本發(fā)明涉及一種射頻接收設(shè)備，尤其涉及一種海上數(shù)字中頻接收設(shè)備。

背景技術(shù)：

navdat是一種新型的岸基海上數(shù)字廣播系統(tǒng)，它采用最新數(shù)字傳輸技術(shù)，在500khz上播發(fā)海上安全信息和其他服務(wù)信息。navdat通過播發(fā)消息、文本、文件或圖像，實(shí)現(xiàn)海圖改正信息等航行相關(guān)安全信息的快速推送，并實(shí)現(xiàn)與船舶信息系統(tǒng)的無縫連接。navdat系統(tǒng)通過聯(lián)網(wǎng)播發(fā)，還可實(shí)現(xiàn)a2海區(qū)的覆蓋。因此，navdat可增強(qiáng)海事信息業(yè)務(wù)能力，是gmdss現(xiàn)代化和e航海中的關(guān)鍵系統(tǒng)。

navdat數(shù)字廣播系統(tǒng)主要依靠電離層傳輸，為各種類型的消息提供了廣播傳輸服務(wù)，并且具有加密性。其中廣播的消息包括但不限于航海安全、信息安全、海盜行為、搜救以及船舶交通系統(tǒng)文件傳輸?shù)?。navdat數(shù)字系統(tǒng)的500khz工作頻段為數(shù)據(jù)廣播信號提供了良好的覆蓋，可以為從岸基到船舶的信息廣播實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸以提高操作效率和航海安全。但是由于電離層介質(zhì)受太陽輻射、季節(jié)變化、晝夜變化等各種因素的影響，因此天波信道存在著多徑、衰落、多普勒頻移、噪聲干擾等特性。

navdat數(shù)字廣播系統(tǒng)主要包括海上中頻數(shù)字發(fā)射設(shè)備和海上中頻數(shù)字接收設(shè)備，為了保證航行安全，需要及時(shí)有效地由岸上向航行的船舶提供有關(guān)海上航行的安全信息，海上安全信息包括航行警告、氣象警告、氣象預(yù)報(bào)和其他海上緊急信息。目前的接收設(shè)備只能接收,模擬調(diào)制(f1b)的信息,傳輸數(shù)據(jù)率低(僅僅50bps),接收占用時(shí)間長,接收文件類型單一等(文本)，不能夠接收其它類型的文件等。不能滿足現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，能夠提高接收速率，具有高靈敏度，大動態(tài)范圍特性，滿足不同格式的水上安全信息、文件和電子海圖的自適應(yīng)接收。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，包括射頻信號處理模塊和數(shù)字信號處理模塊，所述射頻信號處理模塊和中頻接收天線相連；其中，所述數(shù)字信號處理模塊包括dsp處理器和fpga處理器，所述射頻信號處理模塊對來自中頻接收天線的信號進(jìn)行變頻后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元送入fpga處理器，所述fpga處理器完成nco下變頻及匹配濾波后，送給dsp處理器完成同步均衡解調(diào)操作，再經(jīng)由fpga處理器進(jìn)行l(wèi)dpc譯碼。

上述的海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，其中，所述fpga處理器首先完成時(shí)間與頻率的同步，得到正確的ofdm符號同步序列，進(jìn)行頻偏校正，然后去除循環(huán)前綴，串并變換后，經(jīng)過fft處理后送至送給dsp處理器，所述dsp處理器再進(jìn)行并串變換，提取出導(dǎo)頻信號，進(jìn)行信道估計(jì)和補(bǔ)償，接著進(jìn)行解映射解調(diào)、解交織，最后送入fpga處理器上的譯碼器，得到二進(jìn)制的輸出數(shù)據(jù)。

上述的海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，其中，所述fpga處理器根據(jù)接收到的多個(gè)級聯(lián)的pn序列作為訓(xùn)練序列，并利用pn序列的自相關(guān)特性完成定時(shí)同步和載波同步，具體同步過程如下：所述fpga處理器將接收序列與本地pn作并行相關(guān)，并設(shè)置一個(gè)pn序列的長度作為接收窗口的長度，然后對相關(guān)值的結(jié)果進(jìn)行類峰均比的檢測，當(dāng)接收窗口序列恰好為一個(gè)pn序列時(shí)，則判斷為信號到達(dá)。

