海上数字中频接收设备的制作方法

本发明涉及一种射频接收设备，尤其涉及一种海上数字中频接收设备。

背景技术：

navdat是一种新型的岸基海上数字广播系统，它采用最新数字传输技术，在500khz上播发海上安全信息和其他服务信息。navdat通过播发消息、文本、文件或图像，实现海图改正信息等航行相关安全信息的快速推送，并实现与船舶信息系统的无缝连接。navdat系统通过联网播发，还可实现a2海区的覆盖。因此，navdat可增强海事信息业务能力，是gmdss现代化和e航海中的关键系统。

navdat数字广播系统主要依靠电离层传输，为各种类型的消息提供了广播传输服务，并且具有加密性。其中广播的消息包括但不限于航海安全、信息安全、海盗行为、搜救以及船舶交通系统文件传输等。navdat数字系统的500khz工作频段为数据广播信号提供了良好的覆盖，可以为从岸基到船舶的信息广播实现高速的数据传输以提高操作效率和航海安全。但是由于电离层介质受太阳辐射、季节变化、昼夜变化等各种因素的影响，因此天波信道存在着多径、衰落、多普勒频移、噪声干扰等特性。

navdat数字广播系统主要包括海上中频数字发射设备和海上中频数字接收设备，为了保证航行安全，需要及时有效地由岸上向航行的船舶提供有关海上航行的安全信息，海上安全信息包括航行警告、气象警告、气象预报和其他海上紧急信息。目前的接收设备只能接收,模拟调制(f1b)的信息,传输数据率低(仅仅50bps),接收占用时间长,接收文件类型单一等(文本)，不能够接收其它类型的文件等。不能满足现代数据传输的要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种海上数字中频接收设备，能够提高接收速率，具有高灵敏度，大动态范围特性，满足不同格式的水上安全信息、文件和电子海图的自适应接收。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种海上数字中频接收设备，包括射频信号处理模块和数字信号处理模块，所述射频信号处理模块和中频接收天线相连；其中，所述数字信号处理模块包括dsp处理器和fpga处理器，所述射频信号处理模块对来自中频接收天线的信号进行变频后经过模数转换单元送入fpga处理器，所述fpga处理器完成nco下变频及匹配滤波后，送给dsp处理器完成同步均衡解调操作，再经由fpga处理器进行ldpc译码。

上述的海上数字中频接收设备，其中，所述fpga处理器首先完成时间与频率的同步，得到正确的ofdm符号同步序列，进行频偏校正，然后去除循环前缀，串并变换后，经过fft处理后送至送给dsp处理器，所述dsp处理器再进行并串变换，提取出导频信号，进行信道估计和补偿，接着进行解映射解调、解交织，最后送入fpga处理器上的译码器，得到二进制的输出数据。

上述的海上数字中频接收设备，其中，所述fpga处理器根据接收到的多个级联的pn序列作为训练序列，并利用pn序列的自相关特性完成定时同步和载波同步，具体同步过程如下：所述fpga处理器将接收序列与本地pn作并行相关，并设置一个pn序列的长度作为接收窗口的长度，然后对相关值的结果进行类峰均比的检测，当接收窗口序列恰好为一个pn序列时，则判断为信号到达。

上述的海上数字中频接收设备，其中，所述dsp处理器采用奇偶交替分布方式获取导频信号，通过线性内插算法估计出每个ofdm符号奇数序号子载波的信道冲激响应；对于数据帧所有ofdm符号，除了导频位置以外，所有奇数序号子载波位置的信道冲激响应由与其相邻的前后两个ofdm符号上相同位置子载波的信道冲激响应进行平均运算得到。

上述的海上数字中频接收设备，其中，所述fpga处理器和dsp处理器之间进行如下迭代均衡运算：所述dsp处理器利用导频信号进行信道估计获得整个信道的响应；在得到频域数据后，先求取导频位置处估计出的信道和实际信道之间的最小二乘估计结果，然后通过低通滤波内插得到数据部分的信道估计结果，连同利用导频估计的信噪比进行均衡，频域均衡完的信息通过译码器进行软译码，然后经过重映射返回给均衡器，重复上述过程直到迭代完成。

