CN107483149A - 一种基于fpga实现的navtex报文调制方法 - Google Patents

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李兴和
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA实现的NAVTEX报文调制方法，涉及航海无线电通信和软件无线电领域。本方法根据NAVTEX报文特点，通过采用FPGA实现了NAVTEX调制器的设计，如图1所示，首先通过乒乓缓存技术将收到的有效数据进行实时存储，完成数据的无缝缓冲与处理；然后通过采用4B3Y检错码编码方式对NAVTEX报文进行编码，大大提高了数字信息传输的正确性、可靠性；通过采用F1B调制模式对NAVTEX报文进行调制，极大地提高了频带的占用率，增强了传输的抗干扰性；最后通过数据发送模块将调制后的报文发送给发射机完成发送。本发明基于FPGA实现NAVTEX的调制，FPGA的各个功能模块完全采用VHDL语言编写，占用资源小，模块化设计使用方便，性能更稳定可靠，非常适合于海上无线电通信。

Description

一种基于FPGA实现的NAVTEX报文调制方法
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FPGA实现的NAVTEX(奈伏泰斯)调制方法；
背景技术
NAVTEX系统是全球海上遇险和安全系统(GMDSS)中的重要组成部分，它通常由NAVTEX业务协调站、NAVTEX发射台和NAVTEX接收机三大部分所组成。NAVTEX协调站协调或制作NAVTEX报文，然后通过NAVTEX发射台向所覆盖海域发布航行警告、气象警告、紧急信息。所有装备NAVTEX接收机的船舶可以有选择地(特殊信息除外)自动接收并打印各类所需要的信息。因此NAVTEX系统为保证船舶航行及作业安全发挥着极其重要的作用。
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、湛江等多个地方建立了NAVTEX业务海岸电台，链状覆盖了我国沿海400海里以内的海域，分别向所管辖海域用518kHz频率发布英文的NAVTEX信息。我国国内NAVTEX业务采用486kHz的频率播发中文的NAVTEX信息，也可以使用4209.5kHz频率播发。
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信息的播发系统也朝着数字化、软件化、多样化和集成化的方向发展。以往使用的NAVTEX播发机的模拟电路非常复杂，要达到所需要的精度会使播发机占用的体积非常大，并且对性能的提高和新功能的增加都带来了困难。
针对以上缺点，本发明提出了一种基于FPGA实现NAVTEX信息调制的方法。
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FPGA实现的NAVTEX调制的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本方案提出了一种基于FPGA实现的NAVTEX报文调制方法，它主要由数据接收和缓存模块、NAVTEX报文编码模块、NAVTEX报文调制模块和NAVTEX报文发送模块四部分组成。包括以下步骤：
(1)数据接收和缓存模块接收来自数据预处理单元的NAVTEX有效数据，并通过乒乓操作进行数据的缓存；
(2)NAVTEX报文编码模块采用4B3Y检错码控制方式对NAVTEX有效数据进行编码，形成NAVTEX报文；
(3)NAVTEX报文调制模块采用F1B调制模式对NAVTEX报文进行调制；
(4)NAVTEX报文发送模块将调制后的NAVTEX报文发送给发射机。
其中，步骤(2)具体包括以下步骤：
(201)NAVTEX报文编码模块对NAVTEX有效数据中的汉字进行信源编码，即每个汉字或符号采用唯一的3个英文字母表示；
(202)对表示每个汉字或符号的3个英文字母进行4B/3Y码编码，即4个B表示0和3个Y表示1；
(203)进行纠错码的编码，即以表示每个汉字的4B/3Y码构成线性分组码的信息位，取一个字符构成线性分组码的监督位，形成NAVTEX报文。
其中，步骤(3)具体包括以下步骤：
(301)NAVTEX报文调制模块把NAVTEX报文转换为二进制信息序列；
(302)将二进制信息序列经过前向纠错编码加入监督码元并进行时间分集得到需要调制的数据信号；
(303)经过2FSK调制把数据信号转变为音频信息，其中，音频信息的中心频率为1700Hz，当数据信号为高电平时，音频信息的频率为1615Hz，反之音频信息的频率为1785Hz。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
(1)数据的存储采用了乒乓缓存技术，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。
(2)NAVTEX报文编码采用4B3Y检错码编码方式，大大提高了数字信息传输的正确性、可靠性。
(3)NAVTEX报文调制采用F1B调制模式，该模式占用的频带窄，抗干扰能力强，非常适合于海上无线电通信。
(4)本发明基于FPGA，FPGA的各个功能模块完全采用VHDL语言编写，占用资源小，模块化设计使用方便，而且便于软件的升级等特点。
附图说明
图1为本发明FPGA内部功能模块原理示意图；
图2为本发明NAVTEX信号的编码格式图；
图3为本发明F1B调制模式结构图。
具体实施方式
本发明针对以往NAVTEX发射机模拟电路复杂，为达到所需要精度而导致发射机占用体积大、对提高性能和增加新功能困难等缺点，提出了一种数字化、基于软件无线电技术的NAVTEX调制方法。参照图1，基于FPGA实现的NAVTEX调制器包括了以下几个模块：
数据接收和缓存模块、NAVTEX报文编码模块、NAVTEX报文调制模块和NAVTEX报文发送模块。
参照图1，一种基于FPGA实现的NAVTEX报文调制方法，包括以下步骤：
(1)通过数据接收和缓存模块接收来自数据预处理单元的NAVTEX有效数据，并通过乒乓操作进行数据的缓存；
为了保证数据不丢失地传输给NAVTEX报文编码模块，需要对接收的数据进行缓存，当某个缓存区存满之后，将数据保存到另一个缓存区中，在本设计中我们采用了乒乓操作的方式进行存储，每个通道的数据分配两个缓冲区，通过对“输入数据流”和“输出数据流”按节拍，相互配合切换，将经过缓冲的数据流没有时间停顿地送到下一个处理模块，进行后续的运算和处理。在乒乓操作中，输入数据流和输出数据流是连续不断的，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。
(2)通过NAVTEX报文编码模块采用4B/3Y检错码控制方式对NAVTEX有效数据进行编码，形成NAVTEX报文；
NAVTEX系统使用直接印字电报技术。播发的信号除符合CCIR476-4建议有关直接印字电报系统B模式规定以外，同时根据汉字特有的传输要求采用线性分组码纠错编码方式。信号的编码格式如图2所示,其中ZCZC表示定相信号的结束，B1B2B3B4为技术编码。B1是发信台识别标识，能够使接收机识别接收或拒绝该电台的信息。B2是各种电报的分类识别字母，如航行警告、气象警告、冰况警告、搜救信息等；B3B4是每一类B2电报的流水编号，从01开始至99后再重新从01开始，但要避免使用仍然有效的电报编号。编号00只能用于特别重要的电报，如始发的遇险电报。
我们常用的有两种NAVTEX编码方式，即英文方式和中文方式：
1)英文编码方式
英文NAVTEX系统中报文采用4B/3Y码的编码方式，即由4个“0”和3个“1”组成的、具有一定检查能力的7单元码。其中英文和字符重复使用的码序列通过在报文中添加转换符来加以区别。即“转为字母键”和“转为数字键”。
2)中文编码方式
在汉字NAVTEX系统中使用汉字来广播和接收，所以汉字的编码及传输方式尤为重要。汉字是象形字，不能像英文字母那样直接传输。为传输汉字需要对它进行两种编码，即信源编码和信道编码。前者是用一组字符唯一表示一个汉字，原则是用最少的字符表示最多的汉字，它体现了信源编码的效率；后者是对这一组字符进行适应不同信道而编码的编码形式，反应了传输过程的可靠性。
本设计中首先进行信源编码，采用的编码方式为英文-汉字字符集方式，为提高汉字的传输效率，采用3个英文字母唯一地表示一个汉字，且字母组间不插入空格；其次进行信道编码，为保障汉字传输的可靠性，在信道侧对表示汉字的每个字符进行4B/3Y码编码，构成线性分组码的信息位；最后再进行纠错码的编码，取一个字符构成线性分组码的监督位。
(3)通过NAVTEX报文调制模块将NAVTEX报文调制到相应的频段；
在本设计中NAVTEX的信息调制采用F1B模式(前向纠错窄带直接印字电报模式)如图3所示，它首先把编码后的信息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2FSK调制把数据信号转变为音频信号，其中心频率为1700Hz。当输入数据为高电平时，音频信号的频率为1615Hz，反之音频信号的频率为1785Hz，然后用这个音频信号去调制490kHz(或其他频率)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。
F1B是利用振幅相等但频率不同的两个振荡波来传送数字信息的一种发射类型，又称为移频键控。根据CCIR的建议，海上通信采用的两个振荡频率分别为1785Hz和1615Hz，其中1785Hz称为空号频率，对应于二进制信息的“0”信号，1615Hz称为传号频率，对应于二进制的“1”信号，即以1700Hz为中心，移频范围为±85Hz的移频信号。F1B调制方式占用的频带窄，抗干扰能力强，非常适合于海上无线电通信。
(4)将调制后的NAVTEX报文经过数据发送模块发送给发射机；数据发送模块也采用了乒乓缓存技术，为了保证数据不丢失地传输给发射机，需要对发送的数据进行缓存，当某个缓存区存满之后，将数据保存到另一个缓存区中，每个通道的数据分配两个缓冲区，通过对“输入数据流”和“输出数据流”按节拍，相互配合切换。

