一种用于海上船舶的数字高频收发系统

技术领域

本发明涉及一种数字高频收发系统，尤其涉及一种用于海上船舶的数字高频收发系统。

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A1、A2、A3、A4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。

高频NAVDAT系统播发的通信数据通过天波传播，可以覆盖到全球，可以保证航行安全，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。高频(又称短波，HF)通信通过天波和地波进行传输，即通过电离层的反射后，把发射信号送到远距离的接收设备，距离可达数千公里。高频通信系统传输方式包括天波和地波等传输方式，传输信道是中高频通信系统的重要组成部分，传输信道的特性直接影响着通信的性能。地波，即地表面波沿地球表面传播，其传输的特点是随着地形的变化而变化。天波传播是指电波经高空电离层反射而达到地面接收点的一种传播方式，由于电离层是分层、不均匀、时变的媒介，所以天波信道属于随机变参信道，其会随着一天中日照的变化和一年中季节的变化而变化。此外，接收机所处的地理位置还存在无线电噪声。

由上可见，中高频传输信道虽然可以满足不同格式的水上安全信息、文件和电子海图的自适应发射需求，但是存在多径、衰落、多普勒频移、噪声干扰等特性，特别是高频传输信道具有极高的复杂性和随机性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于海上船舶的数字高频收发系统，能够大大提高传输数据率，通过自适应调节可以发射不同模式下不同速率下的信息，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发射需求。

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高频发射设备，包括海上数字高频发射设备和海上数字高频接收设备；

所述海上数字高频发射设备包括信号调制模块，所述信号调制模块的时钟端连接GNSS接收机或原子钟，所述信号调制模块的输出端依次通过功率放大模块和天线调谐模块后连接发射天线；所述信号调制模块包括：

第一DSP处理器：将原始数据经过LDPC编码后，对载荷数据部分进行映射，同时加入导频数据组成OFDM频域帧；

第一FPGA处理器，接收来自第一DSP处理器的OFDM频域帧数据，经过离散傅里叶变换之后获得OFDM时域帧数据，插入循环前缀进行升抽样和成型滤波，最后由DAC转换为模拟信号发送给所述功率放大模块；

所述海上数字高频接收设备包括射频信号处理模块和数字信号解调模块，所述射频信号处理模块和高频接收天线相连；所述数字信号解调模块包括第二DSP处理器和第二FPGA处理器，所述射频信号处理模块对来自高频接收天线的信号进行变频后经过模数转换单元送入第二FPGA处理器，所述第二FPGA处理器完成NCO下变频及匹配滤波后，送给第二DSP处理器完成同步均衡解调操作，再经由第二FPGA处理器进行LDPC译码；所述海上数字高频接收设备根据接收机天线类型、位置坐标和时间范围参数计算外部噪声因子中值，并控制射频信号处理模块对接收信号进行调校。

上述的用于海上船舶的数字高频收发系统，其中，所述功率放大模块为可变功率衰减器，所述海上数字高频接收设备根据各种地波传输路径的地面特性信息组成，计算混合路径下的衰减和时延，同时根据各种天波传输路径的信息组成，计算电离层反射路径下的衰减和时延，并控制可变功率衰减器和时延模块对发射信号进行调校。

上述的用于海上船舶的数字高频收发系统，其中，所述第一DSP处理器包括LDPC编码器对将原始数据进行编码，所述LDPC编码器采用具有块状结构的QC-LDPC码校验矩阵计算出校验比特，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,所述LDPC编码器包括矩阵向量相乘、前向迭代、向量相加和码字生成四个模块，输入的源信息先送入矩阵向量相乘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计算出校验比特。

上述的用于海上船舶的数字高频收发系统，其中，所述第二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处理后送至送给第二DSP处理器，所述第二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，最后送入第二FPGA处理器上的译码器，得到二进制的输出数据。

上述的用于海上船舶的数字高频收发系统，其中，所述第一DSP处理器对载荷数据部分选择4-QAM，16-QAM或64-QAM进行映射，并与已知的导频数据按照帧结构组成一个OFDM频域符号，然后采用奇偶交替分布方式插入导频序列进行组帧。