上述的海上数字中频接收设备，其中，所述fpga处理器上的译码器工作流程如下：a)对解调符号信息进行预处理，获得比特软信息，作为迭代初始消息；b)迭代过程：对于每个校验分组i,i＝1:l，校验节点分组i并行更新传递给变量节点的外部消息；每组校验节点i消息处理完毕后，经过实时置换网络传递给变量节点，立即更新与其相连的所有变量节点；当相应的变量节点更新完毕后，最新的消息可立即给后续的校验节点分组更新利用；每个校验节点分组更新的过程，称为一次子层迭代；当l个校验节点分组串行更新完毕，即l次子层迭代完成后，结束一次迭代；c)取变量节点的伪后验概率消息进行硬判决，并检测是否是合法码字，如果是合法码字或当前迭代次数超过预设的最大迭代次数，则给出中止整个迭代信号，否则，进入下一次迭代；d)当迭代停止时，输出相应的硬判决比特信息流，译码结束。

上述的海上数字中频接收设备，其中，所述数字信号处理模块和定位模块相连，所述定位模块为用于提供本船位置信息的gps模块或北斗模块。

上述的海上数字中频接收设备，其中，所述接收天线为鞭天线、磁棒天线或环天线。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的海上数字中频接收设备，能够大大提高接收速率，具有高灵敏度，大动态范围特性，有效减少载波间的干扰并提高频谱利用率，满足不同格式的水上安全信息、文件和电子海图的自适应接收需求。

附图说明

图1为本发明海上数字中频接收设备结构示意图；

图2为ofdm系统收发机的典型结构框图；

图3为本发明奇偶交错导频序列分布示意图；

图4为本发明信道估计过程；

图5为本发明线性内插获得信道响应示意图；

图6为本发明ls算法mse性能仿真图；

图7为本发明调试方式映射图；

图8为本发明发送端总体结构框图；

图9为本发明接收端总体结构框图；

图10为本发明数据帧成帧模块示意图；

图11为本发明到达检测示意图；

图12为本发明频偏估计示意图；

图13为本发明迭代均衡处理流程示意图；

图14为本发明ldpc编码器设计原理框图；

图15为本发明ldpc译码并行结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明海上数字中频接收设备结构示意图。

请参见图1，本发明提供的海上数字中频接收设备，由天线模块，射频信号处理模块，数字信号处理模块，定位模块，存储单元，外部接口单元，显示单元，电源模块组成。各模块主要功能如下：

1)天线模块：在信号覆盖范围内，天线对已调信号的接收。例如：鞭天线，磁棒天线，环天线等。

2)射频信号处理模块：对天线接收下的信号进行滤波放大，自动增益控制等，进行信号变化处理提供给数字信号处理模块。

3)数字信号解调模块：对射频模块提供的信号进一步进行处理，对接收到的信号带通滤波，由adc转为数字信号；信号经过nco(nu-mericalcontroloscillator，数控振荡器)、匹配滤波后进行fft处理，然后再依次送入同步、均衡等模块，最后送入译码器得到译码输出结果。

4)定位模块：用于提供本船位置信息，可以为gps，北斗等

5)存储单元：用于存储数据。

6)外部接口单元：用于向外部提供数据接口，可以是网口，usb口，或串口等。

7)显示单元：用于接收文件的显示，及接收性能指示。

8)电源模块：用于外部电源与内部各模块的供电。

本发明的数字系统调制主要利用ofdm技术。ofdm系统收发机的典型结构框图如图2所示，图中上半部分为发射机链路，下半部分为接收机链路。中心部分的ifft(inversefft)单元用于基带调制发射处理，fft单元用于基带解调接收处理。在发送链路中，二进制输入数据首先经过信道编码和交织变换，然后进行调制映射，插入导频、串并变换后，经过ifft处理，接着进行并串变换，添加循环前缀(cyclicprefix,cp)，最后经过数模转换，上变频送入天馈单元。在接收链路中，天馈单元接收到的信号先进行下变频，送入模数转换单元，首先完成时间与频率的同步，得到正确的符号同步序列，进行频偏校正，然后去除循环前缀，串并变换后，经过fft处理，再进并串变换，提取出导频信号，进行信道估计和补偿，接着进行解映射解调、解交织，最后送入译码器，得到二进制的输出数据。

