基于海上安全信息數字廣播系統的中波寬帶/短波窄帶接收模塊設計

劉 洋，李 剛，周澤如，黃良申

（海華電子企業（中國）公司，廣東 廣州 510656）

0 引 言

海上安全信息數字廣播系統（以下簡稱“NAVDAT”）最早的研究主要集中在NAVDAT MF中波系統（500 kHz）上，采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）傳輸技術播發消息、文本、文件或圖像，實現航行相關安全信息的快速推送，實現岸-船間有效的數據通信。根據ITU-R M.2058-0建議書中的相關內容，NAVDAT系統擴展應用于HF短波頻道建立岸到船的通信技術方案，信道帶寬為10 kHz，使用糾錯編碼當碼率為0.75時，有用的數據速率可達15 kB/s[1]。相較于NAVDAT MF系統，其傳輸頻道增加6個，船臺可以自適應選擇最優頻道接收，覆蓋范圍由原來的A1、A2海區擴展至A3、A4海區。NAVDAT HF系統頻段的擴容可有效提高海事部門為船舶提供信息服務的保障能力。根據當前已經發布的海上安全信息數字廣播NAVDAT系統技術要求，開展相關中波寬帶/短波窄帶接收模塊的設計，對NAVDAT系統應用論證、算法優化、系統評估及測試具有重要的意義。

1 NAVDAT總體系統框架

NAVDAT系統包含MF中波與HF短波頻段的7個信道。MF頻段包括C0（500 kHz），在10 kHz帶寬的頻道上播發。HF頻段包括C1（4 226 kHz）、C2（6 337.5 kHz）、C3（8 443 kHz）、C4（12 663.5 kHz）、C5（16 909.5 kHz）以及C6（22 450.5 kHz），同樣是在6個10 kHz帶寬的信道上播發。當前國際電信聯盟標準規定500 kHz中頻信道C0、短波信道C1、C2為優先選擇信道，其余作為可選信道。NAVDAT支持4QAM（正交幅度調制）、16QAM、64QAM，調制帶寬為1～10 kHz。圖1為NAVDAT系統廣播傳輸構架圖，主要包含5個部分。其中，岸基信息管理系統用于收集和控制各種來源的消息，根據文件的優先級和重復需求創建發射任務；岸基網絡連接岸基信息管理系統與臺站發射機，確保從信源到發射機的消息文件可靠傳輸；臺站發射機將消息文件轉換為OFDM信號，通過單邊帶發射機對外廣播；MF/HF信道是射頻信號的無線傳輸通道；接收終端（船臺）接收并解調天線接收的OFDM信號，根據應用分類將消息文件提供給用戶設備[1]。

圖1 NAVDAT系統廣播傳輸構架圖

2 基于NAVDAT系統的中波寬帶/短波窄帶接收模塊的硬件設計

考慮到便于算法快速迭代驗證，基于NAVDAT系統的中波寬帶/短波窄帶接收模塊（以下簡稱“接收模塊”）采用射頻直采架構設計，通過網口直接連接計算機終端遙控使用（無面板操作），具體框圖如圖2所示。接收模塊由射頻前端和基帶處理兩部分組成，其中射頻前端包括保護衰減控制模塊、預選濾波器、兩級級聯放大器及抗混疊濾波器等單元，基帶處理包括AD采集模塊（16位ADC，采樣時鐘為76.8 MHz）、FPGA處理模塊（完成AGC控制、數字下變頻、數字濾波、信號分析和參數測量處理后發送給DSP）以及DSP解調解碼模塊（實現信號解調、數據解碼，經過網口上傳到計算機終端進行數據顯示、并與用戶完成交互及信息傳輸）等。

2.1 射頻前端設計

作為接收模塊的核心，射頻前端電路由保護衰減控制模塊、預選濾波器組、兩級級聯放大器模塊、抗混疊濾波模塊、AGC控制電路以及電源電路組成。設計之初，需綜合考慮整機小型化、靈敏度以及動態范圍等指標要求。

2.1.1 技術指標

接收模塊的主要設計指標為工作頻段300 kHz～30 MHz、靈敏度不大于-110 dBm、無雜散動態范圍（Spurious Free Dynamic Range，SFDR）大于等于90 dB