基于中波導(dǎo)航機的數(shù)字通信方案設(shè)計*

劉開進

（福建星海通信科技有限公司，福建 福州 350008）

0 引 言

中波導(dǎo)航系統(tǒng)作為最先應(yīng)用的地基式航空無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，被各國廣泛應(yīng)用于航空導(dǎo)航[1]。它由飛機上的無線電羅盤和地面的中波導(dǎo)航機組成。中波導(dǎo)航機是一部調(diào)幅發(fā)射機，為機載無線電羅盤提供無線電測向信號。我國擁有大量中波導(dǎo)航機，中波導(dǎo)航信號覆蓋了我國大部分領(lǐng)空和領(lǐng)海。中波射頻信號以地波方式傳播為主，也就是說，中波射頻信號是沿地球表面?zhèn)鞑サ?。而地球表面上的城市、山脈、森林等地物，相對于通信保持時間是基本不會發(fā)生變化的。同樣，地球表面的電參數(shù)相對于通信保持時間也基本恒定。那么，中波傳播信道具有了恒參信道特征，使得射頻信號的傳輸穩(wěn)定可靠。另外，中波射頻信號繞射能力強、繞射損耗小、易克服陰影區(qū)，因此與短波信道相比，中波信道主要靠地波傳播，具有信道穩(wěn)定、無盲區(qū)等特點，是一種可提供可靠中距離通信的信道。因此，只要使中波導(dǎo)航機具備通信功能，就可以利用中波導(dǎo)航機這一寶貴資源來構(gòu)建中波通信網(wǎng)，可以為應(yīng)急救援、搶險救災(zāi)等提供一種通信手段。因此，本文提出一種基于中波導(dǎo)航機進行數(shù)字通信的方案，通過采用軟件無線電技術(shù)對中波導(dǎo)航機進行升級改造，使其具有數(shù)據(jù)通信功能，以達到利用中波導(dǎo)航臺實現(xiàn)最低應(yīng)急保障通信。

1 數(shù)字通信改造方案

在確定數(shù)字通信改造方案前，首先需要對中波導(dǎo)航機的基本工作原理和組成進行分析。中波導(dǎo)航機作為中波導(dǎo)航系統(tǒng)的地面設(shè)備，通過空中發(fā)射無方向性的中波射頻信號，為機載無線電羅盤提供無線電測向信號，從而完成飛機導(dǎo)航保障功能。中波導(dǎo)航機實質(zhì)上是一部調(diào)幅發(fā)射機，一般由電源單元、頻率合成單元、調(diào)制單元、功率放大單元和天線調(diào)諧單元等組成，如圖1所示。頻率合成單元產(chǎn)生導(dǎo)航機所需的中波射頻信號；調(diào)制單元產(chǎn)生導(dǎo)航機所需的1 kHz正弦波調(diào)制信號，并放大輸出所需的調(diào)制電平；功率放大單元對頻率合成單元輸出的中波信號放大到導(dǎo)航機所需的功率信號，然后經(jīng)天線調(diào)諧單元配諧后輻射出去。

圖1 中波導(dǎo)航機基本組成

數(shù)字通信改造的原則是中波導(dǎo)航機保持原有導(dǎo)航功能不變條件下增加數(shù)字通信功能。通過分析中波導(dǎo)航機的基本原理和組成，采取的改造方案是保持原有的電源單元、調(diào)制單元、功率放大單元和天線調(diào)諧單元不變，對頻率合成單元進行改進，原理如圖2所示。用具有軟件無線電架構(gòu)的信息處理單元代替現(xiàn)有的頻率合成單元，產(chǎn)生導(dǎo)航和通信所需的激勵信號，從而使中波導(dǎo)航機具有導(dǎo)航和數(shù)字通信兩種功能。同時，利用軟件無線電體系架構(gòu)來實現(xiàn)數(shù)字化接收，使得接收和發(fā)射的信號處理均在數(shù)字域完成。

