AIS中频数字处理分布式滤波算法设计.docVIP

AIS中频数字处理分布式滤波算法设计针对海事自动识别系统(AIS)基于FPGA的数字中频接收机，研究基于FPGA的接收滤波器。FPGA器件结构的特点有助于分布式算法的实现，以此提高运算性能。本文针对AIS的中频数字化接收方案，研究基于FPGA、利用分布式算法和FIR结构的实现中频接收滤波器的方法，并借助matlab、ISE和modelsim等工具进行了设计和验证。 AIS；分布式算法；FIR；查找表；FPGA [中图分类号]TN911.72[文献标识码]A[文章编号]1009-9646（2011）08-0086-02 引言:船舶自动识别系统(AIS)是由国际海事组织(IMO)、国际助航设备和航标协会(IALA)以及国际电信联盟(ITU-R)共同提出的技术标准，是一种新型的助航系统及设备。AIS在甚高频(VHF)频段上收发信息，用VHFCH87B(161.975MHz)、CH88B(162.025MHz)两个国际专用频道自动发射和接收通信协议规定的GMSK信号，AIS同时在这两个频率上接收信息。 AIS接收机在接收频道上将接收信号下变频到中频，然后通过AD进行采样，采样信号进行后端处理之前，需对接收信号进行滤波，以滤除信号噪声。AIS接收机可采用专用集成芯片(如CMX910和CMX589)在零中频实现，其缺点在于不利于功能扩展和改进。随着FPGA功能的增强、容量的增大和价格的降低，可用单个FPGA实现整个AIS收发信机。 本文首先介绍AIS中频数字接收机的结构，然后对基于FPGA分布式算法的AIS接收滤波器实现结构进行描述，并进行仿真验证。 一、AIS中频数字接收机结构 AIS中频数字接收机的结构如图1所示，AIS射频前端将接收信号下变频为中频GMSK信号，通过AD采样后，进入FPGA进行后端物理层上的处理，包括差分解调、低通滤波、位同步与采样判决，最后通过NRZI解码还原为二进制发送数据帧。 AIS输出的中频信号带宽为1MHz左右，经AD采样后在FPGA内部进行数字化滤波处理，以滤除信号带外噪声。因此，接收滤波器带宽设计为1MHz，采用FIR结构。 二、FIR滤波器的FPGA实现 按照传统的线性FIR滤波器的实现结构，本设计中的FIR低通滤波器的实现如图2(a)所示。本设计对该结构采用分布式算法，并对该算法进行改进，得到基于查找表的并行FIR滤波器实现方法，如图2(b)所示。图2(b)结构实现与图2(a)结构相同的FIR滤波器功能，由于采用并行结构，其运算速度更快，适合在FPGA实现。图中，查找表LUT的尺寸和数据位宽由输入数据和滤波器系数决定。本设计中，采用8位AD进行采样，输入数据为8位有符号数。 移位相加模块等。 基于matlab设计的滤波系数，在Xilinx的集成开发环境ISE下利用Verilog语言分模块实现图2(b)所示的分布式并行FIR滤波器。用Modelsim进行功能验证。仿真的输入激励信号是matlab算法验证时生成的经过量化的0.5MHZ和2MHZ正弦波相叠加的信号，输入5个周期的该信号进行仿真，滤波结果如下图所示： 为了直观表示，用模拟波形来显示滤波后恢复的信号。由图可见，恢复出的信号为完整的正弦波，说明设计正确实现了功能。 三、结语 接收滤波是AIS接收机的重要组成部分，本文结合基于FPGA的AIS数字接收机，基于分布式算法，借助matlab、ISE、modelsim等设计仿真工具对AIS中频滤波算法进行了设计和验证。利用该方法设计的FIR滤波器，很好的利用了FPGA器件结构的灵活性，可移植性好，在设计不同参数的滤波器时，只需改变查找表的内容，即可设计出新的滤波器，并且将分布式算法和FPGA结合可以提高滤波运算速度，是一种可靠的设计方法。 [1]王旭东,周安栋,周冬成.并行分布式运算FIR滤波器的FPGA实现[J].舰船电子工程,2005(2):64-66. [2]毕占坤,吴伶锡.FIR数字滤波器分布式算法的原理及FPGA实现[J].集成电路应用,2004(7):61-62,66. [3]晏金成.基于DA算法的FIR滤波器的FPGA实现[J].现代计算机,2010(3):191-193. [4]赵金宪,吴三,王乃飞.基于FPGA并行分布式算法的FIR滤波器实现[J].黑龙江科技学院学报,2006(7):248-250. 姜黎红，女，助教，主要研究领域为数字信号处理。 1