 卷积 交织 组帧运算 最后由f p g a 以9 6 k b p s 的速率发送给g m s k 调制芯片中调制发送 新型全数字渔业电台硬件电路的设计与实现 接收时 f p g a 实现解帧 解交织 解卷积 解密 然后将数据由并口送到 d s p 内 d s p 实现c i 配校验 并将数据通过e m i f 存储到n a n df l a s h 通过1 2 c 总线告知单片机收到短信及在n a n df l a s h 中的存储地址 最后由单片机读取 n a n df l 嬲h 中的短信内容 并在液晶上显示 图片的收发过程与短信主要区别有两点 一 由于图片的数据量很大 传输 过程中出现少量错误对图片整体效果影响不明显 所以在图片发送前不进行 1 6 b i t c r c 校验 二 图片先接收到d s p 片内r j m 由d s p 实现j p g 解码 边 解码边将解码后的b m p 图片存储到n a n df l a u s h 6 留言及回放 每次留言长度最大为5 0 s 语音为4 k b p s 本地录音时 f p g a 通过声码器进行录音 同时计数已录留言的长度 录音 结束后 f p g a 将留言长度 4 0 m s 整数倍 传送给d s p d s p 将留言存储到n 6 小d f l a u s h 发送时 d s p 通过信令信道发送信令 收到回复信令后跳转到预约的业务信 道发送留言 留言按帧的方式发送 接收时 在信令信道接收到接收留言的信令后 在信令信道发送应答信令 然后切换到预约信道 等待接收语音的帧同步头 收到同步头后 f p g a 按帧处 理语音信息 并将数据发送给d s p d s p 收到数据后 通过e m i f 将数据存储到 n a n df 1 嬲h 并通过1 2 c 总线告知单片机留言的地址 留言播放时 单片机通过1 2 c 总线告知d s p 留言在n a n d f l a s h 中存储的地 址 d s p 通过内部d m a 将m 蝌df l 础中的留言搬移到f p g a 并由f p g a 送 到声码器 7 g p s 读取显示 可以配合的g p s 机有 n m e a 0 l8 3 版本2 o 或3 0 电平为r s 2 3 2 波特 率为4 8 0 0 b i t s 本机的g p s 信息 g p s 模块输出信号为r s 2 3 2 信号 r s 2 3 2 口送到单片机 单片机读取到的g p s 信息存储到n a n df l a s h 中的特定位置和单片机片内r a m 中 本机g p s 信息根据中断实时更新 当需要d s p 获知本机g p s 信息时 可由 n a n df 1 嬲h 获取 信令中传输的g p s 信息由d s p 解调后 存储到n 砧岣f l 础中的特定位置 当需要液晶显示时 可由单片机从n a n df l 嬲h 中获取 g p s 信息 含时间 日期 可以由键盘手动输入 并由单片机送入到n 砧岣 f l 嬲h 和片内删中 8 信息存储 采用s d 卡和n a n df l a s h 第二章新型全数字渔业电台的设计要求 9 s d 卡用于存储船台s i c 信息 只要完成基本读写即可 日后再扩展应用 n a n df l a s h 用于存储本机信息和g p s 信息 电话本信息 短信信息 图片信息 留言信息以及关机前记录本机的状态信息等 本机8 位序列号存储在单片机片内 n a s h 中 只读 本机的区号和船号可以通过键盘和菜单修改 修改时需要输入密 码 9 v c o 的控制 由d s p 的 串口2 控制v c o 芯片实现各种频率 d s p 串口2 设置为s p i 主 模式 f s x 送入v c o 的 e n b 端 