CN102510292B - 基于dstft的navtex解调方法 - Google Patents
基于dstft的navtex解调方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102510292B CN102510292B CN201110300669.9A CN201110300669A CN102510292B CN 102510292 B CN102510292 B CN 102510292B CN 201110300669 A CN201110300669 A CN 201110300669A CN 102510292 B CN102510292 B CN 102510292B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- navtex
- signal
- passage
- demodulation
- information
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 72
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 64
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 52
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 claims description 45
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 31
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 29
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 16
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 13
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 3
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 claims description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 18
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- NPKISZUVEBESJI-CQSZACIVSA-N N-benzoyl-D-phenylalanine Chemical compound C([C@H](C(=O)O)NC(=O)C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1 NPKISZUVEBESJI-CQSZACIVSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000010017 direct printing Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 2
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000009429 distress Effects 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000035800 maturation Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Synchronisation In Digital Transmission Systems (AREA)
- Circuits Of Receivers In General (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于DSTFT的NAVTEX解调器及解调方法，包括NAVTEX信号A/D采样模块、NAVTEX信号解调模块和NAVTEX信息解码模块。其中，NAVTEX信号A/D采样模块对NAVTEX信号进行双通道A/D采样和乒乓存储；NAVTEX信号解调模块对NAVTEX信号进行数字解调，得到相应码元；NAVTEX信息解码模块分别对中英文的NAVTEX信息进行解码，对码元进行丢位补偿，得到NAVTEX信息。本发明能解决以往NAVTEX模拟解调存在的电路复杂、升级较困难的问题，借用软件无线电技术能实现NAVTEX信号的数字解调，适用于采用软件无线电方法设计的NAVTEX接收机中。
Description
技术领域
本发明涉及航海无线电通信和软件无线电领域，尤其涉及一种基于DSTFT（离散短时傅里叶变换）的NAVTEX（奈伏泰斯）解调器。
背景技术
NAVTEX系统是指通过窄带直接印字电报（NBDP）方式来广播和自动接收为船舶播发的航行警告、气象警告、气象预报和紧急信息（统称海上安全信息）的系统。它是全球海上遇险与安全系统中的重要组成部分，也是国际海事组织（IMO）A.419（XI）决议案规定的全世界航行警告业务（WWNWS）的一个组成部分。
根据国际海事组织关于NAVTEX区域的划分，我国已先后在三亚、广州、福州、上海、大连、天津、湛江等地建立了7个NAVTEX业务海岸电台，链状覆盖了我国沿海400海里以内的海域，分别向所辖海域用518kHz频率发布英文的NAVTEX信息。我国国内NAVTEX业务采用486kHz的频率播发中文NAVTEX信息，也可以使用4209.5kHz播放。