上述的海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，其中，所述dsp處理器采用奇偶交替分布方式獲取導(dǎo)頻信號，通過線性內(nèi)插算法估計(jì)出每個(gè)ofdm符號奇數(shù)序號子載波的信道沖激響應(yīng)；對于數(shù)據(jù)幀所有ofdm符號，除了導(dǎo)頻位置以外，所有奇數(shù)序號子載波位置的信道沖激響應(yīng)由與其相鄰的前后兩個(gè)ofdm符號上相同位置子載波的信道沖激響應(yīng)進(jìn)行平均運(yùn)算得到。

上述的海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，其中，所述fpga處理器和dsp處理器之間進(jìn)行如下迭代均衡運(yùn)算：所述dsp處理器利用導(dǎo)頻信號進(jìn)行信道估計(jì)獲得整個(gè)信道的響應(yīng)；在得到頻域數(shù)據(jù)后，先求取導(dǎo)頻位置處估計(jì)出的信道和實(shí)際信道之間的最小二乘估計(jì)結(jié)果，然后通過低通濾波內(nèi)插得到數(shù)據(jù)部分的信道估計(jì)結(jié)果，連同利用導(dǎo)頻估計(jì)的信噪比進(jìn)行均衡，頻域均衡完的信息通過譯碼器進(jìn)行軟譯碼，然后經(jīng)過重映射返回給均衡器，重復(fù)上述過程直到迭代完成。

上述的海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，其中，所述fpga處理器上的譯碼器工作流程如下：a)對解調(diào)符號信息進(jìn)行預(yù)處理，獲得比特軟信息，作為迭代初始消息；b)迭代過程：對于每個(gè)校驗(yàn)分組i,i＝1:l，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分組i并行更新傳遞給變量節(jié)點(diǎn)的外部消息；每組校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)i消息處理完畢后，經(jīng)過實(shí)時(shí)置換網(wǎng)絡(luò)傳遞給變量節(jié)點(diǎn)，立即更新與其相連的所有變量節(jié)點(diǎn)；當(dāng)相應(yīng)的變量節(jié)點(diǎn)更新完畢后，最新的消息可立即給后續(xù)的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分組更新利用；每個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分組更新的過程，稱為一次子層迭代；當(dāng)l個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分組串行更新完畢，即l次子層迭代完成后，結(jié)束一次迭代；c)取變量節(jié)點(diǎn)的偽后驗(yàn)概率消息進(jìn)行硬判決，并檢測是否是合法碼字，如果是合法碼字或當(dāng)前迭代次數(shù)超過預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)，則給出中止整個(gè)迭代信號，否則，進(jìn)入下一次迭代；d)當(dāng)?shù)Ｖ箷r(shí)，輸出相應(yīng)的硬判決比特信息流，譯碼結(jié)束。

上述的海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，其中，所述數(shù)字信號處理模塊和定位模塊相連，所述定位模塊為用于提供本船位置信息的gps模塊或北斗模塊。

上述的海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，其中，所述接收天線為鞭天線、磁棒天線或環(huán)天線。

本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本發(fā)明提供的海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，能夠大大提高接收速率，具有高靈敏度，大動態(tài)范圍特性，有效減少載波間的干擾并提高頻譜利用率，滿足不同格式的水上安全信息、文件和電子海圖的自適應(yīng)接收需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明海上數(shù)字中頻接收設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為ofdm系統(tǒng)收發(fā)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明奇偶交錯(cuò)導(dǎo)頻序列分布示意圖；

圖4為本發(fā)明信道估計(jì)過程；

圖5為本發(fā)明線性內(nèi)插獲得信道響應(yīng)示意圖；

圖6為本發(fā)明ls算法mse性能仿真圖；

圖7為本發(fā)明調(diào)試方式映射圖；

圖8為本發(fā)明發(fā)送端總體結(jié)構(gòu)框圖；

圖9為本發(fā)明接收端總體結(jié)構(gòu)框圖；

圖10為本發(fā)明數(shù)據(jù)幀成幀模塊示意圖；

圖11為本發(fā)明到達(dá)檢測示意圖；

圖12為本發(fā)明頻偏估計(jì)示意圖；

圖13為本發(fā)明迭代均衡處理流程示意圖；

圖14為本發(fā)明ldpc編碼器設(shè)計(jì)原理框圖；

圖15為本發(fā)明ldpc譯碼并行結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

圖1為本發(fā)明海上數(shù)字中頻接收設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

請參見圖1，本發(fā)明提供的海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，由天線模塊，射頻信號處理模塊，數(shù)字信號處理模塊，定位模塊，存儲單元，外部接口單元，顯示單元，電源模塊組成。各模塊主要功能如下：

