NAVDAT廣播授時(shí)定位接收機(jī)設(shè)計(jì)

梅建群，高萬明，許璟華

（1.交通運(yùn)輸部東海航海保障中心，上海，200086；2.中科睿格（北京）技術(shù)有限公司，北京，100094）

0 引言

自航?；顒?dòng)伊始，導(dǎo)航就是海上安全航行的重要保障。最古老的導(dǎo)航手段是天文導(dǎo)航，隨著航海技術(shù)的發(fā)展，天文導(dǎo)航逐漸成為航?；顒?dòng)中必備的導(dǎo)航手段。無線電產(chǎn)生后，無線電導(dǎo)航和通信技術(shù)快速發(fā)展。二戰(zhàn)初期，美國(guó)國(guó)防部成功研制了Loran-A海用中遠(yuǎn)程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)于20世紀(jì)70年代完成部署，但因其定位精度、可靠性、可用性差，不能滿足美軍作戰(zhàn)要求，因而美國(guó)在二戰(zhàn)末期開始研制Loran-C，該系統(tǒng)于1957年研制成功[2]。1974年，美國(guó)將Loran-C系統(tǒng)開放給民用，多個(gè)國(guó)家和地區(qū)開始了Loran-C系統(tǒng)建設(shè)。當(dāng)前Loran已演進(jìn)到能提供PNT（Positioning, Navigation and Timing）功能的e-Loran系統(tǒng)。

衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，為天基導(dǎo)航提供了可能。上世紀(jì)70年代初，美國(guó)開始研制基于衛(wèi)星平臺(tái)的導(dǎo)航系統(tǒng)GPS（Global Positioning System），該系統(tǒng)于1994年全面組網(wǎng)并提供全球定位服務(wù)[3]。當(dāng)前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中已包含美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS（Global Navigation Satellite System）、歐洲Galileo和中國(guó)北斗等四大系統(tǒng)[4]。盡管如此，陸基無線電導(dǎo)航因與衛(wèi)星導(dǎo)航的頻段、功率覆蓋等差異，仍為海上導(dǎo)航的重要手段。

海上無線通信系統(tǒng)能提供中遠(yuǎn)程通信距離覆蓋，當(dāng)前全球典型的海上無線系統(tǒng)包括中頻（MF，Middle Frequency）NAVTEX系統(tǒng)[6]、高頻（HF，High Frequency）PACTOR系統(tǒng)、甚高頻（VHF，Very High Frequency）Telenor系統(tǒng)和船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS，Automatic Identification System）[5]。盡管上述系統(tǒng)能滿足一定場(chǎng)景的海上通信需求，但其存在的通信速率低、延遲大、無法傳輸實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、無法獲取用戶即時(shí)信息等問題，限制了上述系統(tǒng)在當(dāng)前日益豐富的業(yè)務(wù)場(chǎng)景的應(yīng)用。為此，無線電搜救分委會(huì)提出了水上數(shù)字廣播系統(tǒng)NAVDAT（Navigational Data）[6]。

無線電導(dǎo)航與通信系統(tǒng)具有很大的相似性，如能將其合并，將大大降低系統(tǒng)建設(shè)成本、維護(hù)成本和使用成本?；趯AVDAT數(shù)字廣播系統(tǒng)擴(kuò)展成NAVDAT廣播授時(shí)定位一體化系統(tǒng)的需要，本文提出NAVDAT廣播授時(shí)定位接收機(jī)設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

NAVDAT在包含MF與HF頻段的多條信道上播發(fā)OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）信號(hào)，各子載波可以支持1～10kHz調(diào)制帶寬，4QAM（Quadrature Amplitude Modulation）、16QAM、64QAM等多種調(diào)制方式。NAVDAT信道信息如表 1所示[8-9]。