由对数字广播信道的描述可以知道，信道对数据信号的传输造成一定的影响，主要包括：多径效应引起的衰落，使得传输信号幅度衰减，甚至完全消失；同时多径还会引起信号波形展宽，造成码元之间相互串扰；电离层运动变化产生的多普勒频移使得信号的频谱结构发生变化、相位起伏不定，从而造成数据信号的接受错误。本发明的数字广播通信中综合采用ofdm技术、同步技术和均衡技术来解决上述问题。

一、本发明将ofdm技术应用于navdat无线广播通信系统。具有如下优势：

a)抗频率选择性衰落能力强。navdat数字广播系统中的主要问题是频率选择性衰落所引起的符号间干扰，而ofdm系统把高速数据流通过串并转换，使每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，并且有效地减小了无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰；其次，由于每个子载波上信息的随机性，相加后合成的信号接近于白噪声，而克服多径衰落影响的最佳传输信号形式即为具有白噪声统计特性的信号；最后，循环前缀技术可以更彻底地消除时延扩展的影响，并保证在多径的条件下各个子载波仍保证正交。

b)频谱利用率高。在ofdm系统中，各个子载波之间的正交性允许各个子信道的频谱相互重叠，与通常的频分复用系统相比，其可以最大限度地利用频谱资源，这一点在频谱资源有限的navdat数字广播通信中显得尤为重要。

c)结构简单，易于实现。由于各个子载波之间的正交性使得可以采用idft/dft技术实现ofdm调制和解调，即使对于具有很多子载波的系统，又可以利用ifft/fft来实现，而随着大规模集成电路技术与dsp技术的发展，使得ifft/fft都变得易于实现，因此，将ofdm技术应用于navdat数字广播通信具有很好的前景。

d)有利于与其他技术相结合。ofdm可以与多天线，空时编码，智能天线，自适应编码以及动态比特分配算法等技术结合使用，极大程度地提高了物理层信息传输的可靠性和有效性；ofdm还可以与多种接入技术相结合，构成ofdma系统，如ofdm-cdma以及ofdm-tdma。

二、本发明navdat数字广播通信系统中的同步技术

在通信系统中，要使系统能够正常工作和运行，需要各个层次的时间同步加以保证，因此同步问题显得尤为重要，没有精确地同步就不可能对传送的数据进行可靠的恢复。navdat数字广播ofdm通信系统中讨论的同步技术主要包括以下几个方面：

(1)到达检测

到达检测的主要目标是要检测到接收端在何时接收到数据帧并且准确判断到数据帧的起始位置。这对于接收机同步来说具有非常重要的意义，特别是对于突发ofdm传输系统，如果无法准确检测到数据帧的到达，则会出现丢帧的情况，无法保证接收机正常的通信。同时，如果无法准确判断帧到达位置，将会对后续的同步工作造成一定的困难，并影响系统的性能。

(2)符号同步

符号定时同步是要准确找到一帧内各ofdm符号的准确起始位置。假设，ofdm每个符号的保护间隔长度为tg，数据经过无线多径信道传输到达接收端的最大时延为τmax，如果符号定时起始位置在τmax内，则由于多径时延的影响，采集的数据包含了上一个符号的多径延时分量，从而造成符号间干扰；而如果符号定时起始位置在tg之外时，采集值则会包含下一个符号的数据，同样也会引起isi；因而准确的定时位置应该在区间范围(τmax，tg)内，该区间内的任何一个位置都可以通过后续同步环节准确解调。

(3)载波同步

由于无线信道多普勒频移以及收、发端晶振不匹配等原因，接收信号在频域各个子载波频点上会发生δf的频率偏移，此时，子载波间不再满足相互正交的关系，从而引入相邻子载波干扰。ofdm对频偏影响较符号定时误差要敏感得多，载波频偏同步的任务就是要准确估计子载波上的频偏量并进行补偿。

综上所述，本发明使用的ofdm系统中，帧同步用于确定一个数据帧的开始位置，而定时同步的目的在于在接收端正确地确定ofdm符号数据部分的开始位置，载波同步让接收机的振荡频率要与发送载波同频率同相位。只有保证对信号的精确同步，才能进行信号的正确解调接收。

