CN109462433A - 一种北斗短报文发送设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种北斗短报文发送设备及其方法，包括单片机、FPGA芯片、上变频电路、功率放大电路和L波段北斗发射天线，上述单片机、FPGA芯片、上变频电路、功率放大电路和L波段北斗发射天线依次连接，以及进一步包括北斗二号GNSS模块部分。由于本发明仅实现了发射部分的链路和功能，同时解决了卫星选择的问题，采用指定卫星或通过北斗二号GNSS模块来选择某卫星进行发射，同时只实现发射链路的电路，由于发射链路编码都是正向编码，不存在反向解析，所以FPGA代码量低、整体电路简单、功耗低、效率高，改善了用户体验、从而扩宽了使用场景。

Description

一种北斗短报文发送设备及方法

技术领域

本发明涉及北斗二号通信领域，尤其涉及仅支持北斗短报文发送的终端设备及其方法。

背景技术

北斗二号卫星导航系统(BD2、Beidou-2)是中国独立开发的全球卫星导航系统。截止2012年底目前已有14颗卫星服务于亚太地区，包括5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星。其中北斗二号5颗GEO卫星提供短报文通信功能，其他卫星提供导航定位功能。5颗GEO卫星，其中每颗卫星包含2个独立波束信号，即共10个独立波束信号提供短报文通信服务。

目前市场上的北斗短报文用户机，几乎都是按照国家标准设计，支持收发一体功能的终端设备。这种收发一体的终端设备，有其固定的优势特点，但对于某些特殊场景应用，例如：终端设备只需向中心发送信息，此时设备的高成本、高功耗的缺点就暴露出来，且阻碍了用户体验和市场推广。本发明旨在提出一种只支持北斗短报文发送的终端设备实现方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种北斗短报文发送的设备及其方法，仅支持北斗短报文的发送功能，实现了不依赖接收链路，也可以单独实现北斗短报文的发射功能，电路设计简单、功耗低、制造成本低，改善用户体验，同时推动相关的应急数据传输领域的市场应用。

为达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种北斗短报文发送设备，，仅支持北斗短报文发送功能，包括：单片机、FPGA电路、上变频电路、功率放大电路和L波段北斗发射天线，所述单片机、FPGA电路、上变频电路、功率放大电路和L波段北斗发射天线依次连接；

所述单片机通过串口接收待发送的短报文并将其传输至FPGA电路；

所述FPGA电路为单片机访问IC卡提供通道，并将所述单片机发送的短报文进行扩频后传输至上变频电路；

所述上变频电路将接收到的扩频短报文的频率升高后传输至功率放大电路；

所述功率放大电路将频率升高后的短报文进行功率放大后传输至L波段北斗发射天线；

所述L波段北斗发射天线将功率放大后的短报文发送给北斗卫星。

在一具体的实施例中，还包括北斗二号GNSS模块，通过所述北斗二号GNSS模块获得所述北斗短报文发送设备的位置信息以及北斗二号GEO卫星的信号强度，并将短报文发送至信号强度最强的GEO卫星。

在一具体的实施例中，

所述单片机通过FPGA提供的IC卡访问接口逻辑电路，与IC卡进行串行通信，将短报文的当前帧号、短报文长度、用户ID的参数发送给IC卡；

IC卡收到输入的信息后，输出发射时对应的认证码；

根据北斗短报文入站协议，将待发送短报文和发射认证码进行数据协议打包；

根据北斗入站协议，将打包的数据进行卷积编码转换；

将卷积编码转换后的信息传输至FPGA电路。

在一具体的实施例中，所述FPGA电路产生PN扩频码，与单片机传输的短报文进行异或调制，即将短报文的频率调制到预定频率的扩频码上，然后将扩频后的短报文传输至所述上变频电路。

