一種基于射頻直接采樣的全數(shù)字AIS接收機(jī)系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于射頻直接采樣的全數(shù)字AIS接收機(jī)系統(tǒng)，包括接收天線、模擬前端、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA、USB傳輸控制器、溫補(bǔ)晶振、鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器、GPS接收器和主機(jī)。本發(fā)明專利技術(shù)采用射頻直接采樣方式，省去了模擬混頻器、鎖相環(huán)頻率合成器、濾波器、基帶解調(diào)芯片等有源器件，降低了模擬器件噪聲帶來的影響；利用FPGA芯片在數(shù)字域內(nèi)完成信號(hào)下變頻，避免了模擬混頻器帶來非線性失真的問題；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，硬件規(guī)模小，配置靈活，且性能良好，能夠接收AIS消息最遠(yuǎn)距離可達(dá)50公里。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于無線通信
，涉及船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）領(lǐng)域，具體涉及一種基于射頻直接采樣的全數(shù)字AIS接收機(jī)系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
AIS技術(shù)發(fā)展至今已有20年時(shí)間，在此期間，AIS技術(shù)為海上航運(yùn)安全和相關(guān)部門監(jiān)管提供了強(qiáng)有力的幫助。AIS系統(tǒng)由岸上設(shè)備和船載設(shè)備共同組成，該系統(tǒng)在VHF頻段發(fā)送數(shù)據(jù)，采用高斯最小頻移鍵控/調(diào)頻（GMSK/FM）調(diào)制方式，向外發(fā)送包括船舶位置、航速、航向、船只識(shí)別碼等信息。其中，接收機(jī)是AIS系統(tǒng)中的重要組成部分，接收機(jī)的性能直接影響了能夠接收到船舶信息的最遠(yuǎn)距離以及AIS系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)能接收到信息的船舶數(shù)目，從而影響了整個(gè)AIS系統(tǒng)的性能。目前的AIS接收機(jī)一般采用超外差式結(jié)構(gòu)，即利用模擬混頻器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行多次混頻來完成下變頻處理，再利用專用基帶解調(diào)芯片對(duì)AIS基帶信號(hào)解調(diào)、解碼。然而模擬混頻器存在非線性失真、鏡像頻率干擾等缺點(diǎn)，且超外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電路體積大，系統(tǒng)靈活性較差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，研制一種基于射頻直接采樣的全數(shù)字AIS接收機(jī)系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性，提高系統(tǒng)性能。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下：一種基于射頻直接采樣的全數(shù)字AIS接收機(jī)系統(tǒng)，包括接收天線、模擬前端、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA、USB傳輸控制器、主機(jī)、溫補(bǔ)晶振、鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器、GPS接收器；所述單極子接收天線、模擬前端、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA、USB傳輸控制器、主機(jī)依次連接；所述GPS接收器與主機(jī)連接；所述溫補(bǔ)晶振與鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器連接；所述鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器分別與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA連接。其中，所述模擬前端包括依次相連的射頻低噪聲放大器、壓控增益放大器和射頻帶通濾波器；通過放大、濾波處理將天線接收到的微弱信號(hào)調(diào)理至適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣的范圍；射頻低噪放大器對(duì)接收天線接收到的小信號(hào)進(jìn)行放大；壓控增益放大器用于調(diào)理信號(hào)大小，使之不超過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍；射頻帶通濾波器用于濾除帶外的噪聲信號(hào)，同時(shí)避免射頻直接采樣后發(fā)生頻譜混疊。其中，所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用射頻直接采樣方式，最高采樣頻率需高于射頻信號(hào)帶寬的兩倍以上，以滿足射頻直接采樣的要求；模/數(shù)轉(zhuǎn)化器的模擬信號(hào)輸入帶寬必須高于信號(hào)最高頻率，否則模擬信號(hào)將被模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的前置調(diào)理電路濾除，無法進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。