在接收信息时 通过送分频计数器方式实现 信令信道的扫频而不引起信息接收信道v c o 的失锁 1 0 外部数据接口 为降低成本 船台上不再设计s d 卡写功能 可以利用s d 卡读写器和p c 机 进行写操作 1 1 f m 通话描述 可由信令跳转到相应的f m 信道上进行f m 通信 或由键盘上的专用按键跳 转到特定的f m 信道上通信 5 m 带 通 m s k g m s k 数字话 短信 调制 丽藏蓓习 争谨憾 恒 廊 v d 2 i 蝴1 卧瘟寇卧孵惦嚣涨 弹焉w 意w 蝴兰鲎 i 辛辨 l 1 褙h 醐撇h 刻 图2 2 新型渔业全数字电台的结构框图 在原有电台的基础上设计硬件电路 接收机采用信令信道和语音信道双信道 职守 控制电路由d s p 单片机 f p g a 完成 具体实现框图如图2 2 所示 根据控制模块所需资源 芯片选型如下 f p g a 采用e p l c 6 d s p 采用t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 单片机采用m s p 4 3 0 f 2 4 1 8 t m s k 调制解调芯片采用c 似4 6 9 a 声码器采用a m b e 1 0 0 0 液晶选用 m t f t q 3 5 s a v l o新型全数字渔业电台硬件电路的设计与实现 f p g a 实现接收信道信号检测 语音和信令的编解码 组帧 交织 校验 声码器控制 s d 卡信息读写以及译码等的功能 d s p 实现d s c 编解码 信令识 别 v c o 的控制 收发切换 s d 卡读写 口g 图片解码以及与单片机和f p g a 的通信 4 3 0 单片机实现键盘扫描 信息键盘输入 液晶显示 g p s 信息读取 电源电压监测以及s d 卡信息读写 第三章新型全数字渔业电台硬件电路的设计 l l 第三章新型全数字渔业电台硬件电路的设计 3 1 新型全数字渔业接收机模块的设计 3 1 1 接收机的基本工作原理 接收机的主要功能是对天线接收到的微弱信号进行放大 变频 滤波并抑制 来自外部的干扰 杂波以及接收机系统内的噪声 使信号保持尽可能多的有用信 息 便于进行迸一步的信号处理 以获得所需目标信号的特征信息 现代接收机根据其体制 用途的差异 可以分为各种不同的组成结构 但是 如果从系统设计的角度来看 任何用途和体制的接收机都可以按其功能和电路特 点分为三个基本组成部分 即接收前端 中频接收机和频率综合器 接收前端一 般包括限幅器 射频滤波器 低噪声放大器 混频器 前置中放和滤波器等 接 收机前端的设计对整个系统的噪声系数 动态范围 灵敏度 增益等重要特征起 着决定性的因素 中频接收机主要包括中频放大器 中频滤波器等 主要负责把 由射频降到中频后的信号进行进一步的处理 提取有用信息给后级进行信号处理 频率综合器也是接收机的一个重要组成部分 它的作用就是以一个高稳定的晶振 为参考 通过倍频 混频放大等来获得接收机所需要的高稳定频率信号 如作为 混频器的本振信号等p 经天线进入接收机的微弱信号首先要经过预选滤波器 预选滤波器主要是为 了抑制进入接收机的外部干扰和噪声 此预选滤波器为一低通滤波器 它的截止 频率略大于接收机的射频工作的截止频率 高频放大器对进入接收机的微弱信号 进行放大 高频放大器一般选择低噪声放大器件 以减少系统的整机噪声系数 对于不同用途的接收机 射频滤波器可能放置在低噪声放大器之前或者之后 滤 波器放在放大器之前 对接收机的抗干扰和抗饱和能力很有好处 但是滤波器的 插入损耗增加了接收机的噪声系数 导致系统灵敏度降低 滤波器放在低噪声放 大器之后 降低系统的噪声系数 可以提高接收系统的灵敏度 但是抗干扰和抗 饱和能力较差 3 l 高放 一赣h 槲波m 哥剖解调j 