在一具体的实施例中，所述功率放大电路的功率范围为5W～10W。

本发明的第二方面提供了一种北斗短报文发送方法，采用上述的北斗短报文发送设备发送短报文至北斗卫星，包括如下步骤：

单片机通过串口接收待发送的短报文并将其传输至FPGA电路；

单片机选择发送短报文的北斗卫星；

FPGA电路将所述单片机发送的短报文进行扩频后传输至上变频电路；

所述上变频电路将接收到的扩频短报文的频率升高后传输至功率放大电路；

所述功率放大电路将频率升高后的短报文进行功率放大后传输至L波段北斗发射天线；

所述L波段北斗发射天线将功率放大后的短报文发送给所述选择的北斗卫星。

在一具体的实施例中，单片机通过串口接收待发送的短报文并将其传输至FPGA电路的步骤包括：

所述单片机通过FPGA提供的IC卡访问接口逻辑电路，与IC卡进行串行通信，将短报文的当前帧号、短报文长度、用户ID的参数发送给IC卡；

IC卡收到输入的信息后，输出发射时对应的认证码；

根据北斗短报文入站协议，将待发送短报文和发射认证码进行数据协议打包；

根据北斗入站协议，将打包的数据进行卷积编码转换；

将卷积编码转换后的信息传输至FPGA电路。

在一具体的实施例中，所述单片机选择发送短报文的北斗卫星的步骤包括：

根据短报文发送设备自身的地理位置，预先设置进行通信的卫星；

或，根据北斗二号GNSS模块获得短报文发送设备自身的位置信息和北斗二号GEO卫星的信号强度，选择信号强度最强的卫星作为通信的卫星。

在一具体的实施例中，所述FPGA电路将所述单片机发送的短报文进行扩频后传输至上变频电路的步骤包括：

FPGA电路产生PN扩频码，与单片机传输的短报文进行异或调制，即将短报文的频率调制到预定频率的扩频码上，然后将扩频后的短报文传输至所述上变频电路。

在一具体的实施例中，所述功率放大电路的功率范围为5W～10W。

综上所述，本发明提供了一种北斗短报文发送设备及其方法，包括单片机、FPGA芯片、上变频电路、功率放大电路和L波段北斗发射天线，以及还可能包括北斗二号GNSS模块部分。本发明仅实现了发射部分的链路和功能，同时解决了卫星选择的问题，采用指定卫星或通过北斗二号GNSS模块来选择某卫星进行发射。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

1、本发明的北斗短报文发送设备及方法只实现发射链路的电路，由于发射链路编码都是正向编码，不存在反向解析，所以FPGA代码量低、整体电路简单、功耗低、效率高。

2、由于本发明的北斗短报文发送设备降低了制造成本，同时也降低了功耗，因而改善了用户体验、也扩宽了使用场景。

附图说明

图1是本发明的北斗短报文发送设备的系统框图；

图2是本发明的北斗短报文发送设备中单片机工作流程示意图；

图3是本发明单片机、FPGA电路和IC卡通信流程示意图；

图4是本发明FPGA电路的扩频调制流程示意图；

图5是本发明的北斗短报文发送方法的流程示意图；

图6是本发明的北斗短报文发送方法中单片机的工作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明提供了一种北斗短报文发送设备，仅支持北斗短报文发送功能，如图1所示，该发送设备包括：单片机、FPGA电路、上变频电路、功率放大电路和L波段北斗发射天线，该单片机、FPGA电路、上变频电路、功率放大电路和L波段北斗发射天线依次连接。该单片机为低功耗单片机，FPGA芯片为极小规模的FPGA芯片。在工作状态下电流消耗小于150μA/MHz；在深度睡眠模式下电流消耗为nA级别，优选约为900nA，在关机模式下为电流消耗为nA级别，优选约为20nA的单片机可以称为低功耗单片机；逻辑运算在10万门以下、占用逻辑资源小、成本低的FPGA芯片可称为极小规模的FPGA芯片。单片机部分采用C语言编码实现，FPGA部分采用硬件逻辑语言(VERILOG)编码实现，其他属于硬件电路实现。

