基于北斗導(dǎo)航的短消息收發(fā)信道系統(tǒng)的研究與設(shè)計

盧　彪，楊小瑩,李　悅

(宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

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基于北斗導(dǎo)航的短消息收發(fā)信道系統(tǒng)的研究與設(shè)計

盧彪，楊小瑩,李悅

(宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

GPS定位系統(tǒng)和GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)航技術(shù)，提高北斗導(dǎo)航的數(shù)字信號收發(fā)信道的工作效率可以增強北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的市場競爭力。通過對北斗導(dǎo)航信號收發(fā)機的工作原理和工作流程的探討，設(shè)計了北斗導(dǎo)航短消息收發(fā)信道系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的3個模塊是北斗導(dǎo)航短消息收發(fā)信道系統(tǒng)的核心技術(shù)，這提高了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的市場競爭力。設(shè)計合理的短消息收發(fā)信道系統(tǒng)，對提高北斗系統(tǒng)的工作效率和導(dǎo)航精確度至關(guān)重要。

北斗導(dǎo)航；ENC28J60模塊；SFM953DEQRF模塊；A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

國內(nèi)目前使用的導(dǎo)航系統(tǒng)主要是美國的GPS定位系統(tǒng)和俄羅斯研發(fā)的GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)。這些導(dǎo)航技術(shù)可以通過移動通信運營基站實現(xiàn)快速定位，廣泛應(yīng)用于含有GPS功能的手機、汽車工業(yè)等領(lǐng)域[1]。這兩項導(dǎo)航系統(tǒng)的主要缺點是短消息容易丟失，并且存在一定的安全隱患。

中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球?qū)Ш较到y(tǒng)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在系統(tǒng)功能上和GPS相差無幾。但是，從技術(shù)角度來看，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在地理定位、數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換等核心技術(shù)上與GPS技術(shù)還存在一定的差距。這就要求必須大力研發(fā)導(dǎo)航系統(tǒng)的核心技術(shù)，增加市場競爭力[2]。

短消息收發(fā)信道的傳輸效率是北斗短消息收發(fā)機工作性能的關(guān)鍵技術(shù)[3]，該系統(tǒng)主要完成的工作內(nèi)容是北斗導(dǎo)航的短消息收發(fā)信道系統(tǒng)的研究與設(shè)計，其內(nèi)容包括了編解碼ENC28J60模塊、數(shù)據(jù)采集SFM953DEQRF模塊和A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊3個方面。

1　北斗導(dǎo)航短消息收發(fā)機的工作原理

1.1北斗導(dǎo)航短消息收發(fā)機硬件平臺

北斗短消息收發(fā)機硬件構(gòu)成模塊主要包括：短消息收發(fā)天線模塊、消息編碼模塊、消息解碼模塊和消息傳送模塊。短消息收發(fā)天線模塊主要用于收發(fā)北斗無線短消息；消息編碼模塊主要實現(xiàn)消息的糾錯編碼功能，并且把編碼無線消息通過中間短消息放大器進行數(shù)/模處理成模擬消息；消息解碼模塊主要是將編碼無線消息處理的模擬短消息進行數(shù)據(jù)采集，完成短消息收集、追蹤、模式識別、時鐘同步和導(dǎo)航短消息的地理位置定位解碼；消息傳送模塊主要完成的功能是將導(dǎo)航信息包括地理位置、速度計算等提供給客戶來完成相應(yīng)需求。

北斗短消息收發(fā)機硬件架構(gòu)工作流程如圖1所示。

圖1　北斗短消息收發(fā)機硬件架構(gòu)工作流程

天線將無線信號通過前置放大器進行信號放大輸出到下變頻器中(頻率綜合器負(fù)責(zé)頻率調(diào)整)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號傳遞至數(shù)字接收機中(AGC負(fù)責(zé)信號補償)，信號編解碼模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)相應(yīng)的存儲、導(dǎo)航定位計算等核心功能。從圖1中可以看出信號編解碼模塊是北斗接收機中的核心處理模塊。