Claims (3)

1.一种基于FPGA实现的NAVTEX报文调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)数据接收和缓存模块接收来自数据预处理单元的NAVTEX有效数据，并通过乒乓操作进行数据的缓存；
(2)NAVTEX报文编码模块采用4B3Y检错码控制方式对NAVTEX有效数据进行编码，形成NAVTEX报文；
(3)NAVTEX报文调制模块采用F1B调制模式对NAVTEX报文进行调制；
(4)NAVTEX报文发送模块将调制后的NAVTEX报文发送给发射机。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现的NAVTEX报文调制方法，其特征在于，步骤(2)具体包括以下步骤：
(201)NAVTEX报文编码模块对NAVTEX有效数据中的汉字进行信源编码，即每个汉字或符号采用唯一的3个英文字母表示；
(202)对表示每个汉字或符号的3个英文字母进行4B/3Y码编码，即4个B表示0和3个Y表示1；
(203)进行纠错码的编码，即以表示每个汉字的4B/3Y码构成线性分组码的信息位，取一个字符构成线性分组码的监督位，形成NAVTEX报文。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现的NAVTEX报文调制方法，其特征在于，步骤(3)具体包括以下步骤：
(301)NAVTEX报文调制模块把NAVTEX报文转换为二进制信息序列；
(302)将二进制信息序列经过前向纠错编码加入监督码元并进行时间分集得到需要调制的数据信号；
(303)经过2FSK调制把数据信号转变为音频信息，其中，音频信息的中心频率为1700Hz，当数据信号为高电平时，音频信息的频率为1615Hz，反之音频信息的频率为1785Hz。
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