小型化嵌入式北斗模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳寶林

（中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050200）

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[1]的投入運(yùn)行，對(duì)于滿(mǎn)足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)需要，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義，尤其對(duì)我國(guó)的國(guó)防事業(yè)有著廣泛深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[2]。小型化嵌入式北斗模塊是針對(duì)我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建立[3]以及我軍裝備發(fā)展要求而研制的小型化、適應(yīng)復(fù)雜使用環(huán)境的通信、定位嵌入式模塊，該模塊具備北斗RDSS的定位、通信功能，設(shè)計(jì)目標(biāo)定位于手持、車(chē)載等通信定位終端的研發(fā)和生產(chǎn)，基于該模塊設(shè)計(jì)生產(chǎn)的各型通信定位終端可裝備于各兵種單兵、地面?zhèn)刹煅b備、指揮系統(tǒng)、保障系統(tǒng)及各種戰(zhàn)斗單元等，可實(shí)現(xiàn)定位通信終端主機(jī)的一體式設(shè)計(jì)，在顯示終端或上位機(jī)的支持下，完成北斗RDSS的定位、通信功能，為其提供穩(wěn)定可靠的通信定位服務(wù)[4]。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品組成

小型化嵌入式北斗模塊由接收信道（包括低噪放）、發(fā)射信道（包括功放、濾波器）、信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元、智能IC卡及電源單元等組成，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品組成框圖

其中，信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元是基于目前我單位自主研發(fā)的北斗二號(hào)RDSS芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，信號(hào)與數(shù)據(jù)處理均在北斗二號(hào)RDSS芯片上實(shí)現(xiàn)，與以往基于FPGA和DSP的設(shè)計(jì)相比，功耗大大降低，僅為原功耗的三分之一，同時(shí)印制板的體積也大大減少，為整個(gè)產(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。此外，單個(gè)芯片替代了原先幾個(gè)芯片，印制板可靠性也大大提高，從而提高產(chǎn)品的可靠性。

該模塊內(nèi)部采用分腔與隔板等形式，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)互不干擾。收發(fā)接口采用MCX-K型射頻接口，通信和電源接口的連接器型號(hào)為DF9-25S-1V（日本廣瀨），該接口實(shí)現(xiàn)了VCC 12V供電、通信串口等，北斗數(shù)據(jù)輸出符合《北斗一號(hào)用戶(hù)機(jī)數(shù)據(jù)接口技術(shù)要求4.0》、《北斗二號(hào)用戶(hù)設(shè)備數(shù)據(jù)接口要求2.1 RDSS部分》。

1.2 工作原理

北斗模塊可實(shí)現(xiàn)北斗RDSS的定位、通信等功能[5]。定位、通信信息可以通過(guò)RS232串口傳給外接的計(jì)算機(jī)設(shè)備，同時(shí)計(jì)算機(jī)設(shè)備也可以通過(guò)RS232串口來(lái)訪問(wèn)北斗模塊。

由“北斗”衛(wèi)星播發(fā)的S波段出站信號(hào)首先到達(dá)接收機(jī)的接收天線(xiàn)，它將所收集到的微弱信號(hào)經(jīng)濾波器濾波后送給低噪聲放大器放大[6]，再將低噪放輸出的信號(hào)進(jìn)行下變頻，最終輸出中頻信號(hào)，送到信號(hào)與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理[7]。信號(hào)處理模塊包含十個(gè)相互獨(dú)立的接收通道，可同時(shí)接收十個(gè)波束的I支路和Q支路的數(shù)據(jù)。

A/D轉(zhuǎn)換單元將接收信道送來(lái)的中頻信號(hào)進(jìn)行采樣量化，輸出出站信號(hào)的數(shù)字采樣值，供后續(xù)通道處理使用。信息處理模塊對(duì)解調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位或通信處理，并將處理結(jié)果輸出；完成內(nèi)部數(shù)據(jù)以及通信結(jié)果的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)器具備掉電保護(hù)數(shù)據(jù)的能力；負(fù)責(zé)對(duì)外部接口狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)接收到命令時(shí)，對(duì)接收到的命令進(jìn)行解釋?zhuān)瑘?zhí)行相應(yīng)的操作，并將執(zhí)行結(jié)果返回。另外，數(shù)據(jù)處理部分還負(fù)責(zé)對(duì)信道的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整。如果需要向外發(fā)射信號(hào)，如發(fā)出定位申請(qǐng)或進(jìn)行通信時(shí)，信息處理部分根據(jù)需要生成相應(yīng)的電文送給信號(hào)處理部分，信號(hào)處部分對(duì)該電文進(jìn)行擴(kuò)頻并以基帶信號(hào)的形式送給射頻模塊，射頻模塊把基帶信息調(diào)制到發(fā)射載波，并把發(fā)射信號(hào)送給功率放大器，經(jīng)過(guò)功率放大后，通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射給衛(wèi)星。

