CN108923805A - 一种抗干扰航行警告接收机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗干扰航行警告接收机系统，包括正交天线子系统和信息终端子系统，正交天线子系统连接到信息终端子系统，正交天线子系统包含正交定向磁场天线单元、4路数模转换单元、数字中频处理单元和串口发送单元，信息终端子系统包括串口接收单元、基带信号处理判定单元和显示控制单元，其中正交天线子系统与信息终端子系统之间通过串口差分双绞线连接。本发明采用互相垂直的正交定向天线同时接收来自空间的有效信号，可以减弱对干扰的接收，从而提高接收信噪比，改善接收灵敏度，双绞线用于传输基带低速数字信号，具有传输距离长，不存在传输损耗、抗干扰强、成本低等优点，可以灵活布线，最大程度规避环境干扰对接收机系统的干扰。

Description

一种抗干扰航行警告接收机系统

技术领域

本发明涉及船舶通信导航技术领域，特别涉及一种抗干扰航行警告接收机系统。

背景技术

航行警告接收机（NAVTEX）系统是为海上航行的船舶播发航行警告、气象警告、气象预报和其他紧急信息的专用广播系统，是全球海上遇险和安全系统（GMDSS）的一个重要组成，对船舶的安全保障起到了非常重要的作用。NAVTEX系统使用的专用频率是518KHZ，采用窄带直接印字电报（NBDP）的FEC方式，向沿海航行的船舶播发标准和英文信息，除标准英文外，还允许各个国家使用其他频率播发本国语言，如中国以486KHZ或4209 .5MHZ播发中文信息。

现有航行警告接收机（NAVTEX）系统的缺陷如下：由于使用的频段属于低频电磁波，各种电子设备很容易产生该频段的干扰，与高频电磁波自然噪底-174dBm/Hz噪底不同，这些干扰往往比自然噪底高出几十dB，是在实际使用中影响航警接收系统灵敏度的最大瓶颈。因此，如果有技术能够在大多数情况下提高信噪比，则能显著提高航警系统接收灵敏度，接收到更多NAVTEX信息，从而增强航行安全。

传统的航警接收机天线分两种，一种是电场天线，一种是磁场天线。通常磁场天线更为复杂，但认为其综合性能更好。这是因为，船舶上的电子设备与航警天线距离较近，产生的电场信号是其主要干扰信号。而有效的航警广播信号，是远场信号，其电场和磁场能量相当。这样对于电场天线，其干扰（附近电子设备的辐射电场）要高。而对于磁场天线，近场的磁场干扰相对于电场干扰要小一些，因此干扰更低。

但是传统的航警接收机天线，不管是电场天线还是磁场天线，都是全向型天线。这是因为，船舶在航行中方向不定，无法获知有效的广播信号的方向，因而只能假定广播信号可能从任何一个方向发射过来。这样的好处是，对于任意方向的广播信号都能接收到，但具有两个缺点：

1、全向天线增益低，灵敏度受到一定影响；

2、更重要的是，由于对任何一个方向都能接收信号，意味着对各个方向的干扰也如数接收，导致最终的信噪比偏低。尤其是在船舶上安装越来越多的电子电气设备，强干扰情况不可避免，问题突出，大大降低了NAVTEX 接收灵敏度，甚至导致无法接收到岸台信号的问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是现有航行警告接收机系统灵敏度低，影响航行安全，而且传统的全向性天线抗干扰能力差，影响接收信号。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种抗干扰航行警告接收机系统，包括正交天线子系统和信息终端子系统，正交天线子系统连接到信息终端子系统，正交天线子系统包含正交定向磁场天线单元、4路数模转换单元、数字中频处理单元和串口发送单元，其中正交定向磁场天线单元信号传输到4路数模转换单元，4路数模转换单元信号传输到数字中频处理单元，数字中频处理单元信号传输到串口发送单元，信息终端子系统包括串口接收单元、基带信号处理判定单元和显示控制单元，串口接收单元信号传输到基带信号处理判定单元，基带信号处理判定单元信号传输到显示控制单元，其中正交天线子系统与信息终端子系统之间通过串口差分双绞线连接。本发明的一种抗干扰航行警告接收机系统，采用互相垂直的正交定向天线同时接收来自空间的有效信号，可以减弱对干扰的接收，从而提高接收信噪比，改善接收灵敏度，双绞线用于传输FSK解调之后的基带低速数字信号，具有传输距离长，不存在传输损耗、抗干扰强、成本低等优点，可以灵活布线，最大程度规避环境干扰对接收机系统的干扰。

