NAVDAT 發(fā)射機(jī)硬件設(shè)計

高萬明，梅建群，許璟華

（1.交通運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

隨著人類對海洋資源的大規(guī)模利用和開發(fā)，水上保障裝備的重要性日益突顯，尤其是直接影響水上航行安全的水上通信保障系統(tǒng)及裝備，其發(fā)展水平已成為衡量一個國家水上保障能力的重要標(biāo)志。自2000 年以來，無線移動通信已從3G 發(fā)放牌照發(fā)展到5G 商用落地。與此同時，全球海上遇險與安全系統(tǒng)（GMDSS，Global Maritime Distress and Safety System）自實施以來發(fā)展卻極為緩慢，嚴(yán)重落后于無線移動通信技術(shù)的發(fā)展[1]。當(dāng)前，以電臺為主的通信裝備與日益豐富的業(yè)務(wù)場景的矛盾逐步加?。荷弦淮鶱AVTEX系統(tǒng)[6]、PACTOR 系統(tǒng)、Telenor 系統(tǒng)和船舶自動識別系統(tǒng)（AIS，Automatic Identification System）等面臨著傳輸速率低、操作復(fù)雜、功能單一等問題，有極大的升級空間[2]。

國際電信聯(lián)盟（ITU，International Telecommunication Union）正在研究新一代水上數(shù)字廣播系統(tǒng)NAVDAT（Navigational Data）[3]。根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)發(fā)布的NAVDAT系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行NAVDAT 發(fā)射機(jī)設(shè)計，實現(xiàn)NAVDAT 發(fā)射機(jī)原理樣機(jī)，對NAVDAT 系統(tǒng)論證、算法研究及系統(tǒng)性能評估等方面具有極其重要的意義，對增強(qiáng)我國在標(biāo)準(zhǔn)制定中的話語權(quán)具有巨大促進(jìn)的作用。本文基于已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)[4-5]中涉及的NAVDAT 發(fā)射機(jī)技術(shù)要求，設(shè)計NAVDAT 中頻發(fā)射機(jī)，并對其進(jìn)行初步驗證，為后續(xù)相關(guān)研究及商用提供參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

NAVDAT 在包含中頻（MF，Medium Frequency）與高頻（HF，High Frequency）頻段的多條10kHz 信道上播發(fā)正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）調(diào)制的信息，各子載波支持帶寬為1～10kHz的4QAM（Quadrature Amplitude Modulation）、16QAM、64QAM 調(diào)制方案。國際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定500kHz MF 信道為優(yōu)先選擇信道，HF 信道除C1/C2 信道外均作為可選信道[4]。

圖1 為NAVDAT 廣播傳輸路徑圖，NAVDAT 數(shù)字廣播系統(tǒng)包含信息管理系統(tǒng)、岸基網(wǎng)絡(luò)、岸基發(fā)射機(jī)、MF/HF信道和船載發(fā)射機(jī)五大組成部分。信息管理系統(tǒng)完成如氣象、港口、海事預(yù)警等各種來源的消息的收集和管理，通過岸基網(wǎng)絡(luò)傳輸給岸基發(fā)射機(jī)，并控制岸基發(fā)射機(jī)的發(fā)射。岸基網(wǎng)絡(luò)連接信息管理系統(tǒng)與岸基發(fā)射機(jī)，保障信息的可靠傳輸。岸基發(fā)射機(jī)接收信息管理系統(tǒng)的消息，進(jìn)行編碼與調(diào)制，并在指定的信道完成發(fā)射。船載接收機(jī)是NAVDAT 中頻數(shù)字廣播系統(tǒng)的用戶終端，完成對NAVDAT 多個信道信號的接收和解調(diào)解碼處理，重構(gòu)消息并分發(fā)到相關(guān)的專用設(shè)備。