随着数字电路的发展、软件无线电技术的成熟以及现代航运的发展，NAVTEX接收机也朝着数字化、软件化、多样化和集成化的方向发展。以往使用的NAVTEX接收机的模拟电路非常复杂，要达到所需要的精度会使接收机占用的体积过大，并且对性能的提高和新功能的增加都会带来困难。针对上述缺点，本发明提出了一种数字化、基于软件无线电技术的NAVTEX信号解调方法。基于DSTFT的NAVTEX解调器集成了A/D采样、信号解调、信息解码、通道选择等各种功能，是一种完整的NAVTEX信息接收方案，具有软件的易于升级、修改的特点。并且采用这样的一种NAVTEX信息解调方案，能有效的将信息接收和信息处理单元分开，这种结构大大降低后端信息处理单元的负担，可以使信息处理单元更好的执行其他控制功能，有利于其进行其他功能的扩展。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于DSTFT的NAVTEX解调器及解调方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于DSTFT的NAVTEX解调器，它主要由A/D采样模块、信号解调模块和信息解码模块等依次串联组成。
一种应用上述基于DSTFT的NAVTEX解调器的解调方法，该方法包括以下步骤：
（1）A/D采样模块对信号进行双通道A/D采样，将采样数据乒乓缓存并进行通道切换；
（2）NAVTEX信号解调模块对NAVTEX信号进行解调，得到相应码元；
（3）NAVTEX信号解码模块将解调信号进行解码，得到NAVTEX信息。
本发明的有益效果是：
1.采用基于DSTFT的NAVTEX解调器，实现了关于NAVTEX信息接收的所有过程，结合信息处理单元可以提供完整的NAVTEX接收机方案。
2.采用基于DSTFT的NAVTEX解调器，使用软件无线电技术对NAVTEX信号进行解调，不仅可以减少模拟前端电路的复杂度，同时还具备软件可升级的特点。
3.采用降频采样技术对NAVTEX信号进行A/D采样，降低了对前端A/D转换器的性能要求，很好的解决A/D转换器采样精度和速度的矛盾。
4.采用基于DSTFT的解调方法对NAVTEX信号进行解调，在较低信噪比的情况下也能清晰的分辨出窄带的NAVTEX信号频谱，具有很好的解调效果。
5.采用基于谱图的同步方法对NAVTEX码元进行同步，能实现码元起始点的快速捕获，并且在码元跟踪过程中也能准确地进行同步，保证码元正确偏移纠正。
6.采用自动纠正方法对NAVTEX码流进行纠正，当出现码元丢位或者多位时，能自动识别并作出处理，保证信息完整。
附图说明
图1为本发明解调器的模块示意图；
图2为图1所示解调器中A/D采样模块设计流图；
图3 为NAVTEX国际通道频率518kHz的2FSK信号频谱；
图4为经8kHz带通采样后NAVTEX国际通道信号频谱分布图；
图5为图2所示采样模块中乒乓缓存分配图；
图6为图1所示解调器中信号解调模块设计流图
图7为图6所示解调模块中码元偏移示意图；
图8为图6所示解调模块中码元左、右偏移比较图，其中，（a）为左偏移比较图；（b）为右偏移比较图；
图9为图6所示解调模块中码元起始点捕获同步算法流图；
图10为图6所示解调模块中码元跟踪过程同步算法流图；
图11为NAVTEX信息发射格式示意图。
具体实施方式
本发明针对以往NAVTEX接收机模拟电路复杂、为达到所需要精度而导致接收机占用体积过大、对提高性能和增加新功能的困难等缺点，提出了一种数字化、基于软件无线电技术的NAVTEX信号解调方法。
作为一种完整的NAVTEX信息接收方案，基于DSTFT的NAVTEX解调器具有软件的易于升级、修改的特点。并且采用这样的一种NAVTEX信息解调方案，能有效的将信息接收和信息处理单元分开，这种结构大大降低后端信息处理单元的负担，可以使信息处理单元更好的执行其他控制功能，有利于其进行其他功能的扩展。
如图1所示，基于DSTFT的NAVTEX解调器集成了A/D采样、信号解调、信息解码的功能，由A/D采样模块、信号解调模块和信息解码模块依次串联而成，下面对这些部件和功能的实施方式分别作出说明。
一、A/D采样模块
A/D采样模块，如图2所示，主要完成带通采样频率控制、A/D转换数据的读取、数据存储以及通道切换等功能。
1、双通道NAVTEX信号的带通采样
NAVTEX信号频率为518kHz、486kHz以及4209.5kHz，按照Nyquist低通采样定理，只有当采样频率大于8.419MHz时才能实现所有信号的恢复。这样，A/D转换器必须具有非常高的转换速率。而根据NAVTEX国际测试标准：在输入信号强度为-107 dbm时，接收信息误码率小于4%。这对A/D转换器的采样分辨率提出了比较高的要求。综合上面的分析，A/D转换器在保证比较高的转换速率的同时还必须保证相当高的转换精度，这对A/D转换器的性能提出了相当高的要求。鉴于A/D采样精度和速度的限制，可以采用带通欠采样的方法，将NAVTEX信号的频谱搬移至比较低的频率，用宽带的A/D转换器，在保证一定精度的情况下实现NAVTEX信号的低速采样。
带通采样定理：对于带通信号的抽样频率并不需要达到信号最高频率的两倍，设带通信号 的最高频率为
其中是的带宽，则信号下截止频率
为小于等于
的最大整数，
，且要求
。采样值
不失真地重建信号的充要条件是采样频率满足下式：
式中
，
表示不大于
的最大整数。
带通采样定理表明：带通信号采样速率的取值范围由
个互不重合的区间组成。即：
。
由上式可知并非所有高于
的采样频率都能满足要求。为了保证抽样后的频谱不发生混叠，必须要求最小采样速度为
。如果n值很大，信号的最高频率大于等于带宽B，那么最小抽样频率也就接近2B，因此，对于在实际应用中大量存在的窄带高频信号，只要采样速率稍微大于信号带宽的两倍，就可以正确地表示信号的特性。