1)天線模塊：在信號覆蓋范圍內(nèi)，天線對已調(diào)信號的接收。例如：鞭天線，磁棒天線，環(huán)天線等。

2)射頻信號處理模塊：對天線接收下的信號進(jìn)行濾波放大，自動增益控制等，進(jìn)行信號變化處理提供給數(shù)字信號處理模塊。

3)數(shù)字信號解調(diào)模塊：對射頻模塊提供的信號進(jìn)一步進(jìn)行處理，對接收到的信號帶通濾波，由adc轉(zhuǎn)為數(shù)字信號；信號經(jīng)過nco(nu-mericalcontroloscillator，數(shù)控振蕩器)、匹配濾波后進(jìn)行fft處理，然后再依次送入同步、均衡等模塊，最后送入譯碼器得到譯碼輸出結(jié)果。

4)定位模塊：用于提供本船位置信息，可以為gps，北斗等

5)存儲單元：用于存儲數(shù)據(jù)。

6)外部接口單元：用于向外部提供數(shù)據(jù)接口，可以是網(wǎng)口，usb口，或串口等。

7)顯示單元：用于接收文件的顯示，及接收性能指示。

8)電源模塊：用于外部電源與內(nèi)部各模塊的供電。

本發(fā)明的數(shù)字系統(tǒng)調(diào)制主要利用ofdm技術(shù)。ofdm系統(tǒng)收發(fā)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，圖中上半部分為發(fā)射機(jī)鏈路，下半部分為接收機(jī)鏈路。中心部分的ifft(inversefft)單元用于基帶調(diào)制發(fā)射處理，fft單元用于基帶解調(diào)接收處理。在發(fā)送鏈路中，二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)首先經(jīng)過信道編碼和交織變換，然后進(jìn)行調(diào)制映射，插入導(dǎo)頻、串并變換后，經(jīng)過ifft處理，接著進(jìn)行并串變換，添加循環(huán)前綴(cyclicprefix,cp)，最后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，上變頻送入天饋單元。在接收鏈路中，天饋單元接收到的信號先進(jìn)行下變頻，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，首先完成時(shí)間與頻率的同步，得到正確的符號同步序列，進(jìn)行頻偏校正，然后去除循環(huán)前綴，串并變換后，經(jīng)過fft處理，再進(jìn)并串變換，提取出導(dǎo)頻信號，進(jìn)行信道估計(jì)和補(bǔ)償，接著進(jìn)行解映射解調(diào)、解交織，最后送入譯碼器，得到二進(jìn)制的輸出數(shù)據(jù)。

由對數(shù)字廣播信道的描述可以知道，信道對數(shù)據(jù)信號的傳輸造成一定的影響，主要包括：多徑效應(yīng)引起的衰落，使得傳輸信號幅度衰減，甚至完全消失；同時(shí)多徑還會引起信號波形展寬，造成碼元之間相互串?dāng)_；電離層運(yùn)動變化產(chǎn)生的多普勒頻移使得信號的頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、相位起伏不定，從而造成數(shù)據(jù)信號的接受錯(cuò)誤。本發(fā)明的數(shù)字廣播通信中綜合采用ofdm技術(shù)、同步技術(shù)和均衡技術(shù)來解決上述問題。

一、本發(fā)明將ofdm技術(shù)應(yīng)用于navdat無線廣播通信系統(tǒng)。具有如下優(yōu)勢：

a)抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。navdat數(shù)字廣播系統(tǒng)中的主要問題是頻率選擇性衰落所引起的符號間干擾，而ofdm系統(tǒng)把高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，使每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，并且有效地減小了無線信道的時(shí)間彌散所帶來的符號間干擾；其次，由于每個(gè)子載波上信息的隨機(jī)性，相加后合成的信號接近于白噪聲，而克服多徑衰落影響的最佳傳輸信號形式即為具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號；最后，循環(huán)前綴技術(shù)可以更徹底地消除時(shí)延擴(kuò)展的影響，并保證在多徑的條件下各個(gè)子載波仍保證正交。

b)頻譜利用率高。在ofdm系統(tǒng)中，各個(gè)子載波之間的正交性允許各個(gè)子信道的頻譜相互重疊，與通常的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，其可以最大限度地利用頻譜資源，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的navdat數(shù)字廣播通信中顯得尤為重要。