上述的用于海上船舶的数字高频收发系统，其中，所述发射天线为T型天线，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：本发明提供的用于海上船舶的数字高频收发系统，能够大大提高传输数据率，通过自适应调节可以发射不同模式下不同速率下的信息，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发射需求。

附图说明

图1为本发明用于海上船舶的数字高频收发系统架构示意图；

图2为本发明OFDM系统收发机的典型结构框图。

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为本发明用于海上船舶的数字高频收发系统架构示意图。

请参见图1，本发明提供的包括海上数字高频发射设备和海上数字高频接收设备，所述海上数字高频发射设备由以下模块组成：天线模块，天线调谐模块，功率放大器模块，信号调制模块，存储单元，外部接口单元，显示单元和时钟模块组成。海上数字高频接收设备由天线模块，射频信号处理模块，数字信号解调模块，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：发射设备将得到的功率，有效的辐射出去，使信号覆盖范围尽量广，例如T型天线。接收设备在信号覆盖范围内，天线对已调信号的接收，例如：鞭天线，磁棒天线，环天线等。发射设备和接收设备可以分别使用独立的天线模块，也可以共用一个天线模块。

2)天线调谐模块：将从功率放大器得到的功率与天线之间进行匹配，使功率更加有效的辐射出去。

3)功率放大模块：将信号调制模块的信号进发大，能够满足OFDM/4QAM,OFDM/16QAM,OFDM/64QAM的调制需求。

4)信号调制模块：OFDM信号调制并产生RF信号。

5)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解调模块。

6)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-merical Control Oscillator，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。

7)定位模块：用于提供本船位置信息，可以为GPS，北斗等。

8)存储单元：存储播发文件，工作状态等内容；以及用于接收文件的显示，及接收性能指示。

9)外部接口模块：用于向外部提供数据接口，可以是网口，USB口或串口等。

10)显示单元：为发射设备提供工作状态及性能指示，以及用于接收文件的显示和接收性能指示。

11)时钟模块：时钟端连接GNSS接收机或原子钟为系统提供高可靠的时钟信号。

本发明使用的功率放大模块为可变功率衰减器，所述海上数字高频接收设备根据各种地波传输路径的地面特性信息组成，计算混合路径下的衰减和时延，同时根据各种天波传输路径的信息组成，计算电离层反射路径下的衰减和时延，并控制可变功率衰减器和时延模块对发射信号进行调校。所述信号调制模块的时钟端连接GNSS接收机或原子钟，所述信号调制模块的输出端依次通过功率放大模块和天线调谐模块后连接发射天线；所述信号调制模块包括：

第一DSP处理器：将原始数据经过LDPC编码后，对载荷数据部分进行映射，同时加入导频数据组成OFDM频域帧；

第一FPGA处理器，接收来自第一DSP处理器的OFDM频域帧数据，经过离散傅里叶变换之后获得OFDM时域帧数据，插入循环前缀进行升抽样和成型滤波，最后由DAC转换为模拟信号发送给所述功率放大模块。

所述海上数字高频接收设备包括射频信号处理模块和数字信号解调模块，所述射频信号处理模块和高频接收天线相连；所述数字信号解调模块包括第二DSP处理器和第二FPGA处理器，所述射频信号处理模块对来自高频接收天线的信号进行变频后经过模数转换单元送入第二FPGA处理器，所述第二FPGA处理器完成NCO下变频及匹配滤波后，送给第二DSP处理器完成同步均衡解调操作，再经由第二FPGA处理器进行LDPC译码；所述海上数字高频接收设备根据接收机天线类型、位置坐标和时间范围参数计算外部噪声因子中值，并控制射频信号处理模块对接收信号进行调校；配合前述发射信号的调校，形成高可靠的收发一体机。

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(Cyclic Prefix,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。

数字广播信道对数据信号的传输具有一定的影响，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采用OFDM技术来解决上述问题。

本发明将OFDM技术应用于高频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。

本发明数字高频收发系统中的海上数字高频接收设备，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),而本发明的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2～30MHz。

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(general broadcast):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(selective broadcast):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(dedicated message)：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。