基于FPGA的AIS基带设计算法研究

论文摘要

随着我国现代航运交通运输的飞速发展,船舶的航行安全已是越来越重要AIS设备利用无线电技术实现船-船、船-岸的通信及辅助导航,避免船舶之间发生碰撞,方便监管部门管理,大幅提高航行安全。其组成结构包括由人机界面模块、通信协议处理模块、基带信号处理模块、射频模块及标准通信接口模块。本文着重对AIS设备的基带信号处理模块进行仿真研究,并以仿真为基础,研究基于FPGA的基带信号的调制解调算法,为后期以FPGA为硬件平台设计AIS设备打下坚实的理论算法基础。AIS基带处理器主要功能包括完成HDLC打解包、NRZI编解码和GMSK的调制解调。由于FPGA平台只能处理数字信号,而AIS基带调制解调中存在部分模拟信号,所以要针对FPGA的硬件平台,进一步研究改进的AIS基带调制解调算法。由于HDLC主要包括,位填充及去填充、校验位产生、数据打解包等。由于HDLC处理及NRZI本身就是数字信号处理,所以基于FPGA的HDLC算法相对简单。GMSK调制解调属于数字信号的模拟调制,在研究GMSK信号时,以SystemView和Matlab作为工具研究其特性和算法验证,结合FPGA本身的特点,给出了具体实现时必需考虑的位同步算法。由于FPGA设计结构灵活、通用性强、实时性高以及适合于模块化设计等特点,因此FPGA平台非常适合于AIS的硬件实现平台。另外,选用FPGA作为硬件平台也为单个芯片实现AIS系统奠定了基础。基于FPGA的AIS基带算法中主要包括了以下几个方面研究：1)CRC校验的产生算法及在适合于FPGA中的快速实现算法；2)位填充及去填充和NRZI的编码及解码在FPGA的算法实现；3) GMSK的调制解调算法；4)高斯滤波器算法在FPGA中的快速实现算法；5)相位积分在FPGA中快速实时的实现算法；6)IQ调制器在FPGA中快速实时的实现算法；7)位同步在FPGA中快速实时的实现算法；8)反正切实现在FPGA中快速实时的实现算法。本文从AIS的定义、特点以及国内外发展现状入手,结合AIS基带处理的功能需求,重点阐述了HDLC打解包、GMSK的调制解调原理以及基于FPGA的算法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 AIS系统的定义
• 1.2 AIS的必要性
• 1.3 国内外AIS的发展现状
• 1.3.1 国内AIS的发展现状
• 1.3.2 国外AIS的发展现状
• 1.4 AIS系统工作特点及功能模块组成
• 1.5 AIS关键技术
• 1.6 论文的主要工作
• 第2章 基于FPGA的HDLC及NRZI算法研究
• 2.1 AIS基带信号处理模块功能分析
• 2.2 基于FPGA的HDLC算法研究
• 2.2.1 HDLC主要功能
• 2.2.2 基于FPGA的HDLC数据打包算法研究
• 2.2.3 基于FPGA的HDLC数据解包算法研究
• 2.3 NRZI算法仿真验证及基于FPGA的算法研究
• 2.3.1 NRZI特性验证
• 2.3.2 基于FPGA的NRZI算法研究
• 2.4 本章小节
• 第3章 GMSK调制解调原理及算法研究
• 3.1 算法仿真软件平台
• 3.2 GMSK调制解调原理及算法研究
• 3.2.1 GMSK的调制原理
• 3.2.2 高斯预调制滤波器算法研究及仿真
• 3.2.3 MSK调制算法研究及仿真
• 3.2.4 MSK解调算法研究及仿真
• 3.3 本章小节
• 第4章 基于FPGA的GMSK调制解调算法研究
• 4.1 基于FPGA的GMSK调制解调的算法理论基础
• 4.1.1 信息采样理论
• 4.1.2 数字滤波器理论
• 4.1.3 多速率信号处理理论
• 4.2 FPGA平台介绍
• 4.3 基于FPGA的GMSK调制算法研究
• 4.3.1 高斯滤波器的FPGA设计
• 4.3.2 相位积分器的FPGA设计
• 4.3.3 IQ调制器的FPGA设计
• 4.4 基于FPGA的GMSK解调算法研究
• 4.4.1 基于FPGA的瞬时频率计算模块算法研究
• 4.4.2 基于FPGA的位同步模块算法研究
• 4.4.3 基于FPGA的调整波形模块算法研究
• 4.4.4 基于FPGA抽样判决算法研究
• 4.5 本章小节
• 第5章 总结与展望
• 5.1 研究内容总结
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文、专利及参加的科研项目