c)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。由于各個(gè)子載波之間的正交性使得可以采用idft/dft技術(shù)實(shí)現(xiàn)ofdm調(diào)制和解調(diào)，即使對于具有很多子載波的系統(tǒng)，又可以利用ifft/fft來實(shí)現(xiàn)，而隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與dsp技術(shù)的發(fā)展，使得ifft/fft都變得易于實(shí)現(xiàn)，因此，將ofdm技術(shù)應(yīng)用于navdat數(shù)字廣播通信具有很好的前景。

d)有利于與其他技術(shù)相結(jié)合。ofdm可以與多天線，空時(shí)編碼，智能天線，自適應(yīng)編碼以及動態(tài)比特分配算法等技術(shù)結(jié)合使用，極大程度地提高了物理層信息傳輸?shù)目煽啃院陀行?；ofdm還可以與多種接入技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成ofdma系統(tǒng)，如ofdm-cdma以及ofdm-tdma。

二、本發(fā)明navdat數(shù)字廣播通信系統(tǒng)中的同步技術(shù)

在通信系統(tǒng)中，要使系統(tǒng)能夠正常工作和運(yùn)行，需要各個(gè)層次的時(shí)間同步加以保證，因此同步問題顯得尤為重要，沒有精確地同步就不可能對傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的恢復(fù)。navdat數(shù)字廣播ofdm通信系統(tǒng)中討論的同步技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)到達(dá)檢測

到達(dá)檢測的主要目標(biāo)是要檢測到接收端在何時(shí)接收到數(shù)據(jù)幀并且準(zhǔn)確判斷到數(shù)據(jù)幀的起始位置。這對于接收機(jī)同步來說具有非常重要的意義，特別是對于突發(fā)ofdm傳輸系統(tǒng)，如果無法準(zhǔn)確檢測到數(shù)據(jù)幀的到達(dá)，則會出現(xiàn)丟幀的情況，無法保證接收機(jī)正常的通信。同時(shí)，如果無法準(zhǔn)確判斷幀到達(dá)位置，將會對后續(xù)的同步工作造成一定的困難，并影響系統(tǒng)的性能。

(2)符號同步

符號定時(shí)同步是要準(zhǔn)確找到一幀內(nèi)各ofdm符號的準(zhǔn)確起始位置。假設(shè)，ofdm每個(gè)符號的保護(hù)間隔長度為tg，數(shù)據(jù)經(jīng)過無線多徑信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端的最大時(shí)延為τmax，如果符號定時(shí)起始位置在τmax內(nèi)，則由于多徑時(shí)延的影響，采集的數(shù)據(jù)包含了上一個(gè)符號的多徑延時(shí)分量，從而造成符號間干擾；而如果符號定時(shí)起始位置在tg之外時(shí)，采集值則會包含下一個(gè)符號的數(shù)據(jù)，同樣也會引起isi；因而準(zhǔn)確的定時(shí)位置應(yīng)該在區(qū)間范圍(τmax，tg)內(nèi)，該區(qū)間內(nèi)的任何一個(gè)位置都可以通過后續(xù)同步環(huán)節(jié)準(zhǔn)確解調(diào)。

(3)載波同步

由于無線信道多普勒頻移以及收、發(fā)端晶振不匹配等原因，接收信號在頻域各個(gè)子載波頻點(diǎn)上會發(fā)生δf的頻率偏移，此時(shí)，子載波間不再滿足相互正交的關(guān)系，從而引入相鄰子載波干擾。ofdm對頻偏影響較符號定時(shí)誤差要敏感得多，載波頻偏同步的任務(wù)就是要準(zhǔn)確估計(jì)子載波上的頻偏量并進(jìn)行補(bǔ)償。

綜上所述，本發(fā)明使用的ofdm系統(tǒng)中，幀同步用于確定一個(gè)數(shù)據(jù)幀的開始位置，而定時(shí)同步的目的在于在接收端正確地確定ofdm符號數(shù)據(jù)部分的開始位置，載波同步讓接收機(jī)的振蕩頻率要與發(fā)送載波同頻率同相位。只有保證對信號的精確同步，才能進(jìn)行信號的正確解調(diào)接收。

三、本發(fā)明navdat數(shù)字廣播通信中的均衡技術(shù)

在接收端，設(shè)接收信號的采樣為yn。則：

yn＝xn*hn+wn

其中，hn是信道的時(shí)域響應(yīng)，wn是加性白高斯噪聲。

假設(shè)多徑信道的最大多徑時(shí)延小于循環(huán)前綴的長度，則可以不考慮符號間干擾，另外，近似認(rèn)為信道在一個(gè)ofdm數(shù)據(jù)包時(shí)間間隔內(nèi)是一個(gè)時(shí)不變信道。將信號去除循環(huán)前綴并做n點(diǎn)fft之后，有：

