（通信与信息系统专业论文）新型navtex接收机的设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 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和 自动接收海上安全信息的系统，是全球海上遇险与安全系统( g m d s s ) 的重 要组成部分之一。 传统的n a v t e x 无线接入系统采用窄带直接打印( n b d p ) 的工作方式， 功能单一、智能化程度低，已经不能适应现代航运发展的要求了。随着通信 技术的飞速发展，通信系统由模拟体制不断向数字体制过渡，充分利用现在 已经成型的技术对无线接入系统进行改造，使其智能化、功能多样化，已经 成为必须。 本论文详细介绍了n a v t e x 系统。根据当前该系统存在的不足之处，提 出采用软件无线电技术和d s p 技术对n a v t e x 后端接收信号进行数字化处 理。本设计利用软件无线电的思想，首先根据带通采样原理对接收的 n a v t e x 信号进行采样，然后把采样信号送入d s p 中进行滤波、解调、自 检信号的生成等一系列处理。对各种算法进行了最优的选择，最终完成了信 号的接收。同时完成了d s p 目标板的设计与调试，最后在该电路板上对接收、 解调和译码的算法进行研究和实验。最终实现了对n a v t e x 信号的正确接 收。 本文研究的内容适合现代航运的发展要求，对于我国的经济开发具有重 要的作用。由于智能化处理安全信息、导航信息，使之更符合现代船舶管理 系统的要求。 关键词：n a v t e x ；数字信号处理；软件无线电 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t n a v t e xi sas y s t e mu a n s m i a i n ga n dr e c e i v i n gt h es e c u r i t yi n f o r m a t i o n o f f s h o r eb a s e do nn b d p , i so n eo f t h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so fg m d s s t h et r a d i t i o n a ln a v t e xs y s t e mw o r k sb yn b d p , w h i c hc a n n o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h em o d e mo c e a ns h i p p i n gd e v e l o p m e n t w i t h t h e r a p i d l y d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m su p d a t e f r o ma n a l o g u et o d i g i t a l ，a ni m p r o v e dn a v t e xs y s t e mi sr e q u i r e d n a v t e xr e c e i v e rs y s t e mi s e x p a t i a t e di n t h i s p a p e r a c c o r d i n g t ot h e s h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a ls y s t e m ，an e w m e t h o do fp r o c e s s i n gt h er e c e i v e d s i g n a lu s i n gt h es o f t w a r er a d i oa n dd s pt e c h n i q u e si sa d o p t e d b a s e do nt h e s o f t w a r er a d i ot e c h n i q u e s ，t h er e c e i v e ds i g n a li sb a n d - p a s ss a m p l e d ，a n dt h e nt h e s a m p l e ds i g n a l i sd e l i v e r e dt ot h ed s p sw h i c hp e r f o r mt h ef u n c t i o n ss u c ha s f i l t e r i n g ，d e m o d u l a t i o na n ds i g n a lg e n e r a t i n g d i f f e r e n tp r o c e s s i n gm e t h o d sa r e d i s c u s s e da n ds o m eo ft h e ma r ec h o s e dt op e r f o r ms i g n a li nr e c e i v e la tt h es a m e t i m e ，t h ed s pk i ti sd e s i g n e da n dt e s t e d ，t h ep r o p o s e dm e t h o di nt h i