三、本发明navdat数字广播通信中的均衡技术

在接收端，设接收信号的采样为yn。则：

yn＝xn*hn+wn

其中，hn是信道的时域响应，wn是加性白高斯噪声。

假设多径信道的最大多径时延小于循环前缀的长度，则可以不考虑符号间干扰，另外，近似认为信道在一个ofdm数据包时间间隔内是一个时不变信道。将信号去除循环前缀并做n点fft之后，有：

本发明ofdm系统的信道估计技术可以分为几大类：盲或半盲信道估计、导频辅助信道估计、基于判决反馈的信道估计等。这里主要采用基于导频辅助的信道估计方法。

导频辅助信道估计是在数据部分加入导频信息，在接收端通过相应的估计准则求出导频位置的信道信息，其主要需要解决以下三个问题：1)发送端如何设计导频结构；2)利用何种信道估计算法求出导频位置处的信道信息；3)利用何种方案恢复出所有子载波位置上的信道信息。

(1)导频的选择和插入

导频该如何选择以及分配是ofdm系统信道估计性能最重要参数之一，其设计与信道估计器的设计往往是相互关联的，它的设计不仅会影响信道估计的性能，而且也会影响系统的开销。

ofdm符号的传输可以看成是一个时域-频域的二维传输，在时域以一个ofdm符号周期为单位，在频域以一个子载波为单位。考虑这种二维传输特性，本发明可以在时频域阵列中选择插入导频信号。在实际应用中，考虑接收机的复杂度，以及在navdat数字广播天波信道环境，多普勒频偏相对较大，因此天波信道中更适合选用奇偶交错导频序列分布的导频方案，如图3所示，t代表着时域方向，f代表着频域方向；黑色点表示导频符号，白色点则表示数据子载波。

(2)导频位置处的信道估计

一般来说，基于导频的信道估计性能是通过将估计出的信道和实际信道之间的误差来衡量，如图4所示。

对估计误差e(n)的衡量准则不同可以得到不同的估计算法。这里主要采用最小二乘算法。

ls算法要求对在一次计算中的所有采样，有误差向量的内积最小。令xp＝diag{xp(0),xp(1),...,xp(np-1)}为发射端频域子载波发射的导频值所组成的对角矩阵，其中np为导频点的个数。yp＝{yp(0),yp(1),...,yp(np-1)}^t为接收方收到的频域信号中导频子载波上的值所组成的向量，为信道在导频点的ls频域响应估计值所组成的向量，为通过对接收端导频信号的估计值向量，有可以得到：

其中，wp是导频位置上的频域噪声。ls估计在频域进行，只需要知道发送信号xp，就可以通过在导频子载波上进行一次除法得到导频位置子载波的信道特征。因此ls信道估计算法具有简单的结构，且计算量小。

(3)导频时域线性内插算法

通过线性内插算法估计出每个ofdm符号奇数序号子载波的信道冲激响应。对于数据帧所有ofdm符号，除了导频位置以外，所有奇数序号子载波位置的信道冲激响应由与其相邻的前后两个ofdm符号上相同位置子载波的信道冲激响应进行平均运算得到。如图5所示，虚线框内某点的信道冲激响应为其上下两点的信道冲激响应的平均值。图5中，所有正方形均由导频位置的信道响应经过线性内插得到。经过线性内插后已知的信道响应恰好与梳状导频结构相同，进而获得全信道响应。

(4)导频内插算法

根据信道估计算法得到导频位置的信道响应之后，通过合理的内插算法，从而获得整个信道的响应。内插算法是一种拟合信道信息的方法，它简单易实现，然而由于根据导频信号估计出的信道频率响应包含有噪声，因此通过内插也会带来新的噪声，称之为内插噪声。不同的内插算法所产生的内插噪声不同，可以通过改进内插方法来获得更好的拟合效果。

对于梳状导频以及离散导频，因为根据导频符号并未能求得所有子载波上的信道响应，所以需要采用一定的内插算法来拟合所以子载波上的信道信息。综合考虑算法性能以及实现复杂度，这里主要采用低通滤波器的方法。