本發(fā)明ofdm系統(tǒng)的信道估計(jì)技術(shù)可以分為幾大類：盲或半盲信道估計(jì)、導(dǎo)頻輔助信道估計(jì)、基于判決反饋的信道估計(jì)等。這里主要采用基于導(dǎo)頻輔助的信道估計(jì)方法。

導(dǎo)頻輔助信道估計(jì)是在數(shù)據(jù)部分加入導(dǎo)頻信息，在接收端通過相應(yīng)的估計(jì)準(zhǔn)則求出導(dǎo)頻位置的信道信息，其主要需要解決以下三個(gè)問題：1)發(fā)送端如何設(shè)計(jì)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)；2)利用何種信道估計(jì)算法求出導(dǎo)頻位置處的信道信息；3)利用何種方案恢復(fù)出所有子載波位置上的信道信息。

(1)導(dǎo)頻的選擇和插入

導(dǎo)頻該如何選擇以及分配是ofdm系統(tǒng)信道估計(jì)性能最重要參數(shù)之一，其設(shè)計(jì)與信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)往往是相互關(guān)聯(lián)的，它的設(shè)計(jì)不僅會影響信道估計(jì)的性能，而且也會影響系統(tǒng)的開銷。

ofdm符號的傳輸可以看成是一個(gè)時(shí)域-頻域的二維傳輸，在時(shí)域以一個(gè)ofdm符號周期為單位，在頻域以一個(gè)子載波為單位?？紤]這種二維傳輸特性，本發(fā)明可以在時(shí)頻域陣列中選擇插入導(dǎo)頻信號。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮接收機(jī)的復(fù)雜度，以及在navdat數(shù)字廣播天波信道環(huán)境，多普勒頻偏相對較大，因此天波信道中更適合選用奇偶交錯(cuò)導(dǎo)頻序列分布的導(dǎo)頻方案，如圖3所示，t代表著時(shí)域方向，f代表著頻域方向；黑色點(diǎn)表示導(dǎo)頻符號，白色點(diǎn)則表示數(shù)據(jù)子載波。

(2)導(dǎo)頻位置處的信道估計(jì)

一般來說，基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)性能是通過將估計(jì)出的信道和實(shí)際信道之間的誤差來衡量，如圖4所示。

對估計(jì)誤差e(n)的衡量準(zhǔn)則不同可以得到不同的估計(jì)算法。這里主要采用最小二乘算法。

ls算法要求對在一次計(jì)算中的所有采樣，有誤差向量的內(nèi)積最小。令xp＝diag{xp(0),xp(1),...,xp(np-1)}為發(fā)射端頻域子載波發(fā)射的導(dǎo)頻值所組成的對角矩陣，其中np為導(dǎo)頻點(diǎn)的個(gè)數(shù)。yp＝{yp(0),yp(1),...,yp(np-1)}^t為接收方收到的頻域信號中導(dǎo)頻子載波上的值所組成的向量，為信道在導(dǎo)頻點(diǎn)的ls頻域響應(yīng)估計(jì)值所組成的向量，為通過對接收端導(dǎo)頻信號的估計(jì)值向量，有可以得到：

其中，wp是導(dǎo)頻位置上的頻域噪聲。ls估計(jì)在頻域進(jìn)行，只需要知道發(fā)送信號xp，就可以通過在導(dǎo)頻子載波上進(jìn)行一次除法得到導(dǎo)頻位置子載波的信道特征。因此ls信道估計(jì)算法具有簡單的結(jié)構(gòu)，且計(jì)算量小。

(3)導(dǎo)頻時(shí)域線性內(nèi)插算法

通過線性內(nèi)插算法估計(jì)出每個(gè)ofdm符號奇數(shù)序號子載波的信道沖激響應(yīng)。對于數(shù)據(jù)幀所有ofdm符號，除了導(dǎo)頻位置以外，所有奇數(shù)序號子載波位置的信道沖激響應(yīng)由與其相鄰的前后兩個(gè)ofdm符號上相同位置子載波的信道沖激響應(yīng)進(jìn)行平均運(yùn)算得到。如圖5所示，虛線框內(nèi)某點(diǎn)的信道沖激響應(yīng)為其上下兩點(diǎn)的信道沖激響應(yīng)的平均值。圖5中，所有正方形均由導(dǎo)頻位置的信道響應(yīng)經(jīng)過線性內(nèi)插得到。經(jīng)過線性內(nèi)插后已知的信道響應(yīng)恰好與梳狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)相同，進(jìn)而獲得全信道響應(yīng)。