当选取合适的带通采样速率, 采样后信号的频谱可搬移到零频附近, 只需选用合适低通或带通滤波器就可以恢复原信号。
图3为518kHz国际通道频率2FSK信号频谱。考虑实际A/D转换器的性能和NAVTEX信号的频率特点，本发明中A/D采样模块采样频率为8kHz。
由于实际的频率是不可能带负号的，而经过带通采样之后频谱已搬移至负频率的部分，而频谱上的负频率信号实际上相当于在原信号上叠加了一个负号，即在相位上产生了180°的倒相。因此，实际经过带通采样后的频谱关于y轴对称，如图4所示。
从图4可以看出，原来中频的NAVTEX信号经过带通采样之后，频谱已搬移到了2kHz附近，因此对NAVTEX信号的采样相当于采用
kHz的采样频率对图4中2kHz
85Hz信号进行采样，这样就大大降低了对A/D转换器性能的要求。
结合IEC 61097-6国际标准和我国GB/T 18766-2009标准，本发明中NAVTEX解调器共可接收518kHz、486kHz以及4209.5kHz三个频率通道信息。其中，486kHz通道和4209.5kHz为可选通道，通过模拟开关进行选择。正常工作状态时，其中一个通道用来采集518kHz频率通道信息，而另一通道用来采集486kHz或者4209.5kHz频率通道信息。
2、乒乓缓存
为了保证采样数据不丢失的传输到解调运算模块，需要对采样值进行缓存。当某个缓冲区存满之后，将下个采样值保存在另一个缓冲区中，在本发明设计的A/D采样模块中采样值的存储采用乒乓操作，每个通道的数据分配两个缓冲区，两个通道共四个缓冲区。通过对“输入数据流选择单元”和“输出数据流选择单元”按节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有时间停顿地送到“数据流运算处理模块”，进行后续运算和处理。把乒乓操作模块当作一个整体，站在这个模块的两端看数据，输入数据流和数据输出流是连续不断的，没有任何停顿，因此可以完成数据的无缝缓冲与处理，很好地实现数据的保护，防止数据丢失。
在本发明中，存储模块分配四个相等容量大小的缓冲区，即：通道0缓冲区1、通道1缓冲区1、通道0缓冲区2和通道1缓冲区2，如图5所示；其中通道0缓冲区1与通道0缓冲区2存储通道0数据，即518kHz通道的采样值；通道1缓冲区1与通道1缓冲区2存储通道1数据，即486kHz/4209.5kHz通道的采样值。通道0与通道1轮流进行8kHz的采样，先进行通道0采样数据读取，后进行通道1采样数据读取，因此当通道0缓冲区1或者通道1缓冲区1存储满之后进行缓冲区的切换，每次当缓冲区存满之后，开始进行信号解调运算。下次读取的采样值放在另一块缓冲区中，这样只要满足在一块缓冲区的存储时间内完成信号的解调运算，就能实现信号流的无缝连接，得到完整的NAVTEX码流。
3、通道切换
当通道486kHz/4209.5kHz进行解调运算时，并不能确定此时接收的是486kHz还是4209.5kHz通道的NAVTEX信息，本发明中采用模拟开关进行通道切换。
通道切换部件可以采用Analog Device公司AD8180型号的模拟开关，但不限于此。
二、NAVTEX信号解调模块
本发明中信号解调模块的设计流图如图6所示，具体流程为：解调开始后，先进行通道0的解调，同步运算开始，通过码元起始点捕获同步算法的分析，进行相应的码元偏移，完成码元起始点的捕获，实现码元的同步，从而进入信息正文码元的接收阶段，通过DSTFT解调算法运算实现相应通道的解调，在接收码元的过程中，通过码元跟踪过程同步算法的分析，对失步的码元进行重新同步，当解调运算结束后，同步运算也结束，并进行码元的判别与输出控制，至此，单次的通道0解调运算结束，判定是否完成通道0的解调，如检测到结束信号，则进入通道1的解调，否则继续进行通道0的解调运算；通道1的解调运算与通道0的解调方法类似。
每个通道的解调都需要经过相应的同步运算和解调运算完成，包括基于DSTFT的信号解调运算和基于谱图的同步运算。NAVTEX信号采用NBDP的方式进行发射，它是一类典型的窄带2FSK信号，本发明信号解调采用DSTFT解调算法对NAVTEX信号进行解调，采用基于谱图的同步方法进行码元的同步。
1、基于DSTFT的信号解调方法
2FSK离散数字信号表示如下：
式中：A i 为第i个码元，N为码元宽度，f 1和f 0分别为2个载频的频率，f s 为采样频率，φ为相位。
由于DFT（离散傅里叶变换）不能反映频率随时间的变化情况，而DSTFT将时域信息转换到时频域进行分析，因此，采用DSTFT能较好的实现2FSK信号的解调。
DSTFT定义如下：
式中：W（m）为所选的窗函数。通过式（3）和DFT定义的比较，可以看出： DSTFT相当于加了移动窗的DFT。它可以反映所考察的时间点附近的频率分布情况，提取频率的局域化信息。对于2FSK信号，只需要考察两个频率点附近的情况，同时也只要在特定时间点附近进行抽取，因此，DSTFT对于2FSK信号可以表示如下：
（4）
式中：为抽取因子。由式（4）可以得到2FSK信号在DSTFT谱图中不同频率点上的功率，即
式中: 
为
的频点。
若|X（nL,k 1 ）| 2 ，|X（nL,k 0 ）| 2 分别为DSTFT谱图中2个频率点f 1、 f 0的功率，则两者功率的比值称为阈值，记为T，如下式:
码元的判断方法如下：
式中:B 1、B 0为频率f 1、f 0所代表的码元。
在本发明中采样模块采样频率为8kHz，而一个NAVTEX信号码元发射时长为10ms，因此一个码元共采样了80个点。取
,即在80个采样值后补120个0，hamming窗长。对于0通道518kHz
85Hz的NAVTEX信号来说，，
，带通采样之后频谱搬移到，
。采样频率，通过计算之后，两个频点分别为
，
。同理，对于1通道486kHz