在awgn信道和hf信道(2ms，1hz)条件下，仿真了ls算法的mse性能，仿真曲线如图6所示。

从仿真图中可以看出，在信噪比比较低的情况下，由于受到噪声的影响，ls算法的mse略高；但随着信噪比的升高，在awgn信道下和hf信道条件下，ls算法mse性能得到明显改善。

navdat数字广播数据帧共分为六种类别的帧。数据帧波形采用多载波ofdm调制，映射方式可选4-qam，16-qam以及64-qam。其具体的映射图如图7a、7b和7c所示。

本发明采用ldpc编码方式，码率有1/2和3/4两种。在这六种类型的帧中，考虑信道变化影响，组帧时采用奇偶符号交替导频导频序列的分布方式用于跟踪信道变化。

本发明在波形设计中，载荷数据经过ldpc编码形成未知的编码数据，并经交织模块将编码数据乱序。根据不同的吞吐需求对交织后的数据选择不同的映射方式，并与已知的导频数据按照帧结构组成一个ofdm频域符号，将ofdm频域符号进行串并变换后由ifft转换到时域，加上循环前缀后形成ofdm时域符号，这样的16个ofdm时域符号形成一个ofdm帧。

下面详细给出本发明的总体框图及设计实现，以便更好地了解本发明的海上数字中频接收设备的工作原理及设计实现。

四、本发明的总体框图

本发明的发送端框图如下图8所示，原始数据经过ldpc编码后，对数据部分进行映射，同时加入pn前导序列，经过ifft变换之后插入cp进行升抽样和成型滤波，最后由dac转换为模拟信号发送出去。

发送端的ldpc编码模块和成帧模块在dsp上完成，成帧后的数据送给fpga进行成型滤波，最终经由dac发送。

接收端框图如图9所示，接收端对接收的信号带通滤波，由adc转为数字信号；信号经过nco、匹配滤波后进行fft处理，然后再依次送入同步、均衡等模块，最后送入译码器得到译码输出结果。

接收端对ad采进来的数字信号，在fpga上完成nco下变频及匹配滤波后，再送给dsp上完成同步均衡解调等操作，再经由fpga进行ldpc译码，如果需要迭代，则在fpga和dsp之间进行迭代均衡运算，直至解调完成。

1、成帧模块

成帧模块是发送端的一部分，它根据波形设计对编码后的消息数据进行组帧，使发送波形适应于相应的信道环境。数据帧的成帧模块示意图如图10所示。

消息数据经过编码后送入成帧模块，如图10所示。在该模块中，编码后的数据经过映射(4-qam、16-qam和64-qam等)、ofdm调制后形成数据ofdm符号。同时，同步头生成模块和导频生成模块产生同步头和导频，然后由系统的时序控制将它们组装成帧。

2、同步模块

同步段采用多个级联的pn序列作为训练序列，主要利用pn序列良好的自相关特性完成定时同步和载波同步。

利用pn序列优良的自相关特性，将接收信号与本地pn序列作并行相关，对相关值的结果进行一系列的处理、判决，超过所设定的门限时，则认为信号到达。由于本地pn序列为+/-1，可以通过直接改符号位来避免乘法运算，从而简化了相关算法的实现。

如图11所示，接收窗口r(n)的长度为一个pn序列的长度l，将接收序列与本地pn作相关，对相关结果进行类峰均比的检测，当接收窗口序列恰好为一个pn序列时，检测到信号到达。

同步段的后续pn用于频偏估计，其基本原理是在发射端发送两段相同的序列，在接收端利用前后相关估计值的相位来估计频偏。如图12所示，定义两个窗口集合r(n)和r(n+d)，其中d为一个pn序列的长度，l为相关窗口的长度，两个窗口前后滑动相关，对相关结果累加后取相位，通过估计出相位差计算出频偏。

由于频偏的存在，会导致同步段间隔一个pn长度的数据前后都会有一个相位差，在没有其他干扰的情况下，这个相位差应该是稳定的。但在实际中，由于navdat数字广播信道存在大量干扰，本发明需要通过统计平均的方法来减小这种抖动，提高估计的精度。