(4)導(dǎo)頻內(nèi)插算法

根據(jù)信道估計(jì)算法得到導(dǎo)頻位置的信道響應(yīng)之后，通過合理的內(nèi)插算法，從而獲得整個(gè)信道的響應(yīng)。內(nèi)插算法是一種擬合信道信息的方法，它簡單易實(shí)現(xiàn)，然而由于根據(jù)導(dǎo)頻信號估計(jì)出的信道頻率響應(yīng)包含有噪聲，因此通過內(nèi)插也會帶來新的噪聲，稱之為內(nèi)插噪聲。不同的內(nèi)插算法所產(chǎn)生的內(nèi)插噪聲不同，可以通過改進(jìn)內(nèi)插方法來獲得更好的擬合效果。

對于梳狀導(dǎo)頻以及離散導(dǎo)頻，因?yàn)楦鶕?jù)導(dǎo)頻符號并未能求得所有子載波上的信道響應(yīng)，所以需要采用一定的內(nèi)插算法來擬合所以子載波上的信道信息。綜合考慮算法性能以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，這里主要采用低通濾波器的方法。

在awgn信道和hf信道(2ms，1hz)條件下，仿真了ls算法的mse性能，仿真曲線如圖6所示。

從仿真圖中可以看出，在信噪比比較低的情況下，由于受到噪聲的影響，ls算法的mse略高；但隨著信噪比的升高，在awgn信道下和hf信道條件下，ls算法mse性能得到明顯改善。

navdat數(shù)字廣播數(shù)據(jù)幀共分為六種類別的幀。數(shù)據(jù)幀波形采用多載波ofdm調(diào)制，映射方式可選4-qam，16-qam以及64-qam。其具體的映射圖如圖7a、7b和7c所示。

本發(fā)明采用ldpc編碼方式，碼率有1/2和3/4兩種。在這六種類型的幀中，考慮信道變化影響，組幀時(shí)采用奇偶符號交替導(dǎo)頻導(dǎo)頻序列的分布方式用于跟蹤信道變化。

本發(fā)明在波形設(shè)計(jì)中，載荷數(shù)據(jù)經(jīng)過ldpc編碼形成未知的編碼數(shù)據(jù)，并經(jīng)交織模塊將編碼數(shù)據(jù)亂序。根據(jù)不同的吞吐需求對交織后的數(shù)據(jù)選擇不同的映射方式，并與已知的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)按照幀結(jié)構(gòu)組成一個(gè)ofdm頻域符號，將ofdm頻域符號進(jìn)行串并變換后由ifft轉(zhuǎn)換到時(shí)域，加上循環(huán)前綴后形成ofdm時(shí)域符號，這樣的16個(gè)ofdm時(shí)域符號形成一個(gè)ofdm幀。

下面詳細(xì)給出本發(fā)明的總體框圖及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以便更好地了解本發(fā)明的海上數(shù)字中頻接收設(shè)備的工作原理及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

四、本發(fā)明的總體框圖

本發(fā)明的發(fā)送端框圖如下圖8所示，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過ldpc編碼后，對數(shù)據(jù)部分進(jìn)行映射，同時(shí)加入pn前導(dǎo)序列，經(jīng)過ifft變換之后插入cp進(jìn)行升抽樣和成型濾波，最后由dac轉(zhuǎn)換為模擬信號發(fā)送出去。

發(fā)送端的ldpc編碼模塊和成幀模塊在dsp上完成，成幀后的數(shù)據(jù)送給fpga進(jìn)行成型濾波，最終經(jīng)由dac發(fā)送。

接收端框圖如圖9所示，接收端對接收的信號帶通濾波，由adc轉(zhuǎn)為數(shù)字信號；信號經(jīng)過nco、匹配濾波后進(jìn)行fft處理，然后再依次送入同步、均衡等模塊，最后送入譯碼器得到譯碼輸出結(jié)果。

接收端對ad采進(jìn)來的數(shù)字信號，在fpga上完成nco下變頻及匹配濾波后，再送給dsp上完成同步均衡解調(diào)等操作，再經(jīng)由fpga進(jìn)行l(wèi)dpc譯碼，如果需要迭代，則在fpga和dsp之間進(jìn)行迭代均衡運(yùn)算，直至解調(diào)完成。