85Hz的NAVTEX信号来说，取47，取52。对于1通道4209.5kHz
85Hz的NAVTEX信号来说，由于其在输入回路中已经通过了一个3723.5kHz的混频器，相当于已经把原频谱下变频至486kHz附近。
2、基于谱图的码元同步算法
上述解调方法虽然简单，但是必须要求有严格的码元同步，即采样起始点始终在2个码元的连接处。在实际采样的过程中，起始的采样时刻是随机的，因此,码元同步就成了解调的关键所在。
假设两个频率信号的幅值一样，则阈值与码元偏移点数之间存在一种特定的关系：
（8）
式中：l为码元偏移点数，N为码元长度，且满足l<N/2，如图7所示。
由公式（8）可以得到：当阈值确定时，相应的码元偏移点数计算如下：
1）码元起始点捕获同步算法分析
由公式（8）、（9）可知，码元偏移点数的不同表现为不同的阈值。因此，在码元起始点同步过程中，为了缩短同步步长的调整时间，同时提高调整步长的准确性，针对不同的阈值，选取不同的调整步长。
对于不同的阈值，选取在其所属范围内的最大调整步长
和最小调整步长：
其中，T i 为当前阈值，T A 、T B 、T C 为预设常数且满足T A ≤ T B < T C ，并且假定当T i ≥ T C 时，当前N个采样点为同一码元的采样值，此时已经不跨码元；l 1（max） 、l 2（max） 、l 3（max） 、l 1（min） 、l 2（min） 、l 3（min） 也是预设常数，为不同阈值下不同步长的调整范围，且满足l 1（max） > l 2（max） > l 3（max） ， l 1（min） > l 2（min） > l 3（min） 。这里，l 1（max） < N/2，即最大调整步长不超过码元宽度的一半； l 3（min） ≥1，即最小的调整步长必须大于等于1。一旦当前调整步长l x 满足l x < l x（min） （x=1,2,3） ，就不再继续进行同步移位操作；各参数的取值如表1所示。
表1：码元起始点捕获同步算法分析中各参数的取值
| 参数 |  |  |  |  |  |  | |||
| 取值 | 2.56 | 6.25 | 10 | 35 | 20 | 10 | 5 | 4 | 2 |
具体的移位算法实现采用二分法的思想，并结合重新计算得到的阈值T，通过判断T是否满足T ≥ T C 来实现，这样能大大减少运算量，较快的实现码元同步。流程如下：
首先，根据DSTFT运算得到的阈值T，选择不同的最大调整步长l x（max） 和最小调整步长l x（min） 。初始运算时，取l = l x（max） 。
（1） 同步指针右移l/2，重新计算DSTFT得到T，如果满足T> T，则一次同步调整完成，更新l 的值为原l 值的一半，同时更新当前T为T，转到步骤3；否则转到步骤2。
（2）同步指针左移l ，重新计算DSTFT得到T，如果满足T > T,则一次同步调整完成，更新l 的值为原l值的一半，同时更新当前T为T，转到步骤3；否则也将步长调整为原来的一半，转到步骤3。
（3）判断是否满足停止条件，停止条件为：当前T满足T ≥ T C 或者移动步长已经满足l x < l x（min） 。如果满足停止条件则算法结束；否则转到步骤1，重新进行移位运算。
2）码元跟踪过程同步算法分析
据上述分析，可以完成码元起始点的捕获，从而进入信息正文码元的接收阶段。由于发射机或者接收机晶振的漂移、频谱泄露或者其他噪声的干扰影响，当接收机接收一定量的码元之后，又会出现失步的现象，此时需要重新进行同步操作。对于此时的同步，需要非常精确，特别需要保证移位方向的正确。因为此时如同步不准确，则整个信道就会因为失去同步而突然“跑掉”。
（1）码元偏移点数分析。理想情况下，信号从同步到失步是一个渐变的过程，表现为相应的阈值也是一个渐变的过程，阈值必然会从大到小的渐变，因此可以通过对这个渐变过程的统计来估计此时的码元偏移点数。考虑到信道噪声的影响，在低SNR时，阈值的变化不一定严格遵循从大到小的原则，但总的来说也会表现出从大到小的趋势。
由公式（8）、（9）可以推知，当出现较长的跨码元时，当前DSTFT运算得到的阈值必然会比较小。因而，可以通过统计T < T D 的个数C x 来判断此时是否已经出现较长的跨码元情况：
式中：T i 为当前阈值，T D 为预设常数。当满足C x ≥ C a 时，则说明此时已经出现较长的跨码元情况，但信号还未失步，之后可以进行同步移位操作。这里，C a 为预设常数。当进行同步移位操作之后，将C x 和
清0；各参数的取值如表2所示。
表2：码元跟踪过程同步算法分析中各参数的取值
| 参数 |  |  |  |  |  |  | |||
| 取值 | 30 | 4 | 30 | 2.56 | 4 | 4 | 30 | 5 | 1 |
（2）码元左、右偏移方向分析。上面的统计分析只能保证此时已经出现了较长跨码元的情况，但并不能确定码元的偏移方向，即不能肯定此时需要进行的是同步指针的左移还是右移操作。为了确定此时为何种码元偏移情况，需要对跨码元的情形进行分析，如图8所示。
具体的判断方法如下：假设DSTFT得到的当前码元为B i ，前一码元为B i-1 。首先，必须满足当前阈值T i < T E ，T E 为预设常数。同时在当前N （假设L=N ）个采样点的左、右两侧各取N 1 （N 1 < N/2）个采样点进行DSTFT运算得到T l 、T r 以及B l 、B r ，其中T l 、T r 为左、右两边DSTFT得到的阈值，B l 、B r 为相应的码元值；然后，必须满足：T l >T F ，T r >T G ，并且保证B l 不等于B r ，说明当前N个采样点已经出现了较长的跨码元。这里，T F 、T G 为相应的预设常数；最后，如果满足B l 不等于B i ，B r 等于B i ，并且B i-1 不等于B i ，如图8左图的情况，则同步指针进行右移操作；如果满足B l 等于B i ，B r 不等于B i ，并且B i-1 等于B i ，如图8右图的情况，则同步指针进行左移操作。