圖2 數(shù)字通信原理

2 技術(shù)方案設(shè)計

2.1 改造方案

本方案采用基于軟件無線電架構(gòu)的信息處理單元代替現(xiàn)有的頻率合成單元，產(chǎn)生導(dǎo)航和通信所需的激勵信號，并完成射頻信號的接收和解調(diào)，原理如圖3所示?？梢钥闯?，導(dǎo)航激勵信號、MSK調(diào)制信號和MSK解調(diào)等均在FPGA芯片內(nèi)部完成。具體地，使用的FPGA芯片是Altera公司的EP2C50F484I8，具有50528萬門的邏輯單元（LE）、450個外部引腳、86個乘法器、約600 MHz的數(shù)據(jù)處理能力等，能夠滿足本方案需求。

圖3 信息處理單元原理

中波導(dǎo)航機本身只有發(fā)射功能，要想具備數(shù)字通信功能必須增加接收功能。本方案中采用單通道射頻直接采樣軟件無線電接收機體系結(jié)構(gòu)[2]，從天線接收到的射頻信號先送入窄帶電調(diào)濾波器，選擇所需的信號進行放大，再經(jīng)ADC采樣后送至FPGA進行數(shù)據(jù)處理、信號解調(diào)、信道譯碼，獲得所需的接收數(shù)據(jù)，最后經(jīng)串口輸出。中波導(dǎo)航機的最高工作頻率小于1 MHz，目前市場上絕大多數(shù)的ADC芯片都滿足對中波導(dǎo)航機射頻信號直接采樣技術(shù)性能的要求。因此，這里接收機方案采用射頻直接采樣軟件無線電接收機體系結(jié)構(gòu)。在接收前端窄帶電調(diào)濾波器，是為了提高接收回路的信噪比，有利于提高接收機的抗干擾能力。

發(fā)射數(shù)據(jù)時，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號經(jīng)串口送至FPGA，F(xiàn)PGA先對數(shù)據(jù)信號進行信道編碼，然后把編碼好的數(shù)據(jù)信號進行MSK調(diào)制。FPGA輸出的MSK信號經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬射頻信號，經(jīng)放大后輸出。

當工作在導(dǎo)航模式時，直接由FPGA產(chǎn)生導(dǎo)航機所需數(shù)字載波信號，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬射頻信號，并經(jīng)放大后輸出。

2.2 數(shù)字調(diào)制技術(shù)

數(shù)字調(diào)制技術(shù)是對數(shù)字信號進行載波調(diào)制的技術(shù)，以使數(shù)字信號能在有限帶寬的高頻信道中傳輸。數(shù)字調(diào)制技術(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其性能好壞關(guān)系到數(shù)字通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣[3]?，F(xiàn)有的數(shù)字調(diào)制技術(shù)包括QPSK、MSK、QAM和OFDM等。針對中波信道特點，本方案選取MSK作為數(shù)字調(diào)制方式。MSK（Minimum Shift Keying）稱為最小移頻鍵控，是一種具有連續(xù)相位的頻移鍵控。MSK信號能量集中，99.5%的信號能量被限制在數(shù)據(jù)傳輸速率的1.5倍帶寬內(nèi)[4]，在帶外產(chǎn)生的干擾小，因此適合于工作帶寬窄（小于9 kHz）的中波信道。此外，MSK信號包絡(luò)恒定，可以使用非線性電路。這樣采用MSK作為數(shù)字通信改造的調(diào)制方式，既可以適應(yīng)使用線性功放的中波導(dǎo)航機，也可以適應(yīng)使用開關(guān)功放的中波導(dǎo)航機。

本方案中MSK信號的調(diào)制原理如圖4所示。MSK調(diào)制模塊分兩部分實現(xiàn)。第一部分是MSK信號產(chǎn)生，由外部的二個頻率控制字送給NCO的頻控字選擇端口，實現(xiàn)二進制數(shù)據(jù)信號頻率選擇輸出，進而實現(xiàn)MSK信號的生成。第二部分是正交調(diào)制部分，MSK信號的同相分量和正交分量分別內(nèi)插濾波在調(diào)制到載波上，最后相加輸出MSK調(diào)制信號。