其中，正交定向磁场天线单元采用多路在水平面圆周朝向等间隔的定向天线，其排列方式为磁棒间等角度安装，天线方向均匀分布，磁棒之间间隔角度=180/N, 其中N为独立天线组数。

优选的，正交定向磁场天线单元采用互相垂直的定向天线同时接收来自空间的有效信号，正交定向磁场天线单元包括4个磁棒天线，每个磁棒上绕有两个独立线圈，两个独立线圈一个为长线圈，一个为短线圈，4个磁棒排列成一个正方形，正方形对边的两个磁棒上的对应线圈连在一起形成4个线圈组，即长线圈与长线圈串连在一起，短线圈与短线圈串连在一起，每个线圈组的电感量是单个线圈两倍，4个线圈组的一端接地，另外一端分别与一个高Q可调电容并联，形成独立的4个LC并联谐振电路，4个线圈组外罩金属网格形成法拉第笼屏蔽低频电场信号，而低频磁场可以通过该网格，从而实现了磁场天线的功能。

其中，4路数模转换单元包括阻抗变换单元、数模转换单元以及接口转换单元，阻抗变换单元是采用FET放大器；数模转换单元采用高速SAR ADC，经过采样后变为数字信号输给数字中频处理单元；数字中频处理单元是采样FPGA的中频信号处理单元，对于4路经过ADC采样的1MHz采样率数字信号，每一路都经过如下处理：首先采用数字NCO把已经数字化的射频信号搬移到零频，接下来采用数字滤波器进行抽取和滤波，最终经过FSK解调器输出低频1kHz 基带信号，一共4路基带信号经过并串转换，并添加开始、结束和校验字符后，传输给串口发送单元；基带信号处理判定单元采用单片机，把每一路基带信号进行同步、解码、纠错，对于同一个频段，有两个独立正交的天线接收数据经过该单元被解调，然后比较两路数据，进行信息合并、分集；显示控制单元完成跟传统航警接收机一致的功能，进行信息的存储，自动删除，排列，并设置显示功能单元、打印功能单元和报警功能单元。

相对于传统的接收机方案，本发明的一种抗干扰航行警告接收机系统的关键点在于：

1）采用互相垂直的定向天线同时接收来自空间的有效信号，并独立解析。船舶以及陆上电子设备形成的干扰是有方向性的，相对于航警天线位置具有随机性，采用定向天线会在大多数情况下减弱（只有当干扰信号与有用信号同向时，才跟全向天线一致）对干扰的接收，从而提高接收信噪比，改善接收灵敏度。

2）传统的接收机系统天线与接收机模块传输的是经过预放大的射频信号，与传统的接收机系统不同，本发明天线内部自带数字信号处理，天线与显示终端模块的连接不是射频线缆，而是通用低成本的双绞线。传统方案中射频线缆价格高，传输的射频信号在经过长距离射频线会有损耗且容易受到干扰。本发明中天线与信息终端之间采用双绞线传输基带数字信号，具有传输距离长（最长1219m），不存在传输损耗、抗干扰强、成本低等优点。可以灵活布线，最大程度规避环境干扰对接收机系统的干扰。