3、均衡模块

本解调系统频域均衡处理流程如图13所示，实现时采用迭代均衡技术：在得到频域数据后，先求取导频位置处信道的ls估计结果，然后通过低通滤波内插得到数据部分的信道估计结果，连同利用导频估计的信噪比进行均衡，频域均衡完的信息通过译码器进行软译码，然后经过重映射返回给均衡器，如此迭代。其中第一次均衡，由于此时没有译码完之后的软信息，因此第一次均衡相当于一次mmse均衡，之后的每次均衡都需要用到译码之后的软信息并重新进行均衡，直到四次迭代完成。

4、ldpc编译码模块

(1)ldpc编码模块

调制器中的原始数据编码器的实现结构如图14所示。

利用校验比特和信息比特的约束方程，可以较简单的通过信息比特与校验矩阵元素的相乘累加来计算校验比特。由于采用的qc-ldpc码校验矩阵具有规则的块状结构，每一子块矩阵均为单位矩阵的循环移位，且校验矩阵的右半部分具有双对角线结构，这一特性使得编码算法可进一步简化。

在编码器的具体实现中，整个编码模块可以分解为矩阵向量相乘、前向迭代、向量相加、码字生成四个模块。输入的源信息先送入矩阵向量乘累加模块计算迭代初始向量，再利用矩阵的双对角线结构，经过前向迭代模块和向量累加模块可快速的计算出校验比特。

(2)ldpc译码模块

ldpc迭代译码系统的实现结构如图15所示。主要包括迭代消息预处理模块，校验矩阵初始模块，变量节点消息存储模块，变量节点消息处理模块，校验节点消息存储模块，校验节点消息处理模块，实时置换网络模块，控制逻辑模块和迭代停止与硬判决输出模块。

译码器工作流程如下所示：

a)对解调符号信息进行预处理，获得比特软信息，作为迭代初始消息；

b)迭代过程：对于每个校验分组i,i＝1:l，i和l为自然数，校验节点分组i并行更新传递给变量节点的外部消息；每组校验节点i消息处理完毕后，经过实时置换网络传递给变量节点，立即更新与其相连的所有变量节点；当相应的变量节点更新完毕后，最新的消息可立即给后续的校验节点分组更新利用；每个校验节点分组更新的过程，称为一次子层迭代；当l个校验节点分组串行更新完毕，即l次子层迭代完成后，结束一次迭代；

c)取变量节点的伪后验概率消息进行硬判决，并检测是否是合法码字，如果是合法码字或当前迭代次数超过预设的最大迭代次数，则给出中止整个迭代信号，否则，进入下一次迭代；

d)当迭代停止时，输出相应的硬判决比特信息流，译码结束。

ldpc译码器的吞吐量通常由如下公式计算：

因此为了计算一个码字的吞吐量，在给定时钟，码长和迭代次数的情况下,只需计算软判输入所需拍数，一次迭代所需拍数和译码输出所需拍数。

本发明提供的海上数字中频接收设备，具有如下优点：

1)自适应接收：目前的模拟接收设备只有单一的一种接收模式(f1b),传输数据率低(仅仅50bps),而数字接收设备能够根据接收到的不同模式调制的信号自适应接收不同模式的信号，包含(ofdm/4qam,ofdm/16qam,ofdm/64qam)等信号。

2)接收设备具有高灵敏度，大动态范围。

3)接收设备可以接收的安全信息包括不限于以下信息：航线警告,台风警告,天气预报,海啸等；可以播发的格式包括不限于以下格式：word,txt,jpg,pdf,s57等。

4)接收设备可以接收频率范围包括不限于(495khz-505khz)，宜可接收486khz，518khz，490khz等。

5)接收设备能够提供当前位置信息，能够进行指定接收模式的接收(通播，选播，指定播发)。

6)接收设备能够提供数据总线连接以太网接口和/或usb接口与外部设备连接。

7)可以自动进行接收模式的选择：

a)通播(generalbroadcast):不指定接收设备，所有安装接收设备的船舶都可接收；b)选播(selectivebroadcast):对某组船舶或某区域船舶播发，设定接收区域的坐标、或某组船舶的mmsi编号特征；c)专用信息指定信息(dedicatedmessage)：对带有海上移动业务标识码(mmsi)的单一船舶进行广播。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。