其中，所述射頻直接采樣，實(shí)際是信號(hào)頻譜以采樣頻率為間隔做等間隔搬移，因此要求采樣頻率至少高于信號(hào)帶寬的兩倍，否則采樣后頻譜會(huì)發(fā)生混疊，無法將原始信號(hào)分離；射頻直接采樣方式在硬件結(jié)構(gòu)上省去了模擬混頻器、頻率合成器、濾波器等多個(gè)模擬器件，優(yōu)化了電路結(jié)構(gòu)，減小了電路體積。其中，所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA是整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)處理核心；包括依次連接的NIOSII控制器、本征信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字下變頻模塊、解調(diào)模塊、解碼模塊、數(shù)據(jù)打包模塊。在數(shù)字域完成信號(hào)混頻，避免了模擬混頻器產(chǎn)生非線性失真的影響；在數(shù)字域完成大部分信號(hào)處理工作，避免了復(fù)雜的模擬電路帶來電路噪聲的影響，能夠獲得比現(xiàn)有超外差接收機(jī)更優(yōu)良的性能指標(biāo)。其中，所述采用USB傳輸控制器，使硬件系統(tǒng)和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸能夠通過通用USB接口直接完成，傳輸速度可達(dá)48Mbps，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，接口方便簡(jiǎn)單。本專利技術(shù)的工作原理是：?jiǎn)螛O子接收天線接收到的微弱信號(hào)經(jīng)過模擬前端放大、濾波后，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行射頻直接采樣，利用FPGA芯片在數(shù)字域內(nèi)完成數(shù)字混頻、濾波、信號(hào)解調(diào)、消息解碼、數(shù)據(jù)打包發(fā)送等工作，得到的碼流通過USB傳輸控制器上傳至主機(jī)，做進(jìn)一步的譯碼工作從而提取AIS信號(hào)中的信息，同時(shí)GPS接收器接收GPS信號(hào)后，將信息上傳至主機(jī)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：1.采用射頻直接采樣方式，硬件結(jié)構(gòu)中省去了模擬混頻器、頻率合成器、基帶濾波器等模擬器件，大大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)和體積，同時(shí)也降低了模擬器件噪聲帶來的影響，得到更好的性能指標(biāo)。2.在數(shù)字域中完成信號(hào)混頻，避免了模擬混頻器非線性失真的問題，相比模擬混頻能夠獲得更高的信號(hào)質(zhì)量；在數(shù)字域中完成信號(hào)處理工作，不僅在硬件結(jié)構(gòu)上省去了基帶信號(hào)解調(diào)電路，同時(shí)也提高了系統(tǒng)靈活性，降低了系統(tǒng)修改成本，有利于后續(xù)系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高和功能拓展的工作；另外，由于數(shù)字電路的噪聲容忍能力更高，因此全數(shù)字式的硬件結(jié)構(gòu)也提高了接收機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力。附圖說明圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例的系統(tǒng)連接框圖。圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例中模擬前端的結(jié)構(gòu)框圖。圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例中射頻直接采樣的工作原理圖；圖3（a）為原始信號(hào)頻譜圖，圖3（b）為采樣后信號(hào)頻譜圖。圖4為本專利技術(shù)實(shí)施例中時(shí)鐘管理的實(shí)施框圖。圖5為本專利技術(shù)實(shí)施例中電源管理的實(shí)施框圖。圖6為本專利技術(shù)實(shí)施例中數(shù)字域的信號(hào)處理框圖。其中，1-接收天線，2-模擬前端，3-模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，4-采樣數(shù)字信號(hào)，5-FPGA芯片，6-USB傳輸控制器，7-主機(jī)，8-GPS接收器，9-10MHz溫補(bǔ)晶振，10-PLL時(shí)鐘合成器。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明：圖1所示為本專利技術(shù)的系統(tǒng)連接框圖，包括單極子接收天線、模擬前端、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA、USB傳輸控制器、主機(jī)、溫補(bǔ)晶振、鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器、GPS接收器；單極子接收天線、模擬前端、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA、USB傳輸控制器、主機(jī)依次連接；GPS接收器與主機(jī)連接；溫補(bǔ)晶振與鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器連接；鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器分別與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA連接；模擬前端包括依次連接的射頻放大器、壓控增益放大器和射頻帶通濾波器。