3）采用了ADC+FPGA的方式，克服了采用传统超外差模拟电路复杂的电路，电路形式简单、灵活，使得多路定向天线结构具有实际价值。

效果上，根据主要干扰源方向与有用信号方向的关系，本发明所述接收机其性能相对于传统全向天线的比较如下：

1）最佳情况：当主干扰源方向与有用信号垂直且有用信号方向与其中一对天线的最强接收方向一致时，干扰源处于该天线的零点接收方向，因此完全被抑制。另外一对天线的接收情况正好相反，干扰最大，有用信号最小。这两路信号会被独立解调，到达基带合并、分集模块时，会自动选择干扰抑制方向通道的结果，舍弃干扰最大通道的结果；

2）最差情况：当主干扰源与有用信号同一方向（或者相反方向），且与任意两个天线最大接收方向差距45度(或135度)接收效果跟全向天线相同。

3）其他情况情况下，接收效果介于1) 2)之间，即干扰只能被部分抑制，比传统全向天线系统不同程度的好。这是因为，当主干扰信号方向与有用信号防线不一致时，总能找到一个天线上，对有用信号的接收增益要大于干扰信号的接收增益，即对干扰有一定的抑制度。 从而相对于全向天线提高而信噪比。

附图说明

图1是本发明的系统示意框图；

图2是本发明的正交天线子系统按信号流的系统框图；

图3是本发明的信息终端子系统按信号流的系统框图；

图4是本发明正交定向磁场单元的结构示意图；

图5是本发明单个磁棒天线抑制干扰信号方向图；

图6是本发明单个磁棒天线抑制有用信号方向图；

图7是本发明两组正交磁棒定向天线的综合辐射图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。

如图所示，本发明的一种抗干扰航行警告接收机系统，包括正交天线子系统和信息终端子系统，正交天线子系统连接到信息终端子系统，正交天线子系统包含正交定向磁场天线单元、4路数模转换单元、数字中频处理单元和串口发送单元，其中正交定向磁场天线单元信号传输到4路数模转换单元，4路数模转换单元信号传输到数字中频处理单元，数字中频处理单元信号传输到串口发送单元，信息终端子系统包括串口接收单元、基带信号处理判定单元和显示控制单元，串口接收单元信号传输到基带信号处理判定单元，基带信号处理判定单元信号传输到显示控制单元，其中正交天线子系统与信息终端子系统之间通过串口差分双绞线连接。

其中，正交定向磁场天线单元采用多路在水平面圆周朝向等间隔的定向天线，其排列方式为磁棒间等角度安装，天线方向均匀分布，磁棒之间间隔角度=180/N, 其中N为独立天线组数。

优选的，正交定向磁场天线单元采用互相垂直的定向天线同时接收来自空间的有效信号，正交定向磁场天线单元包括4个磁棒天线，每个磁棒上绕有两个独立线圈，两个独立线圈一个为长线圈，一个为短线圈，4个磁棒排列成一个正方形，正方形对边的两个磁棒上的对应线圈连在一起形成4个线圈组，即长线圈与长线圈串连在一起，短线圈与短线圈串连在一起，每个线圈组的电感量是单个线圈两倍，4个线圈组的一端接地，另外一端分别与一个高Q可调电容并联，形成独立的4个LC并联谐振电路，4个线圈组外罩金属网格形成法拉第笼屏蔽低频电场信号，而低频磁场可以通过该网格，从而实现了磁场天线的功能。

其中，4路数模转换单元包括阻抗变换单元、数模转换单元以及接口转换单元，阻抗变换单元是采用FET放大器；数模转换单元采用高速SAR ADC，经过采样后变为数字信号输给数字中频处理单元；数字中频处理单元是采样FPGA的中频信号处理单元，对于4路经过ADC采样的1MHz采样率数字信号，每一路都经过如下处理：首先采用数字NCO把已经数字化的射频信号搬移到零频，接下来采用数字滤波器进行抽取和滤波，最终经过FSK解调器输出低频1kHz 基带信号，一共4路基带信号经过并串转换，并添加开始、结束和校验字符后，传输给串口发送单元；基带信号处理判定单元采用单片机，把每一路基带信号进行同步、解码、纠错，对于同一个频段，有两个独立正交的天线接收数据经过该单元被解调，然后比较两路数据，进行信息合并、分集；显示控制单元完成跟传统航警接收机一致的功能，进行信息的存储，自动删除，排列，并设置显示功能单元、打印功能单元和报警功能单元。