图3 1 接收机工作流程图 1 2 新型全数字渔业电台硬件电路的设计与实现 混频器将射频信号变换为中频信号 中频信号容易进行匹配滤波 混频后的 中频信号一般需要通过几级中频放大器进行放大 可以通过第一级混频和第二级 混频选择合适的中频信号 通过中频滤波器来滤除混频器产生的各种不需要的变 频频率分量 如果信号的动态范围比较大还可根据需要加入中频增益控制电路 考虑到器件成本 增益 稳定性 选择性等 一般希望使用的中频低一些 但当 信号为宽频带时 就需要使用较高的中频频率 3 1 2 接收机的性能指标 3 1 2 1 系统的噪声 对于接收机而言 从理论上讲 如果没有噪声 那么不论输入信号多么微弱 接收机都可以充分的把它放大 滤波 使信号能够被检测出来 但在实际工程中 是不可能实现的 因为接收机在接收和检测有用信号的同时 会不可避免地混入 某些干扰和噪声 这些同样被放大的干扰和噪声会影响对目标信号的检测 接收机噪声的来源是多方面的 主要有两种 内部噪声和外部干扰 从接收 机的内部来说 电路中的电阻元件 放大器 混频器等都会产生噪声 从接收机 的外部来说 噪声是通过天线引入的 有天线热噪声 天电干扰 宇宙干扰 电 源干扰和工业干扰等 噪声是限制接收机灵敏度的根本原因 为了描述接收机的 内部噪声对系统的影响 引入噪声系数的概念 因此为了达到更好的接收效果 要尽量减少噪声的引入 3 1 2 2 噪声系数 噪声系数是用来衡量部件 如放大器 和系统 如接收机 的噪声性能的重 要参数 而噪声性能的好坏又决定输出端的信号噪声功率比 当信号一定时 噪 声对系统的性能影响主要表现在信号与噪声的相对大小 既信号噪声功率上 对 于接收机来说输出端的信噪比越大 接收到的语音信号就会越清楚 引 剐m 线性电路 瓦帆 t n 图3 2 线性四端网络 如图3 2 一个线性四端网络 它的噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比 s 与输出端的信号噪声功率比 s d 的比值 即 第三章新型全数字渔业电台硬件电路的设计 1 3 坼 黼 嬲 p s d 疋 d v v 图3 2 所示巧为电路的功率传输系数 或功率放大倍数 n 为表现在输出 端的内部附加噪声功率 考虑巧 s s 武 3 1 可以表示为 坼 粤 毕 3 2 n i k p n i 7 n f 型 垦e 型 型笠 l 生笠 n in i 3 3 式 3 2 式 3 3 也可以看作是噪声系数的另外一种定义 式 3 2 表示噪声 系数等于归于输入端的总输出噪声与输入噪声之比 式 3 3 是用归于输入端的 附加噪声表示的噪声系数 噪声系数通常用m 表示 用d b 表示的噪声系数为 岫0 l g 即0 l g 嬲d b 3 4 由于输入端的信号噪声功率比 s 总是大于输出端的信号噪声功率比 s 故噪声系数的数值总是大于1 其d b 数为正 噪声功率是与带宽b 相联系的 对于白噪声 噪声功率与带宽b 成正比 但 是线性系统一般是有频响的系统 k 随频率变化 而电路内部的附加噪声n 一般情况并不是白噪声 其输出噪声功率并不与带宽b 成正比 为了不使噪声系 数依赖于指定的带宽 最好用一规定的窄频带内的噪声功率进行定义 在国际上 如按m e e 的标准 式 3 2 定义的噪声功率是按每单位频带内的噪声功率定 义的 也就是按输出输入功率谱密度定义的 由式 3 1 可以看出 信号功率e 墨是成比例变化的 因而噪声系数与输入信号大小无关 但是由式 3 1 式 3 2 式 3 3 可以看出 噪声系数与输入噪声功率m 有关 如果不给m 以明确的规 定 则噪声系数就没有意义 为此 在噪声系统的定义中 规定m 为信号源内阻 足的最大输出功率 从根本上讲 噪声系数的计算都是根据其定义进行的 