sp a p e ri s p e r f o r m e di nt h i sk i t ，w h i c hc a nr e c e i v ea n dp r o c e s st h en a v t e xs i g n a l t h ed e s i g nw h i c hi s p r e s e n t e d i nt h i s p a p e rm e e t st h ed e v e l o p m e n t r e q u i r e m e n t so ft h em o d e mo c e a ns h i p p i n ga n dh a sa ni m p o r t a n te f f e c to ni t s e c o n o m yd e v e l o p m e n t t h es y s t e m c a np r o c e s st h e s e c u r i t y a n dn a v i g a t i o n i n f o r m a t i o na p t i t u d i n a l l y ，w h i c hm a k ei ts u i t a b l ef o rt h em o d e ms h i p p i n g m a n a g e m e n tr e q u i r e m e n tm u c h m o r e k e yw o r d s ：n a v t e x ，d s p , s o f t w a r er a d i o 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。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) ：查彩 日期：z 卯2 年月谚日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 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和 自动接收海上安全信息的系统，是全球海上遇险与安全系统( g m d s s ) 的重 要组成部分之一。全球海上遇险与安全系统( 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与安全通信，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。全世界已有5 0 多个国家建立了n a v t e x 系统，所使用的基 本语言是英文。我国己在上海、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，以5 1 8 k h z 为工作频率播 发航行警告和安全信息。自运行以来，成功挽救了成千上万人的生命与财产 安全【1 】o 传统的n a v t e x 无线接入系统采用窄带直接打印( n b d p ) 的工作方式， 功能单一、智能化程度低，已经不适应现代航运发展的要求。随着通信技术 的飞速发展，通信系统体制不断更新换代，充分利用现有成熟技术对无线接 入系统进行改造，使其智能化、功能多样化，是一种必然趋势。 数字信号处理技术由于它自身突出的特点：精度高、灵活性大、可靠性 高和时分复用，已广泛应用于通信、图像处理、测量与控制、多媒体技术、 生物医学工程、以及机器人等各个领域。而数字信号处理器( d s p ) ，是一种 特别适合于进行数字信号处理的微处理器。d s p 的有效的体系结构使它可以 达到实时的要求。它独特的多处理器结构等特点，使得它在处理速度和运算 精度方面体现出了非常优越的性能。随着超大规模集成电路( v l s i ) 技术和 计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术在通信领域中己有了广泛的应用。 特别是在软件无线电收发机中，运用d s p 技术可方便地对频段、调制解调方 式、滤波器特性等进行编程控制，极大地提高了通信设备的性能和设计的灵 活性。不难看出，d s p 技术在通信设备中的应用必将发挥日益广泛的作用【2 j 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 综上所述，研究一种基于d s p 的新型n a v t e x 系统接收机的设计已经 成为必须，符合社会经济的发展和科学技术进步的趋势。 1 2 数字信号处理技术 自从2 0 世纪8 0 年代初期第一片数字信号处理器芯片( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r s ，简称d s p s ) 问世以来，d s p s 就以数字器件特有的稳定性、 可重复性、可大规模集成、特别是可编程性和易于实现自适应处理的特点， 给数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 的发展带来了巨大机 遇。并使得信号处理手段更灵活，功能更复杂，应用领域也拓展到国民经济 生活的各个方面。近年来，由于半导体制造工艺的发展和计算机体系结构等 方面的改进，d s p s 芯片的功能越来越强大，这使得信号处理研究的重点在很 大程度上可以放在软件算法上，而不用像过去那样需要过多的考虑硬件实现。 