1.2收發(fā)機的工作過程

在短消息收發(fā)天線模塊端主要存在的信號數(shù)據(jù)包括數(shù)字信號、模擬信號和導(dǎo)航信號等[4]。為了能夠正確接收發(fā)射導(dǎo)航信號數(shù)據(jù)編碼，編解碼短消息模塊必須從眾多頻率的信號中解析出正確的導(dǎo)航消息，并且短消息中還包括相位移動信號。此外，核心算法模塊為了信號的準(zhǔn)確性和安全性，還要采用信號模式識別等技術(shù)來處理導(dǎo)航信號數(shù)據(jù)，即導(dǎo)航信號的頻率接收。

為了導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院偷乩砦恢枚ㄎ坏臏?zhǔn)確性，信號收發(fā)信道還要通過信號追蹤技術(shù)不斷調(diào)制解調(diào)信道中的信號相位轉(zhuǎn)移，促使信號的接收和發(fā)射頻率都在同一個頻段中。通過信號頻率的變頻轉(zhuǎn)移技術(shù)實現(xiàn)干擾信號的消除。同時，信號收發(fā)信道實時追蹤處理信號轉(zhuǎn)移頻率，不斷調(diào)整模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換速率，以實現(xiàn)信號收發(fā)過程中傳輸信道正常高效地進行信號處理。

2　收發(fā)信道的工作原理

信號收發(fā)天線是北斗短消息收發(fā)機的終端器件，天線可以將導(dǎo)航發(fā)射的電磁波短消息通過模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的過渡。由于短消息信號容易產(chǎn)生衰老，必須通過信號放大技術(shù)對消息進行放大處理。當(dāng)傳遞結(jié)束后，還要進行信號消息衰減處理，然后將信號消息進行頻率變換。由于數(shù)字短消息比模擬短消息在硬件處理上具備先天優(yōu)勢，所以數(shù)字消息是最終的處理消息，進而進行最終的編解碼短消息處理[5]。

當(dāng)收發(fā)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)消息經(jīng)過模擬信號到數(shù)字信號的處理后，首先進行數(shù)字信號消息的數(shù)據(jù)采集，然后將采集消息進入到地理位置定位計算階段。經(jīng)過短消息的定位處理，搜尋到消息位移的相位變化。數(shù)據(jù)采集技術(shù)和位置定位技術(shù)是通過無線芯片實現(xiàn)的，根據(jù)導(dǎo)航信號的相位轉(zhuǎn)移計算出導(dǎo)航數(shù)據(jù)的包結(jié)構(gòu)和完整的地理位置定位信號。從導(dǎo)航數(shù)據(jù)中可以看出導(dǎo)航在空間站中的位置，利用導(dǎo)航的定位信號確定北斗信號收發(fā)機的地理位置，最終實現(xiàn)導(dǎo)航功能。

2.1導(dǎo)航短消息的數(shù)據(jù)采集

北斗導(dǎo)航使用的是窄帶變頻系統(tǒng)，窄帶變頻技術(shù)的數(shù)據(jù)采集是利用收發(fā)機編碼和解碼的位移處于同一個數(shù)據(jù)節(jié)點段，且數(shù)據(jù)接收和發(fā)射的調(diào)制解調(diào)處于同一相位。相位轉(zhuǎn)移實現(xiàn)了短消息的采集時鐘同步，對于導(dǎo)航短消息的數(shù)據(jù)采集主要涉及的內(nèi)容為編解碼的數(shù)據(jù)采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集。

導(dǎo)航短消息數(shù)據(jù)采集的步驟主要包括3個方面：編解碼信號采集、相位轉(zhuǎn)移信號采集、數(shù)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信號采集[6]。當(dāng)數(shù)據(jù)采集檢測到導(dǎo)航短消息的收發(fā)頻率后，立刻進行短消息的數(shù)據(jù)采集編解碼處理。當(dāng)所有數(shù)據(jù)采集動作完全執(zhí)行后，進入到短信息追蹤模塊，完成導(dǎo)航短消息的模式識別。