移位过程采用求最大值的方法，同时也结合运用二分法的思想，能较快的实现同步操作。假设此时移动步长限定范围为l∈（l d -l m ，l d +l m ），则总跨度为2l m 。其中l d 、l m 为预设常数，初始运算时，取l m（d） = l m 。实现步骤如下：
（1）首先移位l d -l m（d） /2点，重新计算DSTFT得到阈值T 1 ，再重新移位l d +l m（d） /2，计算DSTFT得到阈值T 2 ，更新l m（d） 的值，减小为原l m（d） 值的一半，比较T 1 、T 2 的大小，如果T 1 > T 2 ，则移位l d - l m（d） /2点；否则移位l d + l m（d） /2点，进入步骤2。
（2）判断是否满足停止条件，停止条件为：移动步长l m（d） 满足l m（d） < l d（min） ，l d（min） 为预设值，即此时的最小移位步长。如满足，则选取此时的步长作为移位步长；否则，转到步骤1，重新进行移位运算。
在本发明中，当运算结束之后，根据当前所处的信息接收阶段进行对应的同步算法，如果是非正文接收阶段则采用码元起始点捕获同步算法；否则，采用码元跟踪过程同步算法。当相应的同步算法结束之后，更新同步数据指针，至此当前码元的同步运算完成。
码元起始点捕获同步算法设计流程如图9所示：比较当前DSTFT计算得到的阈值与阈值的预设值1，如果前者较大，则同步算法结束，即无需同步；否则，进行移位操作。重新进行DSTFT运算，根据计算得到的阈值判断移位方向是否正确，如果移位方向正确，则更新同步步长，更新阈值，判断是否满足停止条件；如果移位方向不正确，则反方向进行移位操作，接着进行DSTFT运算，同时更新同步步长，更新阈值，判断是否满足停止条件。如果满足停止条件，则同步算法结束，否则继续进行移位操作。
码元跟踪过程同步算法设计流程如图10所示：比较当前DSTFT计算得到的阈值与阈值的预设值2，如果前者较大，则同步算法结束，即无需同步；否则，进行移位方向判断。首先解析前一个码元，接着进行左、右两边DSTFT运算，根据计算得到的阈值判断是否需要进行同步指针的调整以及移位方向的确定。如果需要，则调整同步指针，算法结束；否则，直接结束，不进行移位操作。
NAVTEX信号解调模块可以采用freescale公司56800E系列的DSP芯片DSP56853，但不限于此。
三、NAVTEX信息解码模块
NAVTEX直接印字电报业务采用前向纠错（FEC）方式发送，每条信息发送两遍，首先发射一个字符（DX）后，接着发射四个其余的字符，然后再重新发射第一个字符（RX），采用时间分集接收，如图11所示。系统编码采用4B3Y的7单元编码（B为高频率，Y为低频率）格式，在本发明中，B为码元1，Y为码元0，因此4B3Y码相当于4个1,3个0的编码。这样，我们就可以在接收端通过比较0、1码元的个数实现信息的解码。
根据CB/T 18766-2009标准规定，中文NAVTEX系统采用三个英文字母（按ITU-R M.476建议表I规定）对应一个GB2312-1980编码的汉字交换方式。而GB2312-1980中任意一个图形字符都采用两个字节表示，每个字节均采用GB1988-80及GB2311-80中的七位编码表示。两个字节中前面的字节为第一字节，即区码，后面的字节为第二字节，即位码。码表共可分成94个区，每个区有94位。码表中的任何一个图形字符的位置用它所在的区码和位码表示。
除此之外，还有两个特殊的控制信息也采用4B3Y的编码，即定相信号1为YBBYYBB和定相信号2为BBBBYYY，两者组合后用于开始定相信号和结束空闲信号的判断。
NAVTEX信息解码模块首先进行开始定相信号的检测，当检测到开始定向信号时，系统进入接收正文信息状态。信息正文的开始以ZCZC作为起始信息标记，但ZCZC可以不打印输出。当接收到ZCZC后，接着检测是否接收到正文结束信息标记NNNN。如果接收到，则本条信息结束；否则，继续接收正文信息。
1、英文NAVTEX信息解码
无论中文还是英文NAVTEX系统，首先都必须进行4B3Y码的译码，然后对该7单元的4B3Y码进行英文或者符号的解码，根据码流特征进行字符解码。DX和RX位置上的接收结果共有以下四种情况：
（1） DX和RX接收到的信号都符合4B3Y规则，且两者相同；
（2） DX和RX接收到的信号都符合4B3Y规则，但两者不同；
（3） DX和RX接收到的信号只有一个符合4B3Y规则，另一个不符合；
（4）DX和RX接收到的信号都不符合4B3Y的规则。
对于（1）和（3）的情况，判为正确接收，并选择符合4B3Y规则的码组为正确的码组，输出对应的字符。对于（2）和（4）的情况，均判为错误，此时输出符号“*”，表示接收出错。
2、中文NAVTEX信息解码规则
对于中文NAVTEX信息，首先也需要按照英文NAVTEX信息解码规则进行解码，得到相应的英文字母，然后在此基础上进行第二次译码。中文NAVTEX信息报文头部采用与国际NAVTEX信息一致的方式，从技术编码B1B2B3B4结束以后进入汉字译码。一般在接收中文字符前会先接收到一个转义字符，即转为汉字键（现行中文NAVTEX系统一般采用未穿带孔YBYBYBB）。
按照英文解码规则解码之后，英文字母共有如下三种情况：
（1）接收到的连续三个字符都是英文字母，第一个字母在A-M之间，第二第三个都是正确的英文字母。
（2）接收到的连续三个字符其中至少有一个不是英文字母，且也不是相关的回车、换行和转义字符。
（3）接收到的连续三个字符都是回车、换行或者转义字符。
对于情况（1）和情况（3），均判别为正确的码，第一种情况时，采用相应的转换方法，得到当前汉字的区码和位码；第三种情况时，直接输出控制字符。对于情况（2），判为接收错误，输出符号“*”，表示接收出错