而且随着d s p s 运算速度的提高，能够实时处理的信号带宽也大大增加，数 字信号处理的研究重点也由最初的非实时应用转向了高速实时应用。 信号处理的实质是对信号进行变换，目的是获取信号中包含的有用信息。 数字信号处理就是用数字的方法对信号进行变换，以获取有用信息，如离散 傅立叶变换( d f t ) 就是我们最常用的d s p 算法。实时指的是系统必须在有 限的时间内对外部输入信号完成指定的处理，即信号处理的速度必须大于等 于输入信号更新的速度；而且从信号输入到处理后的信号输出的延迟必须足 够小。 实时信号处理的速度对不同类型的信号可以相差很大。如对一个音频信 号用4 0 k h z 时钟进行采样，假设采样数据为1 6 b # ，那么这个信号的数据率 就是8 0 k b s ，它对实时处理速度的要求只需其每秒可处理8 0 k b 的数据即可。 但是对于一个每帧5 1 2 5 1 2 1 6 b i t ，3 0 帧s 的图像信号，其数据率是 1 5 7 m b s ，因而它至少需要实时处理速度能达到每秒处理1 5 7 m b 的数据量。 由此可知，对实时信号处理的速度要求是与相应的模拟信号带宽和数据格式 ( 字长，维数) 相关的。 为了快速实时的完成数字信号处理运算，d s p 芯片一般具有这样一些特 点： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法运算 独立的数据空间和程序空间，可以同时访问指令和数据 片内具有快速多总线结构的r a m 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 快速的中断处理和硬件i o 支持 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 可以并行执行多个操作 支持流水线操作，使取码、译码和执行等操作可以重叠执行 目前单片d s p s 的主频最高己达到1 t g h z ，处理能力高达近 9 0 0 0 m i p s ( 每秒百万条指令) 。这使得实时信号处理的应用空间越来越广阔。 1 2 1d s p 处理器与通用处理器( g p p ) 比较 考虑一个数字信号处理的实例，比如有限冲击响应滤波器( f i r ) 。用数 学语言来说，f i r 滤波器是做一系列的点积运算。取一个输入量和一个序数 向量，在系数和输入样本的滑动窗口间作乘法，然后将所有的乘积加起来， 形成一个输出样本。 类似的运算在数字信号处理过程中大量地重复发生，使得为此设计的器 件必须提供专门的支持，这促成了d s p 器件与通用处理器( g p p ) 的分流： 1 、对密集的乘法运算的支持 g p p 不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的g p p ，也要求多 个指令周期来做一次乘法。而d s p 处理器使用专门的硬件来实现单周期乘 法。d s p 处理器还增加了累加寄存器来处理多个乘积的和。累加寄存器通常 比其他寄存器宽，增加的位宽用来避免运算溢出。同时，为了充分体现专门 的乘法一累加硬件的好处，几乎所有的d s p 的指令集都包含有显式的m a c 指令。 2 、存储器结构 传统上，g p p 使用冯诺依曼结构。这种结构中，只有一个存储器空间 通过一组总线( 一个地址总线和一个数据总线) 连接到处理器核。通常，做 一次乘法会发生4 次存储器访问，用掉至少四个指令周期。 大多数d s p 采用了啥佛结构或者改进型的哈佛结构，将存储器空间划分 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成程序空间和数据空间。存储器空间至少有两组独立的总线连接到处理器核， 允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的带宽加倍，更重要的 是处理器核可同时获取数据与指令。在这种布局下，d s p 得以实现单周期的 m a c 指令。 3 、零开销循环 如果了解到d s p 算法的一个共同的特点，即大多数的处理时间是花在执 行较小的循环上，也就容易理解，为什么大多数的d s p 都有专门的硬件，用 于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检 查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1 。 与此相反，g p p 的循环使用软件来实现。某些高性能的g p p 使用转移预 报硬件，几乎达到与硬件支持的零开销循环同样的效果。 4 、定点计算 很多d s p 使用定点计算，而不是使用浮点。虽然d s p 的应用必须十分 注意数字的精确，用浮点运算容易实现得多，但对d s p 来说，价格廉价也是 非常重要的。定点处理器对比相应的浮点处理器在结构上要简单，价格也要 便宜一些。为了不使用浮点运算而又保证数字的准确，d s p 处理器在指令集 和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位。 5 、专门的寻址方式 d s p 处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和 算法是很有用的。例如，模块( 循环) 寻址( 对实现数字滤波器延时线很有 用) 、位倒序寻址( 对f f t 很有用) 。这些非常专门的寻址模式在g p p 中是 不常使用的，只有用软件来实现。 