本发明的一种抗干扰航行警告接收机系统，采用互相垂直的正交定向天线同时接收来自空间的有效信号，可以减弱对干扰的接收，从而提高接收信噪比，改善接收灵敏度，双绞线用于传输FSK解调之后的基带低速数字信号，具有传输距离长，不存在传输损耗、抗干扰强、成本低等优点，可以灵活布线，最大程度规避环境干扰对接收机系统的干扰。

相对于传统的接收机方案，本发明的一种抗干扰航行警告接收机系统的关键点在于：

1）采用互相垂直的定向天线同时接收来自空间的有效信号，并独立解析。船舶以及陆上电子设备形成的干扰是有方向性的，相对于航警天线位置具有随机性，采用定向天线会在大多数情况下减弱（只有当干扰信号与有用信号同向时，才跟全向天线一致）对干扰的接收，从而提高接收信噪比，改善接收灵敏度。

2）传统的接收机系统天线与接收机模块传输的是经过预放大的射频信号，与传统的接收机系统不同，本发明天线内部自带数字信号处理，天线与显示终端模块的连接不是射频线缆，而是通用低成本的双绞线。传统方案中射频线缆价格高，传输的射频信号在经过长距离射频线会有损耗且容易受到干扰。本发明中天线与信息终端之间采用双绞线传输基带数字信号，具有传输距离长（最长1219m），不存在传输损耗、抗干扰强、成本低等优点。可以灵活布线，最大程度规避环境干扰对接收机系统的干扰。

3）采用了ADC+FPGA的方式，克服了采用传统超外差模拟电路复杂的电路，电路形式简单、灵活，使得多路定向天线结构具有实际价值。

效果上，根据主要干扰源方向与有用信号方向的关系，本发明所述接收机其性能相对于传统全向天线的比较如下：

1）最佳情况：当主干扰源方向与有用信号垂直且有用信号方向与其中一对天线的最强接收方向一致时，干扰源处于该天线的零点接收方向，因此完全被抑制。另外一对天线的接收情况正好相反，干扰最大，有用信号最小。这两路信号会被独立解调，到达基带合并、分集模块时，会自动选择干扰抑制方向通道的结果，舍弃干扰最大通道的结果；

2）最差情况：当主干扰源与有用信号同一方向（或者相反方向），且与任意两个天线最大接收方向差距45度(或135度)接收效果跟全向天线相同。

3）其他情况情况下，接收效果介于1) 2)之间，即干扰只能被部分抑制，比传统全向天线系统不同程度的好。这是因为，当主干扰信号方向与有用信号防线不一致时，总能找到一个天线上，对有用信号的接收增益要大于干扰信号的接收增益，即对干扰有一定的抑制度。 从而相对于全向天线提高而信噪比。

不管是有用信号还是干扰信号，传统的全向天线接收机天线由于其全向特性，无法区分干扰的方向，对任何水平方向的干扰和信号，都一并接收，结果是不管干扰的方向如何，都会等幅度干扰有用信号的接收。

解决该问题的一个显而易见的方法是采用定向天线。而从单个磁棒天线的方向图，可以看到在磁棒轴向是零点方向，即在这个方向的干扰或者有用信号都不会被接收，而在轴向的垂直方向上是接收最大灵敏度方向。

但是单独的定向天线有一个固有问题：在有些情况下，有用信号处于天线的零点方向，反而导致无法有效接收有用信号问题。本发明主要是利用了软件无线电技术硬件结构简单、易于扩展、便于多路并行处理的优势，采用多路在水平面圆周朝向等间隔的定向天线对信号进行独立接收，保证来自不同方向的有用信号都能被天线系统接收到，在基带处理时对各个方向的结果进行优化合并，从而达到在大部分情况下既能减弱干扰信号，又能有效接收有用信号的效果。

