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基于FPGA的AIS基带设计算法研究

作　者: 李龙
导　师: 初秀民
学　校: 武汉理工大学
专　业: 智能交通工程
关键词: AIS HDLC GMSK FPGA 调制解调 SystemView
分类号: U675.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 AIS系统的定义  10
  1.2 AIS的必要性  10-12
  1.3 国内外AIS的发展现状  12-14
    1.3.1 国内AIS的发展现状  12-13
    1.3.2 国外AIS的发展现状  13-14
  1.4 AIS系统工作特点及功能模块组成  14-17
  1.5 AIS关键技术  17-18
  1.6 论文的主要工作  18-20
第2章基于FPGA的HDLC及NRZI算法研究  20-32
  2.1 AIS基带信号处理模块功能分析  20-21
  2.2 基于FPGA的HDLC算法研究  21-29
    2.2.1 HDLC主要功能  21-22
    2.2.2 基于FPGA的HDLC数据打包算法研究  22-28
    2.2.3 基于FPGA的HDLC数据解包算法研究  28-29
  2.3 NRZI算法仿真验证及基于FPGA的算法研究  29-31
    2.3.1 NRZI特性验证  29-30
    2.3.2 基于FPGA的NRZI算法研究  30-31
  2.4 本章小节  31-32
第3章 GMSK 调制解调原理及算法研究  32-47
  3.1 算法仿真软件平台  32-33
  3.2 GMSK调制解调原理及算法研究  33-46
    3.2.1 GMSK的调制原理  33-34
    3.2.2 高斯预调制滤波器算法研究及仿真  34-39
    3.2.3 MSK调制算法研究及仿真  39-41
    3.2.4 MSK解调算法研究及仿真  41-46
  3.3 本章小节  46-47
第4章基于FPGA的GMSK调制解调算法研究  47-66
  4.1 基于FPGA的GMSK调制解调的算法理论基础  47-52
    4.1.1 信息采样理论  47-49
    4.1.2 数字滤波器理论  49
    4.1.3 多速率信号处理理论  49-52
  4.2 FPGA平台介绍  52-53
  4.3 基于FPGA的GMSK调制算法研究  53-59
    4.3.1 高斯滤波器的FPGA设计  54-58
    4.3.2 相位积分器的FPGA设计  58
    4.3.3 IQ调制器的FPGA设计  58-59
  4.4 基于FPGA的GMSK解调算法研究  59-65
    4.4.1 基于FPGA的瞬时频率计算模块算法研究  60-62
    4.4.2 基于FPGA的位同步模块算法研究  62-64
    4.4.3 基于FPGA的调整波形模块算法研究  64-65
    4.4.4 基于FPGA抽样判决算法研究  65
  4.5 本章小节  65-66
第5章总结与展望  66-68
  5.1 研究内容总结  66
  5.2 研究展望  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-72
攻读硕士期间发表的论文、专利及参加的科研项目  72

基于FPGA的AIS基带设计算法研究

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