6 、定点d s p 指令集 定点d s p 指令集是按两个目标来设计的：使处理器能够在每个指令周期 内完成多个操作，从而提高每个指令周期的计算效率；将存贮d s p 程序的存 储器空间减到最小( 由于存储器对整个系统的成本影响甚大，该问题在对成 本敏感的d s p 应用中尤为重要) 。 为了实现这些目标，d s p 处理器的指令集通常都允许程序员在一个指令 内实现若干个并行操作。例如，在一条指令包含了m a c 操作，即同时的一 个或两个数据移动。在典型的例子里，一条指令就包含了计算f i r 滤波器一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 节所需要的所有操作。这种高效率付出的代价是，其指令集功能既不直观 也不容易使用r 与g p p 的指令集相比) ，完成的功能非常有针对性。 1 2 2 实时d s p 处理系统 1 2 2 1 实时d s p 系统的构成 由于实时信号处理系统所要处理的信号多为自然信号，因此必须通过传 感器将自然信号转换为电信号，另外要对自然界的信号进行数字处理，就必 须通过a d 子系统将其转换为数字信号；d s p 子系统对数字信号处理完成后， 有时还需要通过d a 子系统把处理后的数字信号转换为模拟信号。图1 1 是 一个完整的实时d s p 系统框架图，在整个系统中，d s p 子系统是核心。下面 主要介绍d s p 子系统的实现和构成。 模塑岖蔓卜怔丑区 骘 12 2 2 d s p 子系统 图1 1 实时d s p 处理系统 在现有的技术条件下，上面的d s p 子系统有六种实现方法： 在通用计算机上用软件实现 在通用计算机系统中加入专用的加速处理机 通用单片机( 用于数字控制等不太复杂的数字信号处理，如i n t e l 的 m c s 5 1 系列) 通用可编程d s p s 芯片 专用d s p s 芯片 基于通用d s p s 核的a s i c ：在用量较大的通信、硬盘控制等领域， 一些d s p s 厂商提供一种基于d s p s 核心的a s l c 设计和生产服务， 即用户可以在通用d s p s 的c p u 基础上选用所需要的外设接口、存 哈尔滨工程大学硕士学位论文 储器等资源，并在片内固化所需软件 上述方法中，第一种方法的运行速度较慢，不适合于实时数字信号处理， 一般只用于d s p 算法的仿真；第二种方法和第五种方法一样具有很强的专用 性，应用受到限制；第三种方法不适合用于乘加运算为主的运算密集型d s p 算法；第四种通用可编程d s p s 芯片，由于其可编程性和强大的处理能力， 在实时d s p 领域居于主导地位。另外在批量应用中，基于通用d s p s 核的 a s i c 由于较好的系统性价比也在近几年得到广泛应用。因此在本设计中我 们采用了第四种方法。 1 3 主要研究内容 本课题的研究内容是新型n a v t e x 无线接入系统项目中的一部分。在新 型的n a v t e x 无线接入系统中，利用i m o 所指定的传输本国语言n a v t e x 信息频率( 4 9 0 k h z ) 发布附加的定位信息，同时利用l o r a n 导航系统和北斗 导航系统的资源，使新型接入系统增加多模无线电导航功能；利用软件体系 结构使接入系统具有智能化信息处理能力。 在本设计中主要是对n a v t e x 后端接收信号进行数字化处理。完成了 d s p 目标板的设计与调试，最后在该电路板上对接收、解调和译码的算法进 行研究和实验。 本设计采用全数字电路设计，它与现在使用的n a v t e x 接收机相比主要 有以下的优点： 1 硬件电路稳定、通用、易维护：数字电路以数字方式处理信号，电路 的稳定性好，基本不受环境、器件个体性能差异因素影响。电路设计 完成以后可以大量复制，无需电路调试。 2 算法由软件实现：随着数字信号处理理论的发展，可以在通用的硬件 平台上用不同的算法实现不同的功能。 3 集成化程度高，体积小，经济实用。 4 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功率消耗的目的，降低了电路的复 杂性。 系统设计中的主要任务是前期准备，硬件制作和软件调试三部分。前期 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 准备包括查阅各种关于n a v t e x 系统的资料，根据该系统的实际特点和性能 要求，选取最合适的方法进行后端信号的接收与捕获。同时查阅各种芯片的 资料，选定合适的外围芯片进行硬件电路设计；根据选择的算法编写相应的 程序，在目标板上进行调试。 论文在第二章中详细介绍了当前的n a v t e x 系统和新型的n a v t e x 系 统。在第三章中详细介绍了接收系统的硬件实现，在本章中通过查阅芯片资 料和设计要求选择了合适的芯片进行了硬件电路的设计。在第四章中详细介 绍了d s p 处理系统的软件实现，通过对各种算法的研究编写了相应的程序完 成了信号的采样、抽取、滤波、解调和自检信号产生等功能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章n a v t e x 系统介绍 2 1 n a v t e x 系统简介 随着海上通信技术的发展，特别是于1 9 9 9 年2 月1 日起全面实施的全球 海上遇险与安全系统，使海上遇险与安全通信的概念发生了巨大的变化，极 大地改善了船舶的航行安全及海上船舶的搜寻、救助能力。 