圖4 MSK調(diào)制器原理

具體的技術(shù)實現(xiàn)分析如下。

同相分量I(t)的數(shù)學(xué)表達式為：

正交分量Q(t)的數(shù)學(xué)表達式為：

同相支路信號。由同相分量I(t)經(jīng)過內(nèi)插濾波器和載波cos(2πfct)相乘輸出同相分量V1。

正交支路信號。由正交分量Q(t)經(jīng)過內(nèi)插濾波器和載波sin(2πfct)相乘輸出反相分量V2。

V1和V2實現(xiàn)公式如下：

V1和V2經(jīng)一個減法器相減后輸出Vout：

這里的Vout就是所需的MSK調(diào)制信號。

2.3 信道編碼

C0，并且由1個移位子模塊移位輸出；編碼模塊1在時鐘頻率下，對存儲的數(shù)據(jù)按生成序列g(shù)1（171）8的規(guī)則生成輸出序列C1，并且由1個移位子模塊移位輸出；并/串變換模塊將C0和C1兩路并行數(shù)據(jù)變換成一路串行數(shù)據(jù)C0C1。

圖5 卷積編碼器的結(jié)構(gòu)

信道編碼是對信源編碼后的數(shù)據(jù)序列，按照一定的規(guī)則，人為加進若干位（稱為校驗位）組成新的數(shù)據(jù)序列。在接收端，可以按照已知的編碼規(guī)則進行譯碼，對輸出的數(shù)據(jù)序列進行檢驗和糾錯。對數(shù)據(jù)序列進行信道編碼，是為了使數(shù)據(jù)傳輸具有檢查錯誤和糾正錯誤的能力，使得接收端可通過數(shù)據(jù)相關(guān)性進行檢查和糾正?？傊?，信道編碼的目的是提高數(shù)字信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

本方案中信道編碼采用（2，1，7）卷積編碼，編碼結(jié)構(gòu)如圖5所示。它主要有四個模塊構(gòu)成：信息輸入移位處理模塊、編碼模塊0、編碼模塊1和并/串變換模塊。其中，信息輸入處理模塊由6個移位子模塊組成，在時鐘頻率下對輸入的信息進行移位和存儲；編碼模塊0在時鐘頻率下，對存儲的數(shù)據(jù)按生成序列g(shù)0（133）8的規(guī)則生成輸出序列

2.4 MSK解調(diào)

基于軟件無線電體系架構(gòu)的MSK信號數(shù)字化解調(diào)基本上都是采用數(shù)字化正交解調(diào)方案。本方案采用的MSK數(shù)字正交解調(diào)原理，如圖6所示。從圖6可以看出，輸入的MSK數(shù)字信號先與數(shù)字載波正反相信號分別進行數(shù)字混頻，再分別經(jīng)過數(shù)字低通濾波器，獲得同相分量數(shù)字信號和正交分量數(shù)字信號，然后利用基帶解算算法對同相分量數(shù)字信號和正交分量數(shù)字信號進行一系列數(shù)學(xué)函數(shù)運算，最終獲得所需的數(shù)據(jù)序列。也就是說，數(shù)字正交解調(diào)方案是利用軟件無線電中的各種數(shù)學(xué)函數(shù)模型，對數(shù)字化的調(diào)制信號進行相應(yīng)的數(shù)學(xué)運算來獲得所需的數(shù)據(jù)信號。采用數(shù)字正交解調(diào)方案大大簡化了硬件電路，解調(diào)過程由軟件來完成，大大增加了靈活性。

圖6 MSK解調(diào)原理

該解調(diào)方案的具體技術(shù)實現(xiàn)分析如下。

經(jīng)過A/D采樣的中波MSK信號的數(shù)學(xué)表達式為：

所以：

式中：

因此，MSK信號通過與正交載波相乘后，再經(jīng)過低通濾波可取出I(n)、Q(n)，即所需的同相分量數(shù)字信號和正交分量數(shù)字信號?？梢钥闯?，它們包含了信號的相位信息，根據(jù)I(n)、Q(n)可以對MSK信號進行解調(diào)。