NAVTEX中文信息采用三个英文字母代表一个GB2312-1980规定的中文编码，而GB2312-1980中一个中文采用区码加位码的表示方法，其中区码和位码取值在1-94之间。因此，需要建立英文字母与区、位码间的转换规则。假设当前收到的英文字母从先到后分别为E2、E1和E0，则该字母组代表的区码X和位码Y的计算公式如下：
其中，X，Y的取值在1-94之间；
的取值在0-25之间，分别对应字母A-Z。X-1为等号右边式子计算结果的商，Y-1为余数。以汉字“奈”为例，其对应的三个英文字母E2、E1、E0分别为E、Y、H，则对应数字 分别为4、24、7。将其代入公式（11）得到：Q-1=35；W-1=45。因此区码Q=36，位码W=46。确定区、位码之后就可以找到对应的汉字点阵地址。
3、码元自动纠正方法
虽然解调运算模块中已经采用了相应的解调算法和同步算法，但是当NAVTEX信号信噪比比较低时，并不能保证每次接收到的NAVTEX码流都是完全正确的。此时有可能会出现码元丢位、码元多位以及码元错误等的情况。如果不对这些情况进行纠错会导致误码率升高，有可能无法满足NAVTEX系统对NAVTEX信息误码率的要求，所以必须加入相应的纠错机制。从本质上来说，码元丢位和多位只是一个移位方向的不同，多位也可以通过多次丢位的移位过程实现。本发明NAVTEX信息解码模块中只考虑了码元丢位的情况。具体实现时，采用错误计数器对码元错误个数进行统计。如果按照字符解码表解码过程中连续出现三个“*”，则判定当前码流已经出现了丢位的情况，此时清除错误计数器，进行丢位补偿。否则，当出现一个或者两个“*”时，只将当前码流作为错误比特处理。
NAVTEX信息解码模块可以采用Altera公司Cyclone EP1C6型号的FPGA芯片，但不限于此。
应用上述基于DSTFT的NAVTEX解调器的解调方法，包括以下步骤：
1、A/D采样模块对信号进行双通道A/D采样，将采样数据乒乓缓存并采用模拟开关进行通道切换
1．1、双通道A/D采样
NAVTEX信号带通采样采用带通欠采样的方法，将NAVTEX信号的频谱搬移至比较低的频率，本发明中A/D采样模块采样频率为8kHz，对原来中频的NAVTEX信号经过带通采样，将频谱搬移到2kHz附近，对NAVTEX信号的采样相当于采用
kHz的采样频率对2kHz
85Hz信号进行采样，用宽带的A/D转换器，在保证一定精度的情况下实现NAVTEX信号的低速采样，实现了NAVTEX信号的低速采样，将数据输出到存储区进行下一步的乒乓缓存。
1.2、乒乓缓存
A/D采样模块中采样值的存储采用乒乓操作，每个通道的数据分配两个缓冲区，两个通道共四个缓冲区。在本发明中，存储模块分配四个相等容量大小的缓冲区，即：通道0缓冲区1、通道1缓冲区1、通道0缓冲区2和通道1缓冲区2。通道0与通道1轮流进行8kHz的采样，先进行通道0采样数据读取，后进行通道1采样数据读取，因此当通道0缓冲区1或者通道1缓冲区1存储满之后进行缓冲区的切换，每次当缓冲区存满之后，开始进行信号解调运算。
1.3、通道切换
当通道486kHz/4209.5kHz进行解调运算时，采用模拟开关进行通道切换。
二、NAVTEX信号解调模块对NAVTEX信号进行解调，得到相应码元
进行信号解调运算开始后，先进行通道0的解调，同步运算开始，通过码元起始点捕获同步算法的分析，进行相应的码元偏移，完成码元起始点的捕获，实现码元的同步，从而进入信息正文码元的接收阶段，通过DSTFT解调算法运算实现相应通道的解调，在接收码元的过程中，通过码元跟踪过程同步算法的分析，对失步的码元进行重新同步，当解调运算结束后，同步运算也结束，并进行码元的判别与输出控制，至此，单次的通道0解调运算结束，判定是否完成通道0的解调，如检测到结束信号，则进入通道1的解调，否则继续进行通道0的解调运算；通道1的解调运算与通道0的解调方法类似。
三、NAVTEX信号解码模块将解调信号进行解码，得到NAVTEX信息
解调运算结束后，NAVTEX信息解码模块首先进行开始定相信号的检测，当检测到开始定向信号时，系统进入接收正文信息状态。信息正文的开始以ZCZC作为起始信息标记，当接收到ZCZC后，接着检测是否接收到正文结束信息标记NNNN。如果接收到，则本条信息结束；否则，继续接收正文信息。在接收信息的过程中，通过码元自动纠正方法，对码元丢位的情况进行处理，采用错误计数器对码元错误个数进行统计。如果按照字符解码表解码过程中连续出现三个“*”，则判定当前码流已经出现了丢位的情况，进行丢位补偿。否则，只将当前码流作为错误比特处理。
正文信息接收结束后，先进行4B3Y码的译码，然后对该7单元的4B3Y码进行英文或者符号的解码，根据码流特征进行字符解码，对于英文NAVTEX信息，至此，实现英文NAVTEX信息的解码；对于中文NAVTEX信息，首先也需要按照英文NAVTEX信息解码规则进行解码，得到相应的英文字母，然后在此基础上进行第二次译码，中文NAVTEX信息报文头部采用与国际NAVTEX信息一致的方式，从技术编码B1B2B3B4结束以后进入汉字译码；NAVTEX中文信息采用三个英文字母代表一个GB2312-1980规定的中文编码，而GB2312-1980中一个中文采用区码加位码的表示方法，其中区码和位码取值在1-94之间，通过建立英文字母与区、位码间的转换规则，进行中文信息的二次译码，实现中文NAVTEX信息的解码，输出相应的信息。
Claims (1)
1.一种基于DSTFT的解调方法，该方法在基于DSTFT的NAVTEX解调器上实现，所述基于DSTFT的NAVTEX解调器由A/D采样模块、信号解调模块和信息解码模块依次串联组成，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）A/D采样模块对信号进行双通道A/D采样，将采样数据乒乓缓存并进行通道切换；