g m d s s 4 l 依赖于两种通信技术播发海上安全信息，一种是n a v t e x 系 统，它以中频无线电方式覆盖众多的沿海区域；另一种是卫星通信，以增强 型群呼的方式覆盖在全部的i n m a r s a t 海区和某些特定的沿海区域。 n a v t e x 系统是以直接窄带印字电报方式发送和自动接收海上安全信息的 系统，为保证船舶航行安全发挥着极其重要的作用，也是全球海上遇险与安 全系统中重要的组成部分。它通常由n a v t e x 业务协调站、n a v t e x 发射 台和n a v t e x 接收机三大部分所组成。n a v t e x 协调站协调或制作n a v t e x 报文，然后通过n a v t e x 发射台，以5 1 8k h z 的频率向所覆盖海域的各种船 舶发布海上安全信息：所有装备奈伏泰斯接收机的船舶可以有选择地自动接 收并打印所需要的各类信息，而特殊信息如标志为a ( 航行警告) 、b ( 气象 警告) 、d ( 搜救信息) 和l ( 航行警告) 的信息除外1 5 j 。 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。国家n a v t e x 业务是指在5 1 8k 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i n ( 或本地区) 语言的海上安全信息。 2 2n a v t e x 系统的特点 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，在达 到要求的频率稳定度下，便可作为n a v t e x 发射设备使用。因此，在播发方 面有很多优点： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 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 0w ，夜间可调低为1 5 0 - - 2 0 0 w ，其覆盖范围可达4 0 0nm i l e ； 2 由于使用5 1 8k h z 和4 9 0k 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； 3 n a v t e x 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 信息，每次1 0 m i n ； n a v t e x 接收设备对于船上使用人员来说具有下列优点： 1 它能够自动接收与航行有关的警报，即航行警报，气象预报和其它海 上安全信息： 2 n a v t e x 接收机体积小、重量轻。它主要包括射频接收单元、信息处 理单元和微型打印单元，可安装在船舶驾驶台内，占据很小的空间； 3 能够自动打印报文输出，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，不必重新抄写： 4 n a v t e x 接收机不会重复打印同一份报文，对于紧急信息立即接收， 不会延误与遗漏； 由于n a v 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 个航行警告区域( n a v a r e a s ) ，协调n a v t e x 信息的发布。1 6 个航行警告区的5 4 个沿岸国家已经建了或着手建立9 0 多个n a v t e x 发射台，基本上覆盖了全球海洋。在每个区域内，按地理位置 依英文字母a ，b ，c 的次序确定电台的标识。各台所赋予的英文字母称为发 射台及其覆盖海域的识别码。 我国位于n a v a r e a s 的第1 1 区，从南到北电台标识依次为：l ( 香港) 、 m ( 三亚) 、n ( 广州) 、o ( 福州) 、q ( 上海) 、r ( 大连) 。 每个发射台在识别字母决定以后，它的发射时间也被确定。而且各组的 6 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 8k h z 和4 9 0k h 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 q 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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，便于存档。 n a vt e x 系统播发的报文种类用如下的识别字母表示： a ：航行警告 b ：气象警告 c ：冰况报告 d ：搜救信息 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 ：其他电子导航系统电报 l ：航行警告( 附加) m u ：保留待定 v y ：特别业务 z ：现无电报 这些信息各自由一个协调台汇总，然后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。 