如开路电压法 短路 电流法等 噪声系数的定义是针对四端网络的 对于四段网络 用额定功率法计 算噪声系数更为简单 无线电设备都是由许多单元级联而成的 研究噪声系数与 各级网络的噪声系数之间的关系有非常重要的意义 它可以指明降低噪声系数的 方向 在多级四端网络级联后 如果已知各级网络的噪声系数和额定功率增益 1 4新型全数字渔业电台硬件电路的设计与实现 就能十分方便地求得级联四端网络的总噪声系数 这是采用噪声系数带来的一个 突出的优点 级联的四端网络 可以是无源网络 也可以是放大器 混频器等 现假设有 两个四端网络级联 如图3 3 所示 尼硒人第一级 n 1 卜 第二级 莎v n f 2 k p m 2n nk 矾 图3 3 曲级四瑞网络 它们的噪声系数和额定功率增益分别为坼 坼 和 l 各级内部 的附加噪声功率为n n 正等效噪声带宽均为b 级联后总的额定功率 b 木b 等效噪声带宽仍为b 根据定义 级联后总噪声系数为 坼2 南 3 5 式 3 5 中 o 为总输出额定噪声功率 它由三部分组成 经两级放大的输入信号 源内阻的热噪声 经第二级放大器的第一级网络内部的附加噪声 第二级网络内 部的附加噪声 即 口 b 肿 2 口l 口2 3 6 按噪声系数的表达式 口 和虬 可分别表示为 口 坼 一1 拙 3 7 口2 f 2 一1 k 册2 忌皿 3 8 则 口 k 朋忌绉 b l k 朋2 坼l 1 七绉 2 坼2 1 七册 坼 f 一1 七船 3 9 将上式代入式 3 5 得 坼吡 等 3 1 0 由公式 3 1 0 不难推广到更多级级联网络中 公式 第三章新型全数字渔业电台硬件电路的设计 1 5 坼 f 生i 坐 二 十 丛 3 1 1 k 册lk 册l j 2k 朋l k 胛2 k 册3 7 从公式 3 1 0 和公式 3 1 1 可以看出 当网络的额定功率增益远大于l 时 系统 的总噪声系数主要决定于第一级的噪声系统 越是后面的网络 对噪声系统的影 响就越小 这是因为越到后级信号的功率越大 后面网络内部噪声对信噪比的影 响不大了 因此 对第一级来说 不但希望噪声系数小 也希望增益大 以便减 小后级噪声的影响 如果第一级器件的噪声系数增益足够大 那么它后端所有器 件对整个系统噪声系数的影响就微乎其微 系统噪声系数就可以达到和第一级器 件的噪声系数几乎相同的水平 由此可见 降低噪声系数的主要方法就是在系统 前端选用低噪声 高增益的放大器 8 j 使第一级的噪声系数小 增益大 3 1 2 3 系统的灵敏度 对于接收机来说 接收微弱信号的能力 可以用一重要指标一灵敏度来衡 量 所谓灵敏度就是保持接收机输出端一定信噪比时 接收机输入的最小信号电 压或功率 设接收机有足够的增益 因此 灵敏度是噪声系数的另一种表示形式 表述的是相同的意思 3 1 1 通常用能够辨别的最小信号功率 来表示接收机的灵敏度 接收机的灵敏 度受到多种因素的影响 其计算公式为 趾 螺船喏 面 3 1 2 式 3 1 2 中 k 为波尔兹曼常数 妖1 3 8 幸1 0 2 3 j k 在常温工作条件下 瓦 可取为2 9 0 k f 为系统噪声系数 b 为接收机的工作带宽 一般取为中频带宽 畴 血表示系统要求的输出最小信噪比 有时也称为识别因子 记为m o 对式 3 1 2 进行变换 用分贝数表示 并带入相关数据 则进一步可得 一1 7 4 l g b 胛 一锄 3 1 3 其中 表示接收机的灵敏度 单位为碰砌 胛为接收机的噪声系数的分贝数 单位为扭 b 为接收机的带宽 单位为忽 1 6 新型全数字渔业电台硬件电路的设计与实现 睁 曲为接收机系统所要求的最小输出信噪比 单位为如 v d 对于同一个接收机系统 如果采用不同的信号检测技术 可以获得不同的接 收灵敏度 