1、成幀模塊

成幀模塊是發(fā)送端的一部分，它根據(jù)波形設(shè)計(jì)對編碼后的消息數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀，使發(fā)送波形適應(yīng)于相應(yīng)的信道環(huán)境。數(shù)據(jù)幀的成幀模塊示意圖如圖10所示。

消息數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后送入成幀模塊，如圖10所示。在該模塊中，編碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過映射(4-qam、16-qam和64-qam等)、ofdm調(diào)制后形成數(shù)據(jù)ofdm符號。同時(shí)，同步頭生成模塊和導(dǎo)頻生成模塊產(chǎn)生同步頭和導(dǎo)頻，然后由系統(tǒng)的時(shí)序控制將它們組裝成幀。

2、同步模塊

同步段采用多個(gè)級聯(lián)的pn序列作為訓(xùn)練序列，主要利用pn序列良好的自相關(guān)特性完成定時(shí)同步和載波同步。

利用pn序列優(yōu)良的自相關(guān)特性，將接收信號與本地pn序列作并行相關(guān)，對相關(guān)值的結(jié)果進(jìn)行一系列的處理、判決，超過所設(shè)定的門限時(shí)，則認(rèn)為信號到達(dá)。由于本地pn序列為+/-1，可以通過直接改符號位來避免乘法運(yùn)算，從而簡化了相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)。

如圖11所示，接收窗口r(n)的長度為一個(gè)pn序列的長度l，將接收序列與本地pn作相關(guān)，對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行類峰均比的檢測，當(dāng)接收窗口序列恰好為一個(gè)pn序列時(shí)，檢測到信號到達(dá)。

同步段的后續(xù)pn用于頻偏估計(jì)，其基本原理是在發(fā)射端發(fā)送兩段相同的序列，在接收端利用前后相關(guān)估計(jì)值的相位來估計(jì)頻偏。如圖12所示，定義兩個(gè)窗口集合r(n)和r(n+d)，其中d為一個(gè)pn序列的長度，l為相關(guān)窗口的長度，兩個(gè)窗口前后滑動相關(guān)，對相關(guān)結(jié)果累加后取相位，通過估計(jì)出相位差計(jì)算出頻偏。

由于頻偏的存在，會導(dǎo)致同步段間隔一個(gè)pn長度的數(shù)據(jù)前后都會有一個(gè)相位差，在沒有其他干擾的情況下，這個(gè)相位差應(yīng)該是穩(wěn)定的。但在實(shí)際中，由于navdat數(shù)字廣播信道存在大量干擾，本發(fā)明需要通過統(tǒng)計(jì)平均的方法來減小這種抖動，提高估計(jì)的精度。

3、均衡模塊

本解調(diào)系統(tǒng)頻域均衡處理流程如圖13所示，實(shí)現(xiàn)時(shí)采用迭代均衡技術(shù)：在得到頻域數(shù)據(jù)后，先求取導(dǎo)頻位置處信道的ls估計(jì)結(jié)果，然后通過低通濾波內(nèi)插得到數(shù)據(jù)部分的信道估計(jì)結(jié)果，連同利用導(dǎo)頻估計(jì)的信噪比進(jìn)行均衡，頻域均衡完的信息通過譯碼器進(jìn)行軟譯碼，然后經(jīng)過重映射返回給均衡器，如此迭代。其中第一次均衡，由于此時(shí)沒有譯碼完之后的軟信息，因此第一次均衡相當(dāng)于一次mmse均衡，之后的每次均衡都需要用到譯碼之后的軟信息并重新進(jìn)行均衡，直到四次迭代完成。

4、ldpc編譯碼模塊

(1)ldpc編碼模塊

調(diào)制器中的原始數(shù)據(jù)編碼器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖14所示。

利用校驗(yàn)比特和信息比特的約束方程，可以較簡單的通過信息比特與校驗(yàn)矩陣元素的相乘累加來計(jì)算校驗(yàn)比特。由于采用的qc-ldpc碼校驗(yàn)矩陣具有規(guī)則的塊狀結(jié)構(gòu)，每一子塊矩陣均為單位矩陣的循環(huán)移位，且校驗(yàn)矩陣的右半部分具有雙對角線結(jié)構(gòu)，這一特性使得編碼算法可進(jìn)一步簡化。