n a v t e x 发射台的主要规范： 功能单信道m f 发射机 频率5 1 8k h z & 4 9 0k h z 频率稳定度士1 0h z 寄生辐射射频谐波和噪声均低于主信号4 0d b 天线电容范围4 0 0 一t 2 0 0 p f 调制f i b ( f s k 数据，1 7 0 0 士8 5 h z ，1 0 0 波特) 电源交流2 2 0 v 环埔萼求 l n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发射机：温度为0 到+ 5 0 摄氏度 湿度在+ 3 5 摄氏度为9 5 天线部分：温度在- - 3 0 到+ 7 0 摄氏度 湿度在+ 3 5 摄氏度时为9 5 载波功率监控报警：士3d b 接口：符合r s 2 3 2 c ，易于报文处理系统连接。 n a v t e x 发射功率按所覆盖的海域范围及天线( 包括地网) 情况而定， 通常做成可调整的。 整个n a v t e x 接收机的功能是： 1 能在频率为5 1 8k h z 和4 9 0k h z 上接收前向纠错的窄带印字报文信号； 2 能够选择各覆盖海域的播发台技术编码b 1 ； 3 能够按规定打印所需要的报文： 4 抑制不需要的非强制性报文； 5 拒收已经正确接收的报文； 6 应至少贮存3 0 个报文识别标志，7 2h 后报文识别标志应能自动从贮存 器中清除；如果收到的报文识别标志数量超过贮存量，应能消除老的报文识 别标志； 7 电报收妥后，应能贮存，字母错误率小于4 即可认为完全收妥： 8 断电后6 h 以内，b i b 2 技术编码识别标志不能消失； 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。 下面是一个n a v t e x 接收机的技术特性的例子： 调谐频率5 1 8k h z 频率稳定度士1 0h z ，温度范围从一1 5 虱j + 5 5 摄氏度 接收模式f 1 b ( 1 0 0 波特) 输入阻抗额定5 0 q 信息模式程序7 单元前向纠错，按c c i r 4 7 6 ( b 模式) 和5 4 0 建议 接收台容量所有电台识别码b ，和报文分类编码b 2 灵敏度对1 0d b 信噪比不低于1m v 有效值 信道选择性对零误差比特率优于7 5d b 1 1 唯乐浜上程大字坝士学位论又 寄生响应抑制对零误差比特率优于10 0d b 互调对零误差比特率优于8 5d b 寄生辐射天线输入端低于2 n w 电源端低于d i n v d e 0 8 7 5 电平“k ” 输入保护对接收机输入端能抗3 0 v 电压输入。 2 3 当前n a v t e x 系统的工作过程 在n a v t e x 系统中它的信息传输采用f 1 b 模式( 前向纠错窄带直接印 字电报模式) ，它首先把发送端信源发出的消息通过某种编码方式转换为二进 制信息序列，经前向纠错编码加入监督码元并进行时间分集，赋予该码组具 有纠错的能力，再经过2 f s k 调制把数据信号转变为音频信息，其中心频率 为1 7 0 0 h z 。当输入数据为高电平时，2 f s k 信号的频率为1 6 1 5h z ，反之2 f s k 信号的频率为1 7 8 5h z ，然后用这个音频信号去调制4 9 0k h z ( 或其它频率) 的 射频，通过无线信道传输到接收端，接收端采取的是与发送端相反的变换。 如图2 1 所示 6 1 。 消艘亟堕卜匡互h 萤 厂_ j l _ 沲靼砸巫堕h 三圃叫卦 鬯 图2 1f i b 模式结构 2 4 新型n a v t e x 无线接入系统 传统的n a v t e x 无线接入系统采用窄带直接打印( n b d p ) 的工作方 式，功能单一、智能化程度低，已经不适应现代航运发展的要求。随着通信 哈尔滨工程大学硕士学位论文 技术的飞速发展，通信系统体制不断更新换代，充分利用现有成熟技术对无 线接入系统进行改造，使其智能化、功能多样化，是一种必然趋势。在新型 的n a v t e x 无线接入系统中，利用i m o 所指定的传输本国语言n a v t e x 信 息频率( 4 9 0 k h z ) 发布附加的定位信息，同时利用l o r a n 导航系统和北斗导 航系统的资源，使新型接入系统增加多模无线电导航功能；利用软件体系结 构使接入系统具有智能化信息处理能力。 2 5 本章小结 本章详细介绍了n a v t e x 系统，以及n a v t e x 信号的特点和对接收机 性能指标的要求。指出新型n a v t e x 系统相比以前系统的优点。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章接收系统的硬件实现 在第二章中详细介绍了n a v t e x 系统的工作原理和技术指标，在本章将 对新型n a v t e x 系统的硬件实现进行详细介绍和分析。 3 1 n a v t e x 接收机的工作流程 汉字n a v t e x 接收机包括接收天线、射频接收单元、信息处理单元、打 印单元、显示单元、电源这几部分，它的原理框图如下所示： 圈3 1 接收机原理框图 信号经天线接收以后送到射频接收单元，在射频接收单元完成信号的解 调。解调后的数字信号送入信息处理单元。在信息处理单元里完成纠错编码、 译码等功能。然后由打印单元打印出来。操作过程的响应由显示单元来实现。 在本设计中，由于采用了数字信号处理技术，将射频接收单元和信息处 理单元两部分功能合并在一个d s p 芯片当中，这样消除了以往由单片机c p u 时钟不稳而引起的定时不准，码元串位等缺点。而且，对于2 f s k 信号的检 测也采取常用了一种较为新颖的检测方式，简化了接收信号的处理过程。 3 2 系统的实现方案 本系统设计时充分考虑了系统的通用性，即同样一个平台，通过编制不 同的软件，来实现不同的功能。