请注意，本发明中定向天线的组数理论上只要大于等于两组都可以，组数越多最终性能越好。 其排列方式为磁棒间等角度安装，从而使得天线方向能够均匀分布。磁棒之间间隔角度=180/N, 其中N为独立天线组数。但基于成本和实用度考虑，本发明以两组定向天线为例。

下面详细描述每一部分的组成结构和原理：

1）正交磁场天线单元是有4个磁棒天线组成，每个磁棒上绕有两个独立线圈（分别对应500kHz长线圈与4.2MHz短线圈）。磁棒排列成一个正方形，正方形对边的两个磁棒上的对应线圈连在一起形成4个线圈（组）。即长线圈与长线圈串连在一起形成，短线圈与短线圈串连在一起，每个线圈组的电感量是单个线圈两倍。请注意这里正方形对边的两个磁棒实际上可以用一个磁棒实现，采用两个磁棒主要是结构上对称，便于生产。

4个线圈（组）分别是I方向线圈L1(L_I_500k)，L2(L_I_4.2M),和相对于I方向垂直的Q方向电感L3(L_Q_500k)，L4(L_Q_4.2M)。这4个线圈的一端接地，另外一端分别与一个高Q可调电容并联，形成独立的4个LC并联谐振电路，其中长线圈谐振点为500kHz，短线圈谐振点 4.2MHz，分别对应低频接收通道（486kHz，490kHz和518KHz）和高频接收通道（4209.5kHz）。外罩金属网格形成法拉第笼屏蔽低频电场信号，而低频磁场可以通过该网格，从而实现了磁场天线的功能。

由磁棒天线特性可知，在垂直于磁棒方向，是其最佳灵敏度方向，而磁棒延长线的方向，是灵敏度的凹陷点，理论上是完全不接受该方向的信号。这就是说磁棒天线本身具有方向性，能够屏蔽来自平行于磁棒方向的干扰。两个磁棒天线单元水平放置，且互相垂直。水平放置的目的在于，低频电磁波主要是通过地波传输（沿地面或者海面传输，即平行于地球表面），其磁场方向主要是水平的，因此无需考虑水平面以外的方向接收。互相垂直是为了两个天线互为正交。

由于每个天线上有两组谐振线圈，因此一共有4个输出，输出给下一级4路模数转换单元。

2）4路数模转换单元由阻抗变换单元、数模转换以及接口转换单元组成。阻抗变换单元是采用FET放大器，利用其高阻输入，低阻输出和放大作用，使得前端LC谐振磁场天线获得一个高阻抗负载从而保证了高Q值，高选择性，大大抑制了带外干扰，从而提高了抗干扰性。 数模转换单元采用高速SAR ADC,例如4通道14bit 1MHz 采样率的ADC AD7367,经过采样后变为数字信号输给数字中频处理单元。

3）数字中频处理单元是采样FPGA的中频信号处理单元。对于4路经过ADC采样的1MHz采样率数字信号，每一路都经过如下处理：首先采用数字NCO把已经数字化的射频信号搬移到零频，接下来采用数字滤波器进行抽取和滤波，最终经过FSK解调器输出低频1kHz基带信号。 一共4路基带信号经过并串转换，并添加开始、结束和校验字符后，传输给串口发送单元。

4）串口发送模块采用通用485芯片，负责把TTL电平的信号转化成差分485信号通过差分线传输到信息终端子系统。

5）串口接收模块：采用485芯片接收从天线子系统传输过来的串行差分信号并转化为TTL信号传输给基带信号处理判定单元

6）基带信号处理判定单元是整个系统的核心。该单元采用STM32F4系列单片机，负责把每一路基带信号进行同步、解码、纠错。对于同一个频段，如518kHz，有两个独立正交的天线(定为I,Q)接收数据经过该单元被解调，因此两路数据具有一定的独立性，从而具备空间分集的条件。接下来，软件会比较两路(I,Q路)数据，依据以下进行信息合并、分集：