圖1 NAVDAT 廣播傳輸路徑框圖

本文結(jié)合當(dāng)前NAVDAT 系統(tǒng)論證需求及快速搭建原理樣機(jī)的需要，基于軟件無線電（SDR，Software Defined Receiver）架構(gòu)，采用直采發(fā)射機(jī)[6]架構(gòu)實現(xiàn)NAVDAT 發(fā)射機(jī)原理樣機(jī)設(shè)計。NAVDAT 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。NAVDAT 系統(tǒng)通過岸基網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射機(jī)進(jìn)行信息交互，ARM 處理器接收來自LAN 的消息及指令，進(jìn)行信息編碼，在基帶完成QAM 調(diào)制及OFDM 信號生成?？删幊踢壿嬯嚵校‵PGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）根據(jù)ARM相關(guān)指令，完成數(shù)字上變頻，并控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC，Digital-to-Analog Converter）生成射頻信號。通過帶通濾波器（BPF，Band Pass Filter）對DAC 生成的信號進(jìn)行濾波，得到最終發(fā)射頻帶，經(jīng)功放（PA，Power Amplifier）進(jìn)行功率放大后發(fā)射。為方便調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)置了必要的按鍵輸入（KEYS），USB（Universal Serial Bus）及LCD 顯示。ARM 系統(tǒng)接收GNSS 輸入的1PPS（Pulse Per Second Signal）同步脈沖實現(xiàn)與協(xié)調(diào)世界時（UTC，Coordinated Universal Time）的時間同步。整個發(fā)射機(jī)由時鐘系統(tǒng)（CLOCK）與電源系統(tǒng)（POWER）提供頻率源與電源。

圖2 NAVDAT 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)框架

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)射機(jī)硬件系統(tǒng)是發(fā)射機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是發(fā)射機(jī)性能的決定因素。從圖 2 架構(gòu)圖可知：NAVDAT 發(fā)射機(jī)主要包含遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接口、處理控制、數(shù)字基帶、射頻前端、天線、時鐘電源等關(guān)鍵系統(tǒng)。出于快速搭建原型的目的，選用Xilinx公司Zynq 系列ZC702 開發(fā)板，并設(shè)計用于NAVDAT 發(fā)射的射頻前端子板，射頻子板與ZC702 通過FMC（FPGA Mezzanine Card）接口連接。ZC702 板載主芯片Z-7020集成了雙核Cortex-A9 處理器，同時主芯片內(nèi)含有豐富的可編程邏輯資源。設(shè)計中使用邏輯資源實現(xiàn)數(shù)字基帶處理，控制DAC 采樣，數(shù)字基帶處理邏輯與處理器之間通過AXI 總線連接。為加速軟件開發(fā)，在處理器上移植了Ubuntu 系統(tǒng)，在Ubuntu 系統(tǒng)上開發(fā)相應(yīng)程序完成消息分發(fā)與控制、編碼、調(diào)制及發(fā)射控制等功能。通過HDMI（High Definition Multimedia Interface）連接LCD 顯示器，通過以太網(wǎng)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器。

■2.1 編碼調(diào)制器設(shè)計

編碼調(diào)制器是整個NAVDAT 發(fā)射機(jī)的數(shù)字處理核心模塊。為加速系統(tǒng)原理驗證，整個編碼調(diào)制器采用GNU Radio[7]實現(xiàn)，在Cortex-A9 處理器上移植Ubuntu 操作系統(tǒng)，GNU Radio 運行于該系統(tǒng)上，F(xiàn)PGA 僅負(fù)責(zé)處理射頻前端控制及上變頻。為提升系統(tǒng)性能，降低批量成本，編碼調(diào)制部分可以放到FPGA 或ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）實現(xiàn)。

基帶處理的核心是編碼調(diào)制器設(shè)計，NAVDAT 發(fā)射機(jī)基帶處理框架如圖 3 所示。調(diào)制器有三個輸入信息流，分別是：調(diào)制信息流（MIS，Modulation Information Stream）、發(fā)射機(jī)信息流（TIS，Transmitter Information Stream）、數(shù)據(jù)流（DS，Data Stream）[5]。調(diào)制信息流承載了頻譜占用、發(fā)射信息流和數(shù)據(jù)流調(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。發(fā)射機(jī)信息流提供了數(shù)據(jù)流糾錯碼、發(fā)射機(jī)標(biāo)識、日期及時間的信息，該信息流可選用4QAM 或16QAM 進(jìn)行調(diào)制。數(shù)據(jù)流用于發(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。