充分体现了软件无线电的思想。将来这个平 台不仅仅可以用作本系统的实现，同样可以为其他任务的实现作硬件支持。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 软件无线电的出现，是无线电通信从模拟到数字、从固定到移动后，由 硬件到软件的第三次变革。其结构和功能具有良好的可扩展性，是未来无线 电通信的发展方向。目前国内外正在对全数字接收机的软件实现技术进行深 入研究7 1 。 软件无线电的核心思想就是在通用的硬件平台上，通过加载不同的软件 实现通过软件定义无线电的功能。功能实现灵活，适应能力强，使系统对新 技术的引入可以更快、更容易实现。在相同的硬件平台上可以通过不同的软 件配置来实现不同的无线通信模式。 硬件设计主要包括模拟前端的设计、a d 转换、d s p 处理单元、控制单 元和信息处理单元主如图3 2 所示： 图3 2 硬件框图 在d s p 处理单元里完成了自检信号的产生对接收信号的滤波、抽取、解 调、定时处理和信息处理，满足了系统设计的最初目的，即以最简单的硬件 平台实现接收机的性能，使其具有高集成化和低损耗的特点1 8 j 。 首先对经过a d c 的信号进行滤波，滤出由带通采样后搬移到低频端的 基带信号，这一步在某种意义上可以说是实现了线性调制的解调，之所以这 样讲是因为后续对2 f s k 信号的译码与形成2 f s k 信号的频率无关，不需要 将单边带信号的载频搬移到确切的0h z 处，简化了接收信号的处理过程，而 不用像常规的方式先要单边带解调，然后再进行译码。滤波后的信号进行抽 取以降低工作频率，更好的实现系统的实时性处理。n a v t e x 报文信息在播 发前会加入定相信号以实现收发电台的同步，因此将抽取得到的信号进行定 时处理，检测得到定相信号后开始接收报文信息。将报文信息进行解调，得 1s 哈尔j 兵工程大学坝士学位论文 到数据信息送信息处理，整理得到7 比特的4 b 3 y 码，而3 个4 b 3 y 码就对 应着一个汉字，以此为地址调汉字点阵字库，整理成所要显示的汉字报文信 息。 系统设计的硬件结构图如图3 3 所示。主要是由处理芯片d s p , j t a g 仿 真口、模数转换芯片a d c 、电源转换芯片、闪存器、静态存储器、可编程逻 辑器件、电平转换芯片和液晶显示接口几部分组成。其中，电源转换芯片是 将外界提供的+ 5 v 电压转换成d s p 芯片所需要的3 3 v 和2 5 v 电压。电平转 换芯片则是将由d s p 数据总线送出的数据电平转换成适合终端显示的数据 电平。 图3 3 系统硬件结构图 a d c 是通过d s p 芯片的片内串行口与d s p 进行通信的。其时钟信号是 由串行口的可编程时钟信号直接驱动的，转换所用的帧同步信号也是由串行 口提供的，因此，a d c 的采样速率是可以通过d s p 的软件修改串行口的输 出时钟和帧同步信号的速率来改变的。信号进入a d c 进行模数转换，然后 数字信号作为d s p 的输入，经由d s p 处理后的信息送入终端显示设备最终 显示出来 9 1 | 1 4 1 。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在设计硬件结构时，考虑了系统的通用性和可再开发性，此硬件平台上， 通过修改软件程序可以实现其他功能。本系统具有以下特点： 1 a d c 的采样速率可以通过d s p 软件进行现场设置，提供了很大的灵 活性，通过考虑信号的带宽，设置相应的寄存器的值，可以方便的对很多信 号进行处理。 2 可以跳线调整的引脚有：c l k m d l ，c l k m d 2 ，c l k m d 3 和m p m c ， 通过改变跳线的组合方式，可以改变d s p 的工作时钟和工作模式。 3 采用c p l d 对系统的各器件进行逻辑控制，通过改变逻辑器件内编程 结构，可以改变系统各器件之间的连接方式，极大的提高了系统的灵活性和 可扩展性。 当然，对于真正意义上的软件无线电体系结构，本系统还存在着一些不足， 比如说，一个明显的缺点是由于最初设计系统时，必定是以所要完成的设计 课题为前提，而且系统最终是要投放到市场的，考虑到成本，所选取的模数 转换器a d c 在带通采样定理的限制下，可能会对某些带宽的中频信号无法 满足，但它的适用范围依然是很广的。 3 3d s p 及其外围设备 3 3 1t l 定点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 t m s 3 2 0 c 5 4 x 定点系列是t m s 3 2 0 通用数字信号处理器家族中的一员， t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 则是t i 公司于9 0 年代末推出的一款低功耗、高性能的1 6 b i t 定点d s p 15 1 。其内部结构图如图3 4 所示1 6 1 。 3 3 1 1c 5 4 1 0 主要特征 l 、运算速度快。单周期定点指令执行时间1 0 n s 或8 3 n s ( 1 0 0 或1 2 0 m i p s ) 远远大于语音压缩编码的要求。 2 、c p u 普遍采用了数据空间跟程序空间分离的哈佛结构，比采用冯诺依曼结 构的传统微处理器具有更高的指令执行速度； 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用多总线结构，可以保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间 和数据空间； 图3 4c 5 4 1 0 内部结构图 采用流水线结构，执行每条指令需要取指、译码、取操作数和执行等几 个阶段，在d s p 中，采用流水线结构，在程序运行过程中这几个阶段是 重叠的，如图3 5 所示，利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就 能保证数字信号处理中用的最多的乘法累加运算，可以在单个指令周期 内完成。 y = 叩 仁l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时钟l 一_ j l l 一一j l 啊il 取指一尘旦+ 一竺二! ，n 三3 译码旦土生l _ 旦+ 箨曩嚣专一兰一- 0 旦一 执行二二_ 1 - _ 1 - ，一一一一 图3 5 四级流水线操作 具有多处理单元，如a l u ( 算术逻辑运算单元) ，a c c ( 累加器) 和硬 件乘法器( m u l ) 等，它们可以在一个指令周期同时进行运算； 特殊的d s p 指令，如f i r s 指令，专门用于系数对乘的f i r 滤波器算法； 运算精度高，为防止运算过程中溢出，有的累加器高达4 0 位； 3 、存储器 ，有扩展寻址方式，最大可寻址扩展程序空间为8 m * 1 6 b i t 。可访问的数据 存储器空间为6 4 k 41 6 b i t ，i o 存储器空间为6 4 k * 1 6 b i t o ； 片内6 4 k * 1 6 b i tr a m ，包括四块2 k * 1 6 b i t 双存取程序数据r a m ( d a r a m ) 和七块8 k + 16 b i t 单存取程序数据r a m ( s a r a mo 片内 1 6 k * 1 6 b i tr o m 配置为程序存储器。 4 、指令设置 支持单指令循环和块循环。支持3 2 位长操作数指令。支持两个或三个操 作数读指令，支持并行存储和并行装入的指令，支持条件存储指令及中断快 速返回指令。 5 、片内外设。 软件可编程等待状态发生器，连接内部振荡器或外部时钟源的锁相环 ( e l l ) 发生器，个1 6 b i t 定时器，六通道直接存储器访 h - ( d m a ) 控制器，三 个多通道缓冲串1 ( m c b s p s ) ，8 b i t 增强型主机接e 1 ( h p l 8 1 。 6 、低功耗方式。 t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 的工作电压为3 3 vi o 电压和2 5 v 核电压。并设置- - 1 十 省电模式i d l e l ，i d l e 2 ，i d l e 3 。 7 、内部集成j t a g 调试接口，可实现在线仿真。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 1 2 c 5 4 1 0 存储器分配 如前面所述，t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 片内集成了6 4 k 的r a m 和1 6 k 的r o m ， 两者皆可以映射为数据程序区。其中，d a r a m 由四个2 k * 1 6 b i t 数据存储 区组成，s a r a m 由七个8 k * 1 6 b i t 数据存储区组成。 3 313 c 5 4 1 0 的数据存储器寻址 c 5 4 1 0 的数据存储器寻址方式同c 5 4 x ，c 5 4 x 提供了七种基本的数据寻 址方式： 1 、立即数寻址，指令中嵌有一个固定的数。 2 、绝对地址寻址，指令中有一个固定的地址。 3 、累加器寻址，使用累加器去访问程序存储器中的一个单元。 4 、直接寻址，在指令字中包含地址的低7 位，再与数据页指针d p 或堆 栈指针s p 组成实际的地址。 5 、间接寻址，利用辅助寄存器访问存储器。 6 、存储器映射寄存器寻址，修改存储器映射寄存器中的值，而不影响当 前d p 或s p 的值。 7 、堆栈寻址，把数据压入和弹出系统堆栈。 3 3 1 4 c 5 4 1 0 的程序存储器寻址 c 5 4 1 0 的程序存储器寻址方式也同c 5 4 x ，c 5 4 x 器件中程序存储器的寻 址通常要利用指令计数器( p c ) ，用于单独指令寻址的p c 内容由程序地址发 生逻辑( p a g e n ) 载入。一般情况，当获取连续指令时，p a g e n 在取址后连续 递增p c 值。但在执行某些指令或操作时，p a g e n 可能向p c 内装入非连续 值。引起非连续变化的操作包括：跳转、调用、返回、条件操作、单指令重复、 块指令重复、复位和中断等。当进行子程序调用或中断时，当前的p c 值通 过s p 保存在堆栈中，当子程序调用或中断服务结束时返回指令从栈中恢复 哈尔滨工程大学硕士学位论文 先前入栈的p c 值。 3 3 1 5 流水线操作 在指令执行期间，指令流水线由一系列操作组成。c 5 4 x 系列的芯片( 包 括，c 5 4 1 0 ) 具有六级流水，分别为：预取、取指令、译码、访问、读数据、 执行。在每一阶段，执行一个独立的操作，由于这些操作相互独立，所以同 一个周期内可有1 到6 条指令同时执行，每一指令处于不同的阶段。通常流 水线上充满了一系