導(dǎo)航短消息的數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2　導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集流程

輸入信號進入導(dǎo)航系統(tǒng)后，通過載波發(fā)生器進行信號分路處理，得到兩路頻率信號。隨即進行相位轉(zhuǎn)移計算，經(jīng)過偽碼發(fā)生器的偽碼頻率混合處理、偽碼時鐘控制、控制信號的處理和相干積分處理得到短消息的值。最后，經(jīng)過非相干積分值偽碼相位轉(zhuǎn)移處理編碼，得到編解碼信號的閾值判斷。

經(jīng)過偽碼的積分計算以及相位轉(zhuǎn)移，完成短信息的收發(fā)頻率一致性處理。當(dāng)導(dǎo)航短信息不含隨機編解碼時，控制信號處理模塊就要進行通過導(dǎo)航變換來改變編解碼消息的傳遞信道繼續(xù)實現(xiàn)導(dǎo)航定位功能。

2.2導(dǎo)航短消息追蹤實現(xiàn)

跟蹤模塊在數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)信號頻率同步和相位轉(zhuǎn)移，工作步驟主要包括了導(dǎo)航短信息的頻率短消息的追蹤技術(shù)和偽隨機編解碼短消息追蹤技術(shù)[7]。為了實現(xiàn)上述兩種追蹤目的，追蹤通信信道設(shè)計了兩套追蹤路徑：路徑1是追蹤信號頻率同步，路徑2是追蹤偽隨機編解碼短消息。兩條追蹤路徑必須同時進行，追蹤流程如圖3所示。

當(dāng)輸入信號進入導(dǎo)航系統(tǒng)之后，繼續(xù)使用載波發(fā)生器、偽碼發(fā)生器來進行相應(yīng)的信號分路處理以及積分計算。這里，信號分路主要分成兩路，同時進行信號的滯后同相、中間同相和超前同相積分處理：一路信號進行載波環(huán)鑒相器和載波環(huán)濾波器的處理；另一路信號進行碼環(huán)鑒相器和碼環(huán)濾波器的處理，最終完成追蹤環(huán)路的工作流程。

圖3　追蹤輸入信號流程

通過輸入信號的追蹤積分變換工作流程可以看出，北斗導(dǎo)航短消息收發(fā)機硬件的實現(xiàn)主要在消息編解碼模塊、數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)/模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊上。這3個方面最終決定了北斗導(dǎo)航短消息收發(fā)機的工作效率和準(zhǔn)確度，設(shè)計合理的北斗導(dǎo)航編解碼數(shù)字收發(fā)信道對提高北斗系統(tǒng)的工作效率和導(dǎo)航準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

3　北斗信號收發(fā)信道系統(tǒng)設(shè)計

3.1北斗信號收發(fā)信道系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

信號收發(fā)信道系統(tǒng)的設(shè)計包括軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩個方面，信號編解碼和信號數(shù)模相位轉(zhuǎn)換通過專用無線通訊模塊來實現(xiàn)。采用無線通訊編解碼芯片模塊ENC28J60、SFM953DEQRF模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計的北斗信號收發(fā)信道系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　信號收發(fā)通道系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

天線模塊傳送的導(dǎo)航短信息經(jīng)過SFM953DEQRF模塊處理后，實現(xiàn)信號頻率轉(zhuǎn)換和信號分路處理。分路處理功能主要包括62MHz時鐘同步以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)過采樣處理后進行數(shù)據(jù)輸送進無線采集模塊ENC28J60。采集模塊完成數(shù)據(jù)處理后，進行兩路信號輸出：一路進入DSP電路板；另一路進入軟件PVT解算實現(xiàn)衛(wèi)星位置的定位、終端當(dāng)前運動速度、終端當(dāng)前前進方向、終端經(jīng)緯度、高度和時鐘同步的時間校準(zhǔn)。