經(jīng)數(shù)字正交混頻和低通濾波后獲得的同相支路和正交支路的兩路正交數(shù)字基帶信號，采用基帶解調(diào)算法對兩路正交數(shù)字基帶信號進行數(shù)學(xué)運算，解算出信號的相位和頻率。

先解調(diào)出相位：

再解調(diào)出頻率：

最后經(jīng)過位同步和抽樣判決，可輸出同步時鐘和解調(diào)碼元。

3 驗證試驗

3.1 導(dǎo)航功能驗證

在進行通信功能試驗前，先進行中波導(dǎo)航機的導(dǎo)航功能驗證試驗。用新設(shè)計的信息處理單元替換中波導(dǎo)航機原來使用的頻率合成單元，并選擇工作模式為導(dǎo)航模式。分別選取工作頻率為150 kHz、300 kHz、700 kHz進行驗證試驗，在各試驗頻點上，中波導(dǎo)航機與發(fā)射天線配諧正常，導(dǎo)航信號正常，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

3.2 數(shù)字通信驗證

數(shù)字通信驗證試驗有室內(nèi)有線驗證試驗和室外開路試驗兩個步驟。室內(nèi)有線驗證試驗主要驗證理想環(huán)境下數(shù)字通信功能，室外開路試驗主要驗證實際使用環(huán)境下的數(shù)字通信功能。

3.2.1 室內(nèi)有線驗證試驗

把一臺改造好的中波導(dǎo)航機的射頻輸出經(jīng)衰減器衰減后接入信息處理單元的接收端。選擇試驗頻點為150 kHz和800 kHz，在每個頻點上按信息速率 37.5 b/s、75 b/s、150 b/s、300 b/s、600 b/s分別進行通信試驗。試驗結(jié)果顯示，均能進行正常通信，數(shù)據(jù)接收解調(diào)正常且無誤碼。

3.2.2 室外開路試驗

采用某機場的遠距導(dǎo)航臺的T型發(fā)射天線、中波導(dǎo)航機作為數(shù)字通信試驗的發(fā)射端，用新設(shè)計的信息處理單元替換臺站的頻率合成單元。在距離該臺站約20 km（直線距離）的地點，用6 m鞭T天線和信息處理單元進行接收。選擇試驗頻點為150 kHz、210 kHz、255 kHz、300 kHz、500 kHz，在每個頻點上按信息速率37.5 b/s、75 b/s、150 b/s、300 b/s、600 b/s分別進行通信試驗。試驗最高頻點選取500 kHz而不是導(dǎo)航機的最高頻率，是因為試驗場地有500 kHz以上的中波電臺信號。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果

從表1可以看出，在中波工作頻段，由于中波通信使用的發(fā)射和接收天線遠小于1/4波長，使得天線效率低，造成了發(fā)射端輻射電平小，接收端接收電平小，再加上中波頻段的天電干擾和工業(yè)干擾十分嚴重，環(huán)境噪聲電平高，使得接收端的信噪比低，造成在實際環(huán)境下數(shù)字通信效果差，在實際應(yīng)用中需加以關(guān)注。

4 結(jié) 語

本文提出的中波導(dǎo)航機數(shù)字通信方案基于軟件無線電體系架構(gòu)，無需對中波導(dǎo)航機進行改動，只要更換頻率合成單元使中波導(dǎo)航機具有數(shù)字通信功能，簡單易行，代價小。從上述驗證試驗的結(jié)果來看，本文提出的中波導(dǎo)航機數(shù)字通信方案是可行的。另外，由于中波頻率較低、可用帶寬較窄、傳輸速率較低，中波通信不適宜用于大容量的數(shù)據(jù)傳輸。利用新技術(shù)對老設(shè)備進行升級改造而提升產(chǎn)品功能、性能具有現(xiàn)實意義。需要指出的是，本方案只對中波導(dǎo)航機實現(xiàn)數(shù)字通信功能進行了原理性研究，并驗證了技術(shù)可行性，距離實際應(yīng)用還需對提高接收機靈敏度、抗干擾能力做進一步研究。