在編碼器的具體實(shí)現(xiàn)中，整個(gè)編碼模塊可以分解為矩陣向量相乘、前向迭代、向量相加、碼字生成四個(gè)模塊。輸入的源信息先送入矩陣向量乘累加模塊計(jì)算迭代初始向量，再利用矩陣的雙對角線結(jié)構(gòu)，經(jīng)過前向迭代模塊和向量累加模塊可快速的計(jì)算出校驗(yàn)比特。

(2)ldpc譯碼模塊

ldpc迭代譯碼系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖15所示。主要包括迭代消息預(yù)處理模塊，校驗(yàn)矩陣初始模塊，變量節(jié)點(diǎn)消息存儲模塊，變量節(jié)點(diǎn)消息處理模塊，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)消息存儲模塊，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)消息處理模塊，實(shí)時(shí)置換網(wǎng)絡(luò)模塊，控制邏輯模塊和迭代停止與硬判決輸出模塊。

譯碼器工作流程如下所示：

a)對解調(diào)符號信息進(jìn)行預(yù)處理，獲得比特軟信息，作為迭代初始消息；

b)迭代過程：對于每個(gè)校驗(yàn)分組i,i＝1:l，i和l為自然數(shù)，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分組i并行更新傳遞給變量節(jié)點(diǎn)的外部消息；每組校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)i消息處理完畢后，經(jīng)過實(shí)時(shí)置換網(wǎng)絡(luò)傳遞給變量節(jié)點(diǎn)，立即更新與其相連的所有變量節(jié)點(diǎn)；當(dāng)相應(yīng)的變量節(jié)點(diǎn)更新完畢后，最新的消息可立即給后續(xù)的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分組更新利用；每個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分組更新的過程，稱為一次子層迭代；當(dāng)l個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)分組串行更新完畢，即l次子層迭代完成后，結(jié)束一次迭代；

c)取變量節(jié)點(diǎn)的偽后驗(yàn)概率消息進(jìn)行硬判決，并檢測是否是合法碼字，如果是合法碼字或當(dāng)前迭代次數(shù)超過預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)，則給出中止整個(gè)迭代信號，否則，進(jìn)入下一次迭代；

d)當(dāng)?shù)Ｖ箷r(shí)，輸出相應(yīng)的硬判決比特信息流，譯碼結(jié)束。

ldpc譯碼器的吞吐量通常由如下公式計(jì)算：

因此為了計(jì)算一個(gè)碼字的吞吐量，在給定時(shí)鐘，碼長和迭代次數(shù)的情況下,只需計(jì)算軟判輸入所需拍數(shù)，一次迭代所需拍數(shù)和譯碼輸出所需拍數(shù)。

本發(fā)明提供的海上數(shù)字中頻接收設(shè)備，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)自適應(yīng)接收：目前的模擬接收設(shè)備只有單一的一種接收模式(f1b),傳輸數(shù)據(jù)率低(僅僅50bps),而數(shù)字接收設(shè)備能夠根據(jù)接收到的不同模式調(diào)制的信號自適應(yīng)接收不同模式的信號，包含(ofdm/4qam,ofdm/16qam,ofdm/64qam)等信號。

2)接收設(shè)備具有高靈敏度，大動態(tài)范圍。

3)接收設(shè)備可以接收的安全信息包括不限于以下信息：航線警告,臺風(fēng)警告,天氣預(yù)報(bào),海嘯等；可以播發(fā)的格式包括不限于以下格式：word,txt,jpg,pdf,s57等。

4)接收設(shè)備可以接收頻率范圍包括不限于(495khz-505khz)，宜可接收486khz，518khz，490khz等。

5)接收設(shè)備能夠提供當(dāng)前位置信息，能夠進(jìn)行指定接收模式的接收(通播，選播，指定播發(fā))。

6)接收設(shè)備能夠提供數(shù)據(jù)總線連接以太網(wǎng)接口和/或usb接口與外部設(shè)備連接。

7)可以自動進(jìn)行接收模式的選擇：

a)通播(generalbroadcast):不指定接收設(shè)備，所有安裝接收設(shè)備的船舶都可接收；b)選播(selectivebroadcast):對某組船舶或某區(qū)域船舶播發(fā)，設(shè)定接收區(qū)域的坐標(biāo)、或某組船舶的mmsi編號特征；c)專用信息指定信息(dedicatedmessage)：對帶有海上移動業(yè)務(wù)標(biāo)識碼(mmsi)的單一船舶進(jìn)行廣播。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。