a)如果对于某一接收字符，I,Q都能正确解析且一致，则选择正确解析的一致结果作为最终结果；

b)如果对于某一接收字符，I,Q都能正确解析但不一致，则选择整条电文错误率较低的通路的结果作为最终结果；

c)如果对于某一接收字符，I,Q只有一路正确解析，另外一路接收错误，则选择能正确解析的一路结果作为最终结果；

d)如果对于某一接收字符，I,Q两路都没有正确解析，则最终结果认为没有正确解析，用*代替。

经过以上判断后的字符结果作为最终字符结果输出给后端的显示、存储、打印模块，完成整个数据链路。

7）显示控制单元完成跟传统航警接收机一致的功能，进行信息的存储，自动删除，排列，并可设置是否显示、打印、报警等功能。

Claims (7)

1.一种抗干扰航行警告接收机系统，其特征在于：包括正交天线子系统和信息终端子系统，正交天线子系统连接到信息终端子系统，正交天线子系统包含正交定向磁场天线单元、4路数模转换单元、数字中频处理单元和串口发送单元，其中正交定向磁场天线单元信号传输到4路数模转换单元，4路数模转换单元信号传输到数字中频处理单元，数字中频处理单元信号传输到串口发送单元，信息终端子系统包括串口接收单元、基带信号处理判定单元和显示控制单元，串口接收单元信号传输到基带信号处理判定单元，基带信号处理判定单元信号传输到显示控制单元，其中正交天线子系统与信息终端子系统之间通过串口差分双绞线连接。

2.如权利要求1所述的一种抗干扰航行警告接收机系统，其特征在于：正交定向磁场天线单元采用多路在水平面圆周朝向等间隔的定向天线，其排列方式为磁棒间等角度安装，天线方向均匀分布，磁棒之间间隔角度=180/N, 其中N为独立天线组数。

3.如权利要求2所述的一种抗干扰航行警告接收机系统，其特征在于：正交定向磁场天线单元采用互相垂直的定向天线同时接收来自空间的有效信号，正交定向磁场天线单元包括4个磁棒天线，每个磁棒上绕有两个独立线圈，两个独立线圈一个为长线圈，一个为短线圈，4个磁棒排列成一个正方形，正方形对边的两个磁棒上的对应线圈连在一起形成4个线圈组，即长线圈与长线圈串连在一起，短线圈与短线圈串连在一起，每个线圈组的电感量是单个线圈两倍，4个线圈组的一端接地，另外一端分别与一个高Q可调电容并联，形成独立的4个LC并联谐振电路，4个线圈组外罩金属网格形成法拉第笼屏蔽低频电场信号。

4.如权利要求3所述的一种抗干扰航行警告接收机系统，其特征在于：4路数模转换单元包括阻抗变换单元、数模转换单元以及接口转换单元，阻抗变换单元是采用FET放大器；数模转换单元采用高速SAR ADC，经过采样后变为数字信号输给数字中频处理单元。

5.如权利要求4所述的一种抗干扰航行警告接收机系统，其特征在于：数字中频处理单元是采样FPGA的中频信号处理单元，对于4路经过ADC采样的1MHz采样率数字信号，每一路都经过如下处理：首先采用数字NCO把已经数字化的射频信号搬移到零频，接下来采用数字滤波器进行抽取和滤波，最终经过FSK解调器输出低频1kHz 基带信号，一共4路基带信号经过并串转换，并添加开始、结束和校验字符后，传输给串口发送单元。

6.如权利要求5所述的一种抗干扰航行警告接收机系统，其特征在于：基带信号处理判定单元采用单片机，把每一路基带信号进行同步、解码、纠错，对于同一个频段，有两个独立正交的天线接收数据经过该单元被解调，然后比较两路数据，进行信息合并、分集。

7.如权利要求6所述的一种抗干扰航行警告接收机系统，其特征在于：显示控制单元完成跟传统航警接收机一致的功能，进行信息的存储，自动删除，排列，并设置显示功能单元、打印功能单元和报警功能单元。