为了定量的描述一个接收机系统所能达到的灵敏度指标 通常把输出 端信噪比为1 时所对应的输入信号电平定义为接收灵敏度 接收机的灵敏度要依赖一些其他的参数才能确定 如所接收信号的中频带宽 信噪比 以及接收机的噪声系数等 为了提高接收机灵敏度 可以采用以下几种 途径 1 尽可能的降低接收机的噪声系数 由于接收机的灵敏度受噪声电平的限 制 因此要提高灵敏度 就必须减小接收机的内部噪声 尽量采用低噪声器件 降低整个系统的噪声系数 2 减小接收机的系统带宽 接收机的系统带宽越大 其灵敏度越低 带宽每 增加一倍 灵敏度就降低3 d b 3 减小接收机系统的识别因子 亦即在保证接收机正常工作的前提下 提高 系统在低输出信噪比条件下的信号处理能力 努力提高系统信号处理的水平 以 降低后端的信号处理对接收机输出信噪比的要求 从而提高系统灵敏度 在本电台的接收机设计中 努力增加第一级放大器的增益 降低其噪声系数 通过减小调制信号的带宽等方法增加系统的灵敏度 3 1 3 接收机电路实现及测试 由天线接收的射频信号经继电器 低通滤波器电路选出有用信号 第一级放 大器将弱信号调谐放大 再经过一个三级的调谐网络后输入到混频器 混频器把 高频信号搬移到中频 信令信道搬移到2 1 4 m h z 语音信道搬移到1 0 7 m h z 中 频信号分别输入到m c 3 3 6 l m c 3 3 5 7 解调芯片解调出g m s 列m s k 信号或者语音 基带信号 解调出的g m s m s k 信号或者语音基带信号再送往高速低通滤波器 m s k 调制解调芯片处理或者直接将语音基带信号直接送往语音功放电路 新型渔业全数字电台接收机普遍采用两次变频方案 而且将第一级混频选得 高些 通常第一级混频选用1 0 7 m h z 和2 1 4 m h z 这样有利于提高对中频和像频 的抑制比 同时选第二级混频低一些 一般选取4 5 5 k h z 以保证邻道选择性 高频放大器增益大小是由接收机要求的灵敏度和抗干扰性能而定 高放增益 大 混频器的输入信号电平就高 相对来讲 混频器噪声的影响就小 接收机的 灵敏度主要取决于高放前端噪声 高放增益大时 干扰在高放 混频器的电平也 会很高 由非线性失真引起的干扰影响就严重 相反 高放增益小 混频器的输 第三章新型全数字渔业电台硬件电路的设计 入信号电平就低 干扰电平也相应降低 非线性失真就减小 一般高放增益约1 0 d b 左右 整机主要增益由调谐高放承担 基于面分析我们设计语音信道如图34 所示 图36 低通滤波器s l l 性能图 新型全数字渔业电台硬件电路的设计与实现 圈37 低通滤波器s 2 1 性能图 如图37 所示 2 75 h 假z 的信号经过低通滤波器的衰减为 06 9 d b 3 95 m h z 的的信号经过低通滤波器的衰减为 16 9 d b 滤波器的截止带宽为4 3 加也 电台 所用频段2 75 m 眩3 95 h 俄z 的射频信号能顺利通过 图38 三级匹配调谐阿络原理图 嘤 一霪一 霉 第三章新型全数字渔业电台硬件电路的设计 射频信号通过滤波器 第一级放大器将弱信号放大 再经过一个三级的调谐 选频网络后输入到混频器 在混频器中和v c 0 信号混频把高频信号搬移到中频 l o 7 m h z 如图3 8 所示为三级匹配调谐网络 因为是三级的级联网络 所以这个网络 的调谐选频作用不是由某一级网络决定的 而是由三级网络相互联系 相互影响 共同作用的结果 园此在调试的时候 不能通过示波器来确定网络对信号是否达 到最大的放大状态 因为每一级的变动都会引起另外两级的网络对不同频率的调 谐放大作用 鉴于这个原因 选用安捷伦e 5 0 1 7 b 网络分析仪对三级调谐网络统 一调试 调试三级调谐网络中的中周线圈使其增益在工作频率区间获得最大 2 75 m h