單極子接收天線接收到的微弱信號(hào)進(jìn)入模擬前端；模擬前端對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波調(diào)理，使信號(hào)大小適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，同時(shí)也降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，保證信號(hào)質(zhì)量；模擬前端輸出的射頻信號(hào)由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行射頻直接采樣；采樣后的數(shù)字信號(hào)傳輸至FPGA芯片內(nèi)部，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部基于DDS原理構(gòu)建一個(gè)本征信號(hào)發(fā)生器，利用FPGA芯片內(nèi)集成的NIOSII控制器控制本征信號(hào)的產(chǎn)生，本征信號(hào)與數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字混頻，以此完成數(shù)字下變頻，下變頻后的基帶信號(hào)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)、信號(hào)解碼、數(shù)據(jù)重新打包等工作；打包好的碼流通過USB傳輸控制器上傳至主機(jī)；同時(shí)GPS接收器將GPS信息通過串口上傳至主機(jī)；接收機(jī)系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA芯片先對(duì)PLL時(shí)鐘合成器進(jìn)行配置，10MHz溫補(bǔ)晶振的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過PLL時(shí)鐘合成器后，輸出兩路低噪低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)分別給FPGA芯片和模/數(shù)轉(zhuǎn)化器，系統(tǒng)開始正常工作。圖2所示為本專利技術(shù)中模擬前端的結(jié)構(gòu)框圖，模擬前端包括依次連接的射頻低噪放大器、壓控增益放大器和射頻帶通濾波器；射頻低噪放大器對(duì)單極子天線接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)放大，同時(shí)射頻低噪放大器極低的噪聲系數(shù)可以保證信號(hào)不被淹沒在噪聲內(nèi)；壓控增益放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益控制，將信號(hào)調(diào)理到適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣的電壓范圍；射頻帶通濾波器以信號(hào)中心頻率為中心頻率，濾波器帶寬大于信號(hào)帶寬，以保證需要的信號(hào)能夠進(jìn)入后續(xù)處理，而濾除無用信號(hào)和電磁噪聲。圖3所示為射頻直接采樣的原理圖，其中（a）為原始信號(hào)頻本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于射頻直接采樣的全數(shù)字AIS接收機(jī)系統(tǒng)，其特征在于：包括接收天線、模擬前端、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA、USB傳輸控制器、主機(jī)、溫補(bǔ)晶振、鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器、GPS接收器；所述接收天線、模擬前端、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA、USB傳輸控制器、主機(jī)依次連接；所述GPS接收器與主機(jī)連接；所述溫補(bǔ)晶振與鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器連接；所述鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器分別與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA連接。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于射頻直接采樣的全數(shù)字AIS接收機(jī)系統(tǒng)，其特征在于：包括接收天線、模擬前端、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA、USB傳輸控制器、主機(jī)、溫補(bǔ)晶振、鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器、GPS接收器；所述接收天線、模擬前端、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA、USB傳輸控制器、主機(jī)依次連接；所述GPS接收器與主機(jī)連接；所述溫補(bǔ)晶振與鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器連接；所述鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘合成器分別與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片F(xiàn)PGA連接。2.按權(quán)利要求1所述的一種基于射頻直接采樣的全數(shù)字AIS接收機(jī)系統(tǒng)，其特征在于：所述模擬前端包括依次連接的射頻低噪聲放大器、壓控增益放大器和射頻帶通濾波器，通過放大、濾波處理將天線接收到的微弱信號(hào)調(diào)理至...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：文必洋，王思捷，趙久瑞，田震，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：武漢大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：湖北;42