表1 NAVDAT HF頻段信道分配

NAVDAT廣播授時(shí)定位接收機(jī)完成對(duì)NAVDAT廣播授時(shí)定位信號(hào)的接收、解調(diào)和解碼，輸出廣播授時(shí)定位相關(guān)信息。NAVDAT廣播授時(shí)定位接收機(jī)框圖如圖 1所示，整個(gè)接收機(jī)由天線、射頻前端、解調(diào)器、處理器和顯控器組成。接收天線是覆蓋300kHz～30MHz的天線。射頻前端完成對(duì)射頻信號(hào)的預(yù)選、濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理。解調(diào)器包含廣播解調(diào)器和授時(shí)定位解調(diào)器，廣播解調(diào)器針對(duì)NAVDAT廣播信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，授時(shí)定位解調(diào)器針對(duì)NAVDAT授時(shí)定位信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。處理器包含廣播處理器和授時(shí)定位處理器，廣播處理器處理NAVDAT廣播相關(guān)信息的處理，對(duì)解調(diào)后信號(hào)進(jìn)行解碼并實(shí)現(xiàn)消息分發(fā)，授時(shí)定位處理器對(duì)授時(shí)定位解調(diào)器輸出的授時(shí)定位信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)授時(shí)定位功能，輸出授時(shí)定位結(jié)果。顯控器是一個(gè)綜合顯示控制器，完成對(duì)NAVDAT廣播授時(shí)定位信息的顯示及接收機(jī)的用戶控制接口。

圖1 NAVDAT廣播授時(shí)定位接收機(jī)框圖

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)框架

圖2為NAVDAT廣播授時(shí)定位接收機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)框圖，時(shí)鐘系統(tǒng)為整個(gè)接收機(jī)射頻前端、解調(diào)器、處理器等提供時(shí)鐘參考，電源系統(tǒng)為接收機(jī)提供電源。整個(gè)業(yè)務(wù)相關(guān)的處理運(yùn)行于單核或雙核CPU上，CPU接收按鍵KEYS輸入信息，根據(jù)輸入的相關(guān)設(shè)置進(jìn)行處理，并將結(jié)果顯示到LCD上。CPU根據(jù)對(duì)射頻輸入功率的測(cè)量結(jié)果，對(duì)增益進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制功能，同時(shí)對(duì)預(yù)選器進(jìn)行相應(yīng)的控制，完成波段選擇與切換。射頻前端輸出信號(hào)分別輸入到OFDM解調(diào)器和授時(shí)定位解調(diào)器，OFDM解調(diào)器在CPU控制下輸出數(shù)據(jù)流（DS，Data Stream）、發(fā)射信息流（TIS，Transmitter Information Stream）和調(diào)制信息流（MIS，Modulation Information Stream）。數(shù)據(jù)流DS用于發(fā)送消息文件，這些消息文件通過文件復(fù)用程序格式化，該流可使用4QAM、16QAM或64QAM進(jìn)行調(diào)制。發(fā)射機(jī)信息流TIS提供了數(shù)據(jù)流糾錯(cuò)碼、發(fā)射機(jī)標(biāo)識(shí)、日期及時(shí)間的信息，該信息流可選用4QAM或16QAM進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制信息流MIS承載了頻譜占用、發(fā)射信息流TIS和數(shù)據(jù)流DS調(diào)制方式（4QAM、16QAM或64QAM）的信息，該信息流使用4QAM調(diào)制子載波，保證接收機(jī)可靠的解調(diào)該信息。授時(shí)定位解調(diào)器存在多個(gè)跟蹤通道，分別對(duì)各發(fā)射臺(tái)授時(shí)定位信號(hào)進(jìn)行跟蹤，并輸出從臺(tái)相對(duì)于主臺(tái)的接收信號(hào)時(shí)間差?T1、?T2和?T3等，CPU對(duì)授時(shí)定位解調(diào)過程進(jìn)行控制，并對(duì)相關(guān)時(shí)間差進(jìn)行處理，計(jì)算授時(shí)定位結(jié)果，根據(jù)授時(shí)定位結(jié)果調(diào)整本地時(shí)鐘系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)本地時(shí)鐘與UTC時(shí)間的同步。