2 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

小型化嵌入式北斗模塊主要解決了通過(guò)緊湊的結(jié)構(gòu)布局，內(nèi)部分腔，加隔條、蓋板加凸槽等形式，實(shí)現(xiàn)了北斗模塊的小型化；軟件在定位通信處理流程過(guò)程中，采用異常處理機(jī)制[8]，實(shí)現(xiàn)了RDSS的定位通信功能，本文以通信功能介紹異常處理機(jī)制。

2.1 小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、屏蔽性能好

該模塊的外形尺寸69 mm*45 mm，由于結(jié)構(gòu)緊湊，在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮發(fā)射信道、接收信道、變頻器、信號(hào)處理單元、數(shù)據(jù)處理單元及電源單元之間的影響等因素。比如，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盒體內(nèi)部發(fā)射信道與接收信道之間通過(guò)分腔；變頻器分上變頻與下變頻，上下變頻器之間以及信號(hào)處理與電源之間均通過(guò)加隔條等形式；射頻蓋板與盒體接觸部分，蓋板采用1 mm凸起，增強(qiáng)蓋板與盒體的屏蔽效果，防止發(fā)射與接收信號(hào)之間串?dāng)_。

2.2 通信功能異常處理機(jī)制

當(dāng)收到串口通信申請(qǐng)指令（TXSQ）后，先檢測(cè)是否符合信號(hào)發(fā)射的執(zhí)行條件，包括本機(jī)工作模式、信號(hào)接收狀態(tài)、發(fā)射頻度。若符合發(fā)射條件，則反饋發(fā)射成功回執(zhí)（FKXX）并根據(jù)通信申請(qǐng)指令的參數(shù)和通信內(nèi)容向RDSS中心控制系統(tǒng)發(fā)送通信申請(qǐng)。當(dāng)工作模式處于無(wú)線(xiàn)電靜默模式，或者信號(hào)接收狀態(tài)不滿(mǎn)足接收衛(wèi)星數(shù)≥1以及發(fā)射頻度超出保密模塊限制時(shí)，反饋發(fā)射頻度未到回執(zhí)（FKXX，包括距下次可發(fā)射剩余時(shí)間）并不予執(zhí)行通信申請(qǐng)指令。

當(dāng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)接收到其他北斗設(shè)備發(fā)送的通信內(nèi)容時(shí)，應(yīng)通過(guò)通信信息指令（TXXX）上報(bào)。RDSS通信功能處理流程如圖2所示。

圖2 報(bào)文通信處理流程示意圖

異常處理機(jī)制：采用幀頭和比對(duì)校驗(yàn)和的方法來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)流的有效性。對(duì)于收到的每個(gè)數(shù)據(jù)流時(shí)，其第一個(gè)字節(jié)為幀頭，最后一個(gè)字節(jié)為該數(shù)據(jù)流生成的檢驗(yàn)和。校驗(yàn)和為數(shù)據(jù)流內(nèi)除第一個(gè)字節(jié)幀頭和最后一個(gè)字節(jié)校驗(yàn)和外，之間所有字節(jié)的和（只取最低字節(jié)）?？梢园凑胀瑯拥姆椒ㄓ?jì)算校驗(yàn)和，并與收到的校驗(yàn)和比對(duì)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效性的校驗(yàn)。如果計(jì)算出的校驗(yàn)和與收到的校驗(yàn)和一致，則數(shù)據(jù)有效；否則校驗(yàn)失敗，則舍棄此幀控制數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證

模塊因尺寸較小，調(diào)試測(cè)試人員認(rèn)真閱讀調(diào)試說(shuō)明，調(diào)試細(xì)節(jié)要求較多需要專(zhuān)人負(fù)責(zé)調(diào)試，調(diào)試人員要求有射頻調(diào)試基礎(chǔ)和整機(jī)的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，調(diào)試人員應(yīng)根據(jù)調(diào)試說(shuō)明的測(cè)試框圖和注意事項(xiàng)，按操作步驟進(jìn)行，否則測(cè)試結(jié)果可能會(huì)不能滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)的要求。

測(cè)試結(jié)果證明，設(shè)計(jì)的小型化嵌入式北斗模塊能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)所需的自檢、定位和通信功能，其性能指標(biāo)發(fā)射功率大于10 W，接收靈敏度指標(biāo)優(yōu)于-127.6 dBm，接收待機(jī)功耗小于1.6 W，經(jīng)過(guò)4批次600多套的測(cè)試，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)是正確的。

4 結(jié)束語(yǔ)

小型化嵌入式北斗模塊設(shè)計(jì)的指導(dǎo)方針是在滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求的前提下，突出設(shè)計(jì)的實(shí)用性、先進(jìn)性、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化和經(jīng)濟(jì)性。小型化嵌入式北斗模塊應(yīng)用范圍廣，適用環(huán)境復(fù)雜，除了應(yīng)用當(dāng)前的成熟技術(shù)外，還要考慮利用高新技術(shù)，最大限度地適應(yīng)今后技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展變化的需要。