在具体实施例中，还可以包括北斗二号GNSS(Global Navigation SatelliteSystem，全球导航卫星系统)模块部分。如图1中虚线框内所示，其中北斗二号GNSS模块根据静态、动态场景可选配。动态场景应配置北斗二号GNSS模块，静态场景可选择不配置。

单片机通过串口接收待发送的短报文并将其传输至FPGA电路，具体的单片机管理程序流程如图2所示。当外部电脑或控制器将需要待发送的短报文信息发给短报文发送设备后，首先单片机通过串口接收到此短报文信息。下一步，单片机通过读取北斗二号GNSS模块的北斗卫星信号强度信息，选择指定采用哪颗卫星来进行通信，或者根据发送设备所在区域，单片机预先设定进行通信的卫星。然后单片机通过FPGA提供的通道，与北斗IC卡进行通信，获取发射时所需的认证码字段信息，然后根据北斗短报文入站协议进行数据协议打包。下一步进行北斗入站协议要求，进行卷积编码转换，此时单片机将卷积编码转换后的信息传递到FPGA电路中，并配合FPGA电路完成北斗短报文的发射工作。

FPGA电路也称FPGA基带芯片，主要用于实现两部分功能：一是封装北斗IC卡的通信接口逻辑，使之提供单片机与北斗IC卡的通信链路，为单片机访问IC卡提供通道。如图3所示，单片机通过并行EMC总线和FPGA进行连接，FPGA通过串行总线和智能IC卡进行连接，从而实现单片机借助FPGA来访问智能IC卡。每次北斗短报文发送设备向北斗卫星发送北斗报文时，FPGA电路需和IC卡进行一次通信，得到北斗卫星入站的认证码。二是实现待发送短报文与北斗扩频码的BPSK(Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控，把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式)调制功能，将单片机发送的短报文进行扩频后传输至上变频电路。如图4所示，FPGA电路实现另外一部分电路，单片机将要发送传送的短报文数据传递并存储在FPGA中，同时FPGA电路生成一个PN扩频码，将两者的数据进行异或调制，并成第一预定频率的扩频码，具体的，该第一预定频率根据目前的北斗卫星设置为4.08MHz，然后传输给上变频电路，以供后期电路使用。

传统的北斗短报文用户终端，FPGA基带芯片同时支持10通道接收和发射功能，由于通道接收，占用FPGA资源较多，导致FPGA基带芯片的规模较大，功耗也较大，同时芯片成本也较大。另外由于存在接收电路，多了S频段无源接收天线、S频点低噪放电路和下变频电路，导致了用户机的复杂性、成本变高、功耗变高。而本发明的FPGA电路仅包括发送电路，所以FPGA电路的代码量低、整体电路简单、功耗低、效率高。

上变频(up conversion)电路为将具有一定频率的输入信号，改换成具有更高频率的输出信号(通常不改变信号的信息内容和调制方式)的过程。即输出信号频率高于输入信号频率，亦即将输入信号频率向提高的方向变换。该上变频电路将接收到的扩频短报文的频率升高后传输至功率放大电路。在一具体的实施例中，经FPGA电路扩频调制后的短报文数据信息，结合上变频电路，再次调制到第二预定频率，该第二预定频率根据目前的北斗卫星设置为1615.68MHZ，然后发送至功率放大电路。

功率放大电路将频率升高后的短报文进行功率放大，功率放大电路的功率一般在5W～10W的范围。

经过信号放大后的短报文最终输入到L波段北斗发射天线，将待发送的信号传递给北斗卫星，从而实现了整个发射链路。

北斗二号短报文卫星有5颗，分布在赤道上，属于同步轨道静止卫星。传统北斗二号短报文用户机可根据每个卫星波速的信号强度来选择利用哪个波速来发送信号。由于本终端没有接收信号电路，故需通过其他方法来实现。