圖2 NAVDAT廣播授時(shí)定位接收機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)框圖

■2.2 系統(tǒng)硬件方案

針對(duì)NAVDAT廣播授時(shí)定位接收機(jī)發(fā)展的不同階段，本文提出兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式。首先針對(duì)當(dāng)前NAVDAT協(xié)議制定和系統(tǒng)驗(yàn)證階段，提出接收機(jī)原型驗(yàn)證方案。其次針對(duì)未來NAVDAT批量應(yīng)用，提出批量實(shí)現(xiàn)方案。

圖3為NAVDAT接收機(jī)原理樣機(jī)方案，該方案采用射頻直采結(jié)構(gòu)[10]，其最大的特點(diǎn)是滿足系統(tǒng)級(jí)、算法快速迭代驗(yàn)證的需求。射頻前端由帶通濾波器（BPF，Band Pass Filter）、自動(dòng)增益控制器（AGC，Auto Gain Control）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，Analog to Digital Converter）組成，基帶處理全部由ARM完成，ARM上可以移植linux操作系統(tǒng)，整個(gè)基帶算法開發(fā)用C/C++甚至Python來完成。ARM連接按鍵（KEYS）、USB、以太網(wǎng)（LAN）、LCD等，完成與用戶的交互及信息傳輸。

圖3 NAVDAT接收機(jī)原理樣機(jī)方案

圖4為NAVDAT小批量方案，該方案兼顧性價(jià)比與靈活性，針對(duì)不同信道，均能提供優(yōu)異的性能。該方案采用超外差結(jié)構(gòu)[11]，一級(jí)變頻，不固定中頻上實(shí)現(xiàn)信道濾波，中頻窄帶濾波器為整機(jī)提供優(yōu)異的抗干擾性能，滿足船載復(fù)雜電磁環(huán)境需要。如需實(shí)現(xiàn)不同頻段信道的同時(shí)接收處理，需要多個(gè)射頻前端，不同前端本振（LO，Local Oscillator）根據(jù)需要調(diào)整，使中頻固定且盡量少，以簡(jiǎn)化前端設(shè)計(jì)及成本。

圖4 NAVDAT接收機(jī)小批量方案

圖 5為NAVDAT接收機(jī)量產(chǎn)方案，該方案沿用小批量超外差接收機(jī)架構(gòu)，采用專用芯片（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）進(jìn)一步提升接收機(jī)性能，降低批量成本。本方案將MF/HF預(yù)選濾波器獨(dú)立置于ASIC外，ASIC內(nèi)部集成多個(gè)信道的下變頻處理單元，共用ADC，并設(shè)計(jì)專用解調(diào)電路（Dem，Demodulator）以降低處理器ARM負(fù)擔(dān)，降低整機(jī)功耗。

圖5 NAVDAT接收機(jī)量產(chǎn)方案

3 結(jié)束語

本文針對(duì)將NAVDAT數(shù)字廣播系統(tǒng)擴(kuò)展成NAVDAT廣播授時(shí)定位系統(tǒng)的需要，提出了適用于NAVDAT廣播授時(shí)定位系統(tǒng)的接收機(jī)設(shè)計(jì)方案。首先，從總體設(shè)計(jì)上對(duì)NAVDAT廣播授時(shí)定位接收機(jī)應(yīng)具備的功能及模塊進(jìn)行分解。然后從詳細(xì)設(shè)計(jì)上分析各模塊信息流及數(shù)據(jù)處理。最后，提出針對(duì)NAVDAT廣播授時(shí)定位接收機(jī)不同發(fā)展階段的三種硬件設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了描述。下一階段，將進(jìn)行原理樣機(jī)的開發(fā)，驗(yàn)證相關(guān)算法及方案的可行性。