（2）NAVTEX信号解调模块对NAVTEX信号进行解调，得到相应码元；
（3）NAVTEX信号解码模块将解调信号进行解码，得到NAVTEX信息；
其中，所述步骤（1）具体包括以下子步骤：
（1）双通道A/D采样：NAVTEX信号带通采样采用带通欠采样的方法，将NAVTEX信号的频谱搬移至2kHz 
85Hz，用A/D采样模块进行NAVTEX信号的低速采样，将采样数据输出到存储区进行下一步的乒乓缓存；
（2）乒乓缓存：A/D采样模块中采样值的存储采用乒乓操作，每个通道的数据分配两个缓冲区，两个通道共四个缓冲区；存储模块分配四个相等容量大小的缓冲区：通道0缓冲区1、通道1缓冲区1、通道0缓冲区2和通道1缓冲区2，其中，通道0缓冲区1与通道0缓冲区2存储通道0数据，通道1缓冲区1与通道1缓冲区2存储通道1数据；通道0与通道1轮流进行8kHz的采样，先进行通道0采样数据读取，后进行通道1采样数据读取，因此当通道0缓冲区1或者通道1缓冲区1存储满之后进行缓冲区的切换，每次当缓冲区存满之后，开始进行信号解调运算；
（3）通道切换：当通道1进行解调运算时，采用模拟开关进行通道切换；
所述步骤（2）具体为：进行信号解调运算开始后，先进行通道0的解调，同步运算开始，通过码元起始点捕获同步算法的分析，进行相应的码元偏移，完成码元起始点的捕获，实现码元的同步，从而进入信息正文码元的接收阶段，通过DSTFT解调算法运算实现相应通道的解调，在接收码元的过程中，通过码元跟踪过程同步算法的分析，对失步的码元进行重新同步，当解调运算结束后，同步运算也结束，并进行码元的判别与输出控制，至此，单次的通道0解调运算结束，判定是否完成通道0的解调，如检测到结束信号，则进入通道1的解调，否则继续进行通道0的解调运算；通道1的解调运算与通道0的解调方法一致；
所述步骤（3）具体为：解调运算结束后，NAVTEX信息解码模块首先进行开始定相信号的检测，当检测到开始定向信号时，系统进入接收正文信息状态；信息正文的开始以ZCZC作为起始信息标记，当接收到ZCZC后，接着检测是否接收到正文结束信息标记NNNN；如果接收到，则本条信息结束；否则，继续接收正文信息；在接收信息的过程中，通过码元自动纠正方法，对码元丢位的情况进行处理，采用错误计数器对码元错误个数进行统计；如果按照字符解码表解码过程中连续出现三个“*”，则判定当前码流已经出现了丢位的情况，进行丢位补偿；否则，只将当前码流作为错误比特处理；正文信息接收结束后，先进行4B3Y码的译码，然后对该7单元的4B3Y码进行英文或者符号的解码，根据码流特征进行字符解码，对于英文NAVTEX信息，至此，实现英文NAVTEX信息的解码；对于中文NAVTEX信息，首先也需要按照英文NAVTEX信息解码规则进行解码，得到相应的英文字母，然后在此基础上进行第二次译码，中文NAVTEX信息报文头部采用与国际NAVTEX信息一致的方式，从技术编码B1B2B3B4结束以后进入汉字译码；NAVTEX中文信息采用三个英文字母代表一个GB2312-1980规定的中文编码，而GB2312-1980中一个中文采用区码加位码的表示方法，其中区码和位码取值在1-94之间，通过建立英文字母与区、位码间的转换规则，进行中文信息的二次译码，实现中文NAVTEX信息的解码，输出相应的信息。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110300669.9A CN102510292B (zh) | 2011-10-09 | 2011-10-09 | 基于dstft的navtex解调方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110300669.9A CN102510292B (zh) | 2011-10-09 | 2011-10-09 | 基于dstft的navtex解调方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102510292A CN102510292A (zh) | 2012-06-20 |
| CN102510292B true CN102510292B (zh) | 2014-04-16 |
Family
ID=46222346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110300669.9A Expired - Fee Related CN102510292B (zh) | 2011-10-09 | 2011-10-09 | 基于dstft的navtex解调方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102510292B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105009591B (zh) | 2013-01-18 | 2018-09-14 | 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 | 使用有来自至少两个数据流的码元及数据流之间的同步化起始码元标识符的源块的前向纠错 |
| CN104168037B (zh) * | 2014-08-08 | 2016-06-15 | 南京俊禄科技有限公司 | 一种多功能航行信息接收机 |
| CN107483149A (zh) * | 2017-08-03 | 2017-12-15 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种基于fpga实现的navtex报文调制方法 |