如果短报文发送设备的使用场景是静态的，即用户机的使用地点保持不变，则可以根据自身的地理位置，通过串口给短报文发送设备设置好使用哪颗卫星来进行通信，当选择了该颗卫星后，则默认之后的通信都是该颗卫星。如果使用地点发生变化，则重新设置选择的通信卫星。

如果短报文发送设备的使用场景是动态的，即使用地点经常发生改变，则可设置北斗二号GNSS模块，通过该北斗二号GNSS模块，一是可以得到短报文发送设备的自身的位置信息，二可以得到北斗二号5颗GEO卫星的信号强度。结合其自身位置信息和卫星信号强度信息，选择卫星信号强度最强的卫星来进行通信。

本发明的另一方面提供了一种北斗短报文发送方法500，采用前述的北斗短报文发送设备发送短报文至北斗卫星，如图5所示，包括如下步骤：

步骤510，单片机通过串口接收待发送的短报文并将其传输至FPGA电路。

在一个具体的实施例中，该步骤进一步包括，如图6所示600：

步骤610，所述单片机通过FPGA提供的IC卡访问接口逻辑电路，与IC卡进行串行通信，将短报文的当前帧号、短报文长度、用户ID发送给IC卡；

步骤620，IC卡收到输入的信息后，输出发射时对应的认证码字段信息；

步骤630，根据北斗短报文入站协议，将待发送短报文和发射认证码等数据进行数据协议打包，进一步的，根据北斗入站协议要求，将此数据进行卷积编码转换；

步骤640，将卷积编码转换后的信息传输至FPGA电路。

经过上述步骤610-640，单片机将经过处理的短报文发送至FPGA电路。

步骤520，单片机选择发送短报文的北斗卫星。具体的，根据短报文发送设备自身的地理位置，预先设置进行通信的卫星；或者，根据北斗二号GNSS模块获得短报文发送设备自身的位置信息和北斗二号GEO卫星的信号强度，选择信号强度最强的卫星作为通信的卫星。

步骤530，FPGA电路将所述单片机发送的短报文进行扩频后传输至上变频电路。具体的，FPGA电路产生PN扩频码，与单片机传输的短报文进行异或调制，即将短报文的频率调制到预定频率的扩频码上，然后将扩频后的短报文传输至所述上变频电路。

步骤540，上变频电路将接收到的扩频短报文的频率升高后传输至功率放大电路。

步骤550，功率放大电路将频率升高后的短报文进行功率放大后传输至L波段北斗发射天线。功率放大电路的功率范围为5W～10W。

步骤560，L波段北斗发射天线将功率放大后的短报文发送给所述选择的北斗卫星。

综上所述，本发明提供了一种北斗短报文发送设备及其方法，包括单片机、FPGA芯片、上变频电路、功率放大电路和L波段北斗发射天线，以及还可能包括北斗二号GNSS模块部分。由于本发明仅实现了发射部分的链路和功能，同时解决了卫星选择的问题，采用指定卫星或通过北斗二号GNSS模块来选择某卫星进行发射，同时只实现发射链路的电路，由于发射链路编码都是正向编码，不存在反向解析，所以FPGA代码量低、整体电路简单、功耗低、效率高。本发明的北斗短报文发送设备及其方法极大降低了北斗二号短报文设备的制造成本，同时也极大降低了功耗，改善了用户体验、从而扩宽了使用场景。例如在野外数据传输中，很多设备供电都依赖太阳能或电池供电，此设备的功耗低和成本低，因此推动了市场应用。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种北斗短报文发送设备，其特征在于，仅支持北斗短报文发送功能，包括：单片机、FPGA电路、上变频电路、功率放大电路和L波段北斗发射天线，所述单片机、FPGA电路、上变频电路、功率放大电路和L波段北斗发射天线依次连接；