設(shè)計內(nèi)容主要為圖4中左半部分，包括ENC28J60數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計、SFM953DEQRF數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計和A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計3部分。

3.2ENC28J60數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

ENC28J60芯片是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)收發(fā)通道的核心信號處理模塊，它對整套系統(tǒng)的工作效率和定位準(zhǔn)確性起到關(guān)鍵作用，芯片的工作流程必須科學(xué)。ENC28J60芯片初始化流程主要包括：①上電復(fù)位；②初始化串口；③開鎖相環(huán)124MHZ時鐘；④停止信號捕獲；⑤關(guān)閉窄相關(guān)；⑥?；鶖?shù)配置；⑦觀測量采樣間隔設(shè)置；⑧輔助模式；⑨中頻類型設(shè)置和數(shù)模轉(zhuǎn)換頻點設(shè)置；⑩設(shè)置環(huán)路參數(shù)。ENC28J60芯片初始化功能完成之后，要進行寄存器的參數(shù)調(diào)整、調(diào)用公用時鐘完成時鐘同步等功能設(shè)置。ENC28J60芯片的初始化過程如圖5所示。

編解碼芯片ENC28J60模塊可以收發(fā)導(dǎo)航系統(tǒng)中的無線頻率和模擬信號中的采樣數(shù)據(jù)短消息。該無線通訊編解碼芯片能夠與地理位置定位芯片相結(jié)合，完成提前設(shè)計的導(dǎo)航短信息的數(shù)據(jù)采集、信號追蹤、衛(wèi)星數(shù)據(jù)的編解碼、源定位數(shù)據(jù)信息的調(diào)用等功能，可以通過USB/API等軟硬件接口實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集、定位數(shù)據(jù)采集和信號編解碼信號采集的傳送目的。無線通訊編解碼芯片和導(dǎo)航地理位置定位芯片能夠?qū)崿F(xiàn)地位定位、終端速度檢測、時鐘同步等智能識別。

圖5　ENC28J60芯片初始化流程

3.3SFM953DEQ RF數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

編解碼芯片ENC28J60模塊初始化后，數(shù)據(jù)采集模塊就開始正常工作。SFM953DEQRF芯片檢測信號輸入通道的工作狀態(tài)：若信道處于空閑狀態(tài)，則輸入信號正常進入系統(tǒng)芯片啟動數(shù)據(jù)采集流程，否則芯片采集功能處于待機狀態(tài)。

如果芯片正常工作過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集忙碌狀態(tài)，隨即進行數(shù)據(jù)采集中斷清除空閑機制繼續(xù)持續(xù)數(shù)據(jù)采集流程。當(dāng)處于空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集不間斷進行；當(dāng)處于忙碌狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集繼續(xù)待機。

數(shù)據(jù)采集過程中要判斷數(shù)據(jù)狀態(tài)是處于編碼狀態(tài)還是解碼狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)采集處于編碼狀態(tài)，要進行數(shù)據(jù)編碼相位轉(zhuǎn)移。如果處于解碼狀態(tài)，要進行數(shù)據(jù)采集控制寄存器的存儲參數(shù)配置。配置內(nèi)容包括了解碼類型、導(dǎo)航類型、頻率參數(shù)、信道值等。隨后，啟動數(shù)據(jù)采集模塊，啟動短消息傳送功能，修改數(shù)據(jù)采集狀態(tài)為忙碌，當(dāng)數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)中斷或者結(jié)束狀態(tài)時要進行審計數(shù)據(jù)采集存儲值。采集的數(shù)據(jù)隨后送到A/D轉(zhuǎn)換模塊中進行相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，傳送信道的2路信號輸送處理能保證數(shù)據(jù)傳送的高效率和高可靠性。