圖3 NAVDAT 發(fā)射機(jī)基帶處理框架

基帶處理流程如圖 3 所示，通過網(wǎng)絡(luò)獲取的DS、TIS、MIS 數(shù)據(jù)，經(jīng)信道預(yù)編碼，進(jìn)行頻域交織，經(jīng)過數(shù)字調(diào)制得到3 路串行調(diào)制符號，結(jié)合導(dǎo)頻生成器產(chǎn)生的導(dǎo)頻序列，共4 路串行符號序列。這4 路符號序列經(jīng)串并轉(zhuǎn)換，得到多點并行符號，通過IFFT 實現(xiàn)OFDM 調(diào)制，并串轉(zhuǎn)換后加CP（Cyclic Prefix），經(jīng)脈沖成型濾波器濾波，得到最終待發(fā)射的數(shù)字基帶信號。

■2.2 數(shù)字變頻系統(tǒng)設(shè)計

本文所設(shè)計的NAVDAT 發(fā)射機(jī)采用FPGA 實現(xiàn)數(shù)字上變頻（DUC，Digital Up Converter）功能，同時還使用FPGA 完成DAC 采樣控制及與Cortex-A9 的數(shù)據(jù)交互。數(shù)字變頻系統(tǒng)框架如圖4 所示。

圖4 數(shù)字上變頻器框架

數(shù)字上變頻器通過AXI 總線與Cortex-A9 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，脈沖成形后的復(fù)基帶信號經(jīng)過N 倍插值與正交NCO 輸出混頻，混頻后的信號合路后送給DAC 輸出。圖 4 中正交NCO 作為數(shù)字本振，產(chǎn)生500kHz 信號，從而在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)正交混頻。插值、混頻器、正交NCO 及合路器等均調(diào)用Xilinx提供的標(biāo)準(zhǔn)IP Core實現(xiàn)，從而加快開發(fā)進(jìn)度。

■2.3 射頻前端設(shè)計

DAC 選用采樣率100MHz，16bit 量化的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

在圖 2 所示的系統(tǒng)中，射頻前端包含三部分：DAC、BPF和PA。BPF 主要設(shè)計需求如表 1 所示。根據(jù)表 1 的需求，采用5 階Chebyshev 濾波器實現(xiàn)BPF 設(shè)計。

表1 BPF設(shè)計指標(biāo)需求

PA 包含預(yù)放、激勵器、RF 輸出網(wǎng)絡(luò)、駐波保護(hù)及防雷保護(hù)等功能模塊。射頻前端子卡只涉及預(yù)放，保障激勵器獲得足夠功率的輸入。后級高功率放大部分采用定制設(shè)備實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)調(diào)測

由于系統(tǒng)采用自研射頻前端板卡和ZC702 開發(fā)板搭建原型系統(tǒng)，驗證的重點在于基帶處理及射頻前端兩部分。基帶處理部分可以利用GNURadio 和Matlab 先進(jìn)行算法仿真測試，再移植相關(guān)軟件到發(fā)射機(jī)的硬件上；射頻前端主要對DAC、濾波及功放的電路進(jìn)行調(diào)試，對其關(guān)鍵性能進(jìn)行測試。當(dāng)前系統(tǒng)仍在調(diào)試中。

4 結(jié)束語

本文展示了一種NAVDAT 發(fā)射機(jī)硬件設(shè)計方案?；赟DR 架構(gòu)設(shè)計了NAVDAT MF 直采發(fā)射機(jī)原型：采用Zynq作為核心處理器實現(xiàn)基帶及編碼調(diào)制器，配合自研的射頻前端，實現(xiàn)了NAVDAT MF 發(fā)射機(jī)的硬件設(shè)計。本文給出了初步的硬件調(diào)測方向，后續(xù)將集中進(jìn)行射頻前端的調(diào)試和基帶處理算法的軟件開發(fā)，全面實現(xiàn)NAVDAT 發(fā)射機(jī)原理樣機(jī)。