所述单片机通过串口接收待发送的短报文并将其传输至FPGA电路；

所述FPGA电路为单片机访问IC卡提供通道，并将所述单片机发送的短报文进行扩频后传输至上变频电路；

所述上变频电路将接收到的扩频短报文的频率升高后传输至功率放大电路；

所述功率放大电路将频率升高后的短报文进行功率放大后传输至L波段北斗发射天线；

所述L波段北斗发射天线将功率放大后的短报文发送给北斗卫星。

2.根据权利要求1所述的北斗短报文发送设备，其特征在于，还包括北斗二号GNSS模块，通过所述北斗二号GNSS模块获得所述北斗短报文发送设备的位置信息以及北斗二号GEO卫星的信号强度，并将短报文发送至信号强度最强的GEO卫星。

3.根据权利要求1或2所述的北斗短报文发送设备，其特征在于，

所述单片机通过FPGA提供的IC卡访问接口逻辑电路与IC卡进行串行通信，将短报文的当前帧号、短报文长度、用户ID发送给IC卡；

IC卡收到输入的信息后，输出发射时对应的认证码；

根据北斗短报文入站协议，将待发送短报文和发射认证码进行数据协议打包；

根据北斗入站协议，将打包的数据进行卷积编码转换；

将卷积编码转换后的信息传输至FPGA电路。

4.根据权利要求3所述的北斗短报文发送设备，其特征在于，所述FPGA电路产生PN扩频码，与单片机传输的短报文进行异或调制，即将短报文的频率调制到预定频率的扩频码上，然后将扩频后的短报文传输至所述上变频电路。

5.根据权利要求1所述的北斗短报文发送设备，其特征在于，所述功率放大电路的功率范围为5W～10W。

6.一种北斗短报文发送方法，采用根据权利要求1-5任一项所述的北斗短报文发送设备发送短报文至北斗卫星，其特征在于，包括如下步骤：

单片机通过串口接收待发送的短报文并将其传输至FPGA电路；

单片机选择发送短报文的北斗卫星；

FPGA电路将所述单片机发送的短报文进行扩频后传输至上变频电路；

所述上变频电路将接收到的扩频短报文的频率升高后传输至功率放大电路；

所述功率放大电路将频率升高后的短报文进行功率放大后传输至L波段北斗发射天线；

所述L波段北斗发射天线将功率放大后的短报文发送给所述选择的北斗卫星。

7.根据权利要求6所述的北斗短报文发送方法，其特征在于，单片机通过串口接收待发送的短报文并将其传输至FPGA电路的步骤包括：

所述单片机通过FPGA提供的IC卡访问接口逻辑电路，与IC卡进行串行通信，将短报文的当前帧号、短报文长度、用户ID的参数发送给IC卡；

IC卡收到输入的信息后，输出发射时对应的认证码；

根据北斗短报文入站协议，将待发送短报文和发射认证码进行数据协议打包；

根据北斗入站协议，将打包的数据进行卷积编码转换；

将卷积编码转换后的信息传输至FPGA电路。

8.根据权利要求6或7所述的北斗短报文发送方法，其特征在于，所述单片机选择发送短报文的北斗卫星的步骤包括：

根据短报文发送设备自身的地理位置，预先设置进行通信的卫星；

或，根据北斗二号GNSS模块获得短报文发送设备自身的位置信息和北斗二号GEO卫星的信号强度，选择信号强度最强的卫星作为通信的卫星。

9.根据权利要求8所述的北斗短报文发送方法，其特征在于，所述FPGA电路将所述单片机发送的短报文进行扩频后传输至上变频电路的步骤包括：

FPGA电路产生PN扩频码，与单片机传输的短报文进行异或调制，即将短报文的频率调制到预定频率的扩频码上，然后将扩频后的短报文传输至所述上变频电路。

10.根据权利要求6所述的北斗短报文发送方法，其特征在于，所述功率放大电路的功率范围为5W～10W。