DSP電路板在SFM953DEQRF數(shù)據(jù)采集模塊中實現(xiàn)的輔助功能包括：①數(shù)據(jù)采集追蹤；②偽隨機碼的相位轉(zhuǎn)移；③采集頻率同步。數(shù)據(jù)采集追蹤和偽隨機碼的相位轉(zhuǎn)移要通過短消息的修復(fù)技術(shù)來實現(xiàn)窄帶數(shù)據(jù)短消息處理、抗信號干擾和多目的地亂序等，短波積分過濾可以實現(xiàn)干擾信號的排除。過濾后的短消息通過北斗導(dǎo)航定位功能實現(xiàn)地理位置定位、運動軌跡定位和時鐘同步等功能。

3.4A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊主要實現(xiàn)了兩路信號分路處理功能，主要包括62MHz時鐘同步以及中頻信號的A/D轉(zhuǎn)換。A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出的采樣數(shù)據(jù)是8位數(shù)字短消息，該模塊可以共存高、低頻率地傳送速率信號，但是高低頻信號需要通過自適應(yīng)的方式進行頻率信道切換。高頻率信號和低頻率信號并不能同時進行傳輸，采樣信號的輸出配置為半雙工工作模式，工作過程的高低頻信號不能同時進行傳送。

DSP電路板完成的輔助功能包括A/D轉(zhuǎn)換的頻率配置、控制A/D轉(zhuǎn)換的傳輸速度等。導(dǎo)航短消息經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后利用采樣數(shù)據(jù)輸送至ENC28J60芯片，DSP電路板要設(shè)置ENC28J60芯片的數(shù)據(jù)采集存儲器、追蹤定位參數(shù)、數(shù)據(jù)采集頻率控制等，導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)計算完畢后與DSP電路板來提取地理位置、運行軌跡和時鐘同步等信息，最終實現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能。

4　結(jié)　語

短消息收發(fā)信道系統(tǒng)是北斗短消息收發(fā)機工作性能的關(guān)鍵技術(shù)，主要完成的工作內(nèi)容是基于北斗導(dǎo)航的短消息收發(fā)信道系統(tǒng)的研究與設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包括了編解碼ENC28J60模塊、數(shù)據(jù)采集SFM953DEQRF模塊和A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊3個方面，這3個模塊是北斗導(dǎo)航短消息收發(fā)信道系統(tǒng)的核心技術(shù)。設(shè)計合理的北斗導(dǎo)航短消息收發(fā)信道系統(tǒng)對提高北斗系統(tǒng)的工作效率和導(dǎo)航精確度至關(guān)重要，因此，要繼續(xù)探索研究更新的技術(shù)來提高北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的市場競爭力。

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(責(zé)任編輯魏靜敏校對佟金鍇)

LUBiao,YANGXiao-ying，LIYue,

(CollegeofInformationEngineering,SuzhouUniversity,Suzhou234000,AnhuiProvince)

GPSandGLONASSarethemostwidelyutilizednavigationsystems.ItishelpfultoenhancethemarketcompetitivenessoftheBeidounavigationsystembyimprovingitsworkingefficiencyofthedigitalsignalsendingandreceivingchannel.BasedonthediscussionoftheworkingprincipleandprocessoftheBeidounavigationsignaltransceiver,theBeidounavigationshortmessagesendingandreceivingchannelsystemisdesigned.ThecoretechnologyoftheBeidounavigationshortmessagesendingandreceivingchannelsystemisthedesignofthreemodulesincludingENC28J60codinganddecodingmodule,SFM953DEQRFdatacollectionmoduleandtheA/Ddataconversionmodule.ItiscrucialtoimprovetheworkingefficiencyandnavigationprecisionoftheBeidounavigationsystemwiththedesignofreasonableshortmessagesendingandreceivingchannelsystem.

BeidouNavigationSystem;ENC28J60module;SFM953DEQRFmodule;A/Ddataconversionmodule

2016-03-26

2016安徽高校自然科學(xué)研究重點項目(KJ2016A777); 2015年安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(201510379098); 2014年省級質(zhì)量工程教學(xué)研究重點項目(2014jyxm380)

盧彪(1985-)，男，安徽亳州人，助教，碩士。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.03.015

TP393

A

1673-1603(2016)03-0262-05