| CN107465639B (zh) * | 2017-08-23 | 2020-05-19 | 国家电网公司 | 一种基于短时离散傅立叶变换的多路延时同步判决解调方法 |
| CN114285472B (zh) * | 2021-12-20 | 2023-05-09 | 北京邮电大学 | 一种基于手机摄像头具有前向纠错的upsook调制方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101877595A (zh) * | 2009-04-29 | 2010-11-03 | 深圳市中科海信科技有限公司 | 船用navtex航行警告接收机 |
-
2011
- 2011-10-09 CN CN201110300669.9A patent/CN102510292B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101877595A (zh) * | 2009-04-29 | 2010-11-03 | 深圳市中科海信科技有限公司 | 船用navtex航行警告接收机 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| 双通道NAVTEX接收机的研制;唐少华;《浙江大学硕士论文》;20100505;第4-59页 * |
| 唐少华.双通道NAVTEX接收机的研制.《浙江大学硕士论文》.2010, |
| 基于FPGA的NAVTEX解调器研究与设计;张正宇;《浙江大学硕士论文》;20110523;第14-15页，图2-6 * |
| 张正宇.基于FPGA的NAVTEX解调器研究与设计.《浙江大学硕士论文》.2011, |
| 金文光，唐少华，张正宇.中英文奈伏泰斯接收机软件设计和实现.《中国航海》.2009,第32卷(第3期), * |
| 金文光,张正宇,唐少华.2FSK信号DSTFT算法中的同步新方法.《浙江大学学报(工学版)》.2011,第45卷(第6期), * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102510292A (zh) | 2012-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102510292B (zh) | 基于dstft的navtex解调方法 | |
| JP5710417B2 (ja) | 無線受信装置 | |
| CN104811974B (zh) | WiFi综测仪中基于IEEE802.11n标准的数据处理方法 | |
| CN102025671B (zh) | 时间粗同步和频率精同步的时域联合估计方法 | |
| CN108632185B (zh) | 一种船舶vdes系统的ais体制解调方法及解调系统 | |
| CN101453435B (zh) | 一种零中频接收机直流偏置校正的方法及装置 | |
| CN105704081B (zh) | 多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法 | |
| CN108183877B (zh) | 一种基于fpga的多音调频信号解调方法 | |
| CN109101453B (zh) | 异步串行通信采样系统和方法 | |
| CN105743612A (zh) | 实时盲解调大频移短时突发信号的方法 | |
| CN105187352A (zh) | 一种基于ofdm前导的整数频偏估计方法 | |
| CN103997478B (zh) | Ofdm‑wlan系统的定时同步硬件实现方法 | |
| CN103188067B (zh) | 一种扩频系统的码片时钟频率偏差误差估计及校正的方法 | |
| US9270329B2 (en) | Methods for transmitting and receiving data in a digital telecommunications system | |
| CN101621493B (zh) | Ofdm的频率偏移估计的判决方法 | |
| CN107612864B (zh) | 突发模式简化符号同步方法的判决门限值设定方法 | |
| CN101931594B (zh) | 一种基站的基带接收机的信号处理方法及基带接收机 | |
| CN116488978B (zh) | 一种适用测试环境中br蓝牙的帧同步方法 | |
| CN101895313A (zh) | Hf/vhf突发通信的信噪比估计方法 | |
| CN101667990B (zh) | Ofdm频率偏移联合估计方法 | |
| CN202949449U (zh) | 一种td-lte信道估计系统 | |
| CN111865550B (zh) | 基于双路导频的无帧头无线通讯方法 | |
| CN115002723B (zh) | 一种基于4g/5g频谱搬移的航空宽带通信方法 | |
| CN112866161B (zh) | 一种5g nr制式的小区id检测方法及系统 | |
| US11140014B1 (en) | System and method for efficient timing estimation and tracking in an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) communication system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140416 Termination date: 20171009 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |