基于DSP的新型漢字NAVTEX系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)

引言

漢字NAVTEX 接收機(jī)是一個(gè)調(diào)諧在490/518kHz的能夠自動(dòng)接收并打印漢字P英文兩種形式的航行警告、氣象信息和緊急信息的裝置。它是海上人命安全公約規(guī)定的船舶必須裝備的一種無(wú)線電設(shè)備。當(dāng)前的NAVTEX 系統(tǒng)接收功能主要是由模擬器件組成的硬件電路來(lái)完成,而且接收機(jī)受體積所限,濾波器很少,其抗干擾分辨性能相當(dāng)有限,對(duì)工作頻帶內(nèi)的窄帶干擾無(wú)能為力,模擬電路異常的復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)提高設(shè)備的性能和增強(qiáng)設(shè)備的功能。在這里提出基于DSP 的新型NAVTEX 接收機(jī)的設(shè)計(jì)。采用DSP 技術(shù)和軟件無(wú)線電技術(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波解調(diào)與自檢等功能,方便地提高了設(shè)備的性能和增強(qiáng)了設(shè)備的功能,并詳細(xì)進(jìn)行了算法研究和DSP 實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　NAVTEX 接收機(jī)的工作原理與信號(hào)特點(diǎn)

　信號(hào)特點(diǎn)
NAVTEX系統(tǒng)通信線路所使用的頻段有中波(518kHz 和490kHz) 或中短波(4 209. 5kHz) 。它先是進(jìn)行2FSK把數(shù)據(jù)信號(hào)變成音頻信號(hào),其中心頻率為117kHz ,當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為高電平時(shí),2FSK信號(hào)的頻率為1. 615kHz ,反之,2FSK信號(hào)的頻率為1. 785kHz。然后用這個(gè)音頻信號(hào)去調(diào)制490kHz (或者其他頻率) 的射頻,通過(guò)無(wú)線信道傳輸?shù)浇邮斩?。信息在傳輸過(guò)程中,一方面受到信道衰落的影響,另一方面受到噪聲的干擾。通信性能的優(yōu)劣很大程度上取決于接收機(jī)的性能,而信道特性不理想及信道中噪聲的存在很大程度上直接作用于接收端。

　接收機(jī)工作原理
漢字NAVTEX 接收機(jī)包括接收天線、射頻接收單元、信息處理單元、打印單元、顯示單元、電源這幾部分,它的原理框圖如圖1 所示。

信號(hào)經(jīng)天線接收以后送到射頻接收單元,在射頻接收單元完成信號(hào)的解調(diào)。解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)送入信息處理單元。在信息處理單元里完成糾錯(cuò)編碼、譯碼等功能。然后由打印單元打印出來(lái)。操作過(guò)程的響應(yīng)由顯示單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　新型NAVTEX 系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要改進(jìn)了接收機(jī)的射頻接收單元,使其數(shù)字化,使電路簡(jiǎn)單,能夠方便的提高設(shè)備性能和完善設(shè)備的功能。當(dāng)前使用的NAVTEX 接收機(jī)的模擬電路異常復(fù)雜,要達(dá)到需要的精度使接收機(jī)占用的體積過(guò)大,并且對(duì)性能的提高和增加新的功能難以實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)使NAVTEX 接收機(jī)小型化、模塊化、數(shù)字化和軟件化。
硬件設(shè)計(jì):
當(dāng)傳輸漢字的NAVTEX 信息的時(shí)候一般在490kHz 或4 209. 5kHz 的頻率上傳輸, 而英文的NAVTEX 信息載頻為518kHz。對(duì)于490kHz 和518kHz 的信號(hào)可以直接接收經(jīng)APD 轉(zhuǎn)換送入DSP進(jìn)行處理,對(duì)于4 209. 5kHz頻率的中短波要先下變頻至490kHz ,然后做同樣處理即可。

硬件設(shè)計(jì)主要包括模擬前端的設(shè)計(jì)、APD 轉(zhuǎn)換、DSP 處理單元、控制單元和信息處理單元,主要框圖如圖2 所示。

模擬前端和信息處理單元的設(shè)計(jì)和當(dāng)前的NAVTEX接收機(jī)一樣,在這里也不多述。

DSP 處理單元是新型NAVTEX接收機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,它接收控制單元的控制命令,然后進(jìn)行匹配濾波、放大、信道濾波、信道均衡、定時(shí)提取、解調(diào)。還要產(chǎn)生自檢信號(hào)完成自檢功能。信道噪聲是影響接收機(jī)誤碼率的一個(gè)重要因素,對(duì)數(shù)字信號(hào)在接收端進(jìn)行匹配濾波可以使得信噪比達(dá)到最佳。定時(shí)提取與載波回復(fù)是接收機(jī)中最為關(guān)鍵的部分,它主要完成最佳抽樣點(diǎn)的捕獲,收發(fā)碼元頻差的跟蹤、獲取頻波頻率和調(diào)整載波相差。在這里可采用數(shù)字鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于信道的非線性畸變和線性畸變,在接收機(jī)中需要加入均衡器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)失真信道的補(bǔ)償。在DSP 處理單元產(chǎn)生2FSK的自檢信號(hào),用來(lái)完成自檢功能,檢驗(yàn)接收機(jī)的接收信道工作是否正常。當(dāng)前的自檢電路主要是由74HC4060 及外圍電路組成,在這里直接在DSP 中產(chǎn)生自檢信號(hào)然后有控制單元決定是否送回輸入端進(jìn)行自檢,完成了自檢功能。輸入的信號(hào)解調(diào)以后輸出到信息處理單元,結(jié)束信號(hào)接收過(guò)程。

算法實(shí)現(xiàn)

在本設(shè)計(jì)中自檢信號(hào)的產(chǎn)生可以在中斷中完成,濾波、解調(diào)在主程序中完成。主程序的流程圖如圖3 所示。

為了完成信號(hào)的接收,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、解調(diào)、放大和自檢時(shí)輸入信號(hào)的產(chǎn)生等多項(xiàng)功能。由于它受DSP 運(yùn)算速度的限制,它必須有DSP 能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行的計(jì)算有效的算法。

自檢時(shí)輸入信號(hào)的產(chǎn)生
自檢時(shí)輸入信號(hào)為2FSK信號(hào)即移頻鍵控,它的基本原理是: 當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為0 時(shí)發(fā)送信號(hào)cosω1t ,當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為1 時(shí)發(fā)送信號(hào)cosω2t 。所以產(chǎn)生自檢信號(hào)的關(guān)鍵是產(chǎn)生正弦P余弦波形。在這里利用數(shù)字振蕩器,用迭代方法產(chǎn)生正弦信號(hào)。原理比較簡(jiǎn)單在這里就不詳述。[!--empirenews.page--]

信號(hào)的解調(diào)
NAVTEX系統(tǒng)采用的是2FSK調(diào)制,FSK解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào),由于相干解調(diào)要求設(shè)置與發(fā)送設(shè)備中的高頻載波同頻同相的本地參考載波,使設(shè)備復(fù)雜,因此在這里采用了一種新的非相干解調(diào)算法:正交自延時(shí)FSK解調(diào)算法。
該算法的原理圖如圖4 所示。

NAVEX系統(tǒng)的2FSK信號(hào)表達(dá)式為:
S ( t) = cos[ (ωc ±δw ) •t + φ] (1)
S ( t) 與其自延信號(hào)S ( t - τ) 的乘積為:
cos[2 •(ωc ±δw ) ] •t - (ωc ±δw ) •τ+ 2 •φ] +cos[ (ωc ±δw ) •τ] (2)
令τ滿足ωc •τ = π/2 ,則(2) 式經(jīng)低通濾波以后為: ±sin (δw*τ)
這樣就可以根據(jù)濾波結(jié)果的符號(hào)判斷發(fā)送信號(hào)的值:負(fù)號(hào)表示發(fā)送信號(hào)為0 ,正好表示發(fā)送信號(hào)為1。

由于τ是小數(shù)倍延時(shí),所以還要通過(guò)一個(gè)單零點(diǎn)的FIR 濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。濾波器的差分方程為:y ( n) = X ( n) + βX ( n - 1) ,β可以計(jì)算出來(lái)。

該信號(hào)的波特率為100Hz ,采樣率為3 400Hz ,則在每一個(gè)波特率周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為34 。

設(shè)S ,DT1 是連續(xù)存儲(chǔ)器位置變量,且令:
DT1 = cos[ (ωc ±δw ) •( n - 1) T + φ]
DT = cos[ (ωc ±δw ) •( n - α) T + φ]0 < α < 1
則有: 　DT = S + βDT1
2FSK解調(diào)算法的流程如圖5 所示。
LPFOUT 低通濾波輸出;

PJMX 包絡(luò)檢波器的判決門(mén)限;

SADAT 當(dāng)前波特率周期內(nèi)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)估計(jì);

SADCT 當(dāng)前波特率周期內(nèi)采樣點(diǎn)的計(jì)數(shù);

BFDAT 前一個(gè)波特率周期的數(shù)據(jù)估計(jì);

STWD DSP 送入MCU 的狀態(tài)字;

DCT 設(shè)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變發(fā)生的條件;

CNTR 根據(jù)它的值判斷是不是對(duì)BFDAT取反。

　結(jié)論

本設(shè)計(jì)誤碼率10 - 3 以下,滿足NAVTEX 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的要求。在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上還可增加多模無(wú)線電導(dǎo)航功能,使其同我國(guó)現(xiàn)有的Loran - C 導(dǎo)航系統(tǒng)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成全方位的無(wú)線導(dǎo)航系統(tǒng)。同時(shí)還可以利用軟件化體系結(jié)構(gòu)使其智能化的處理安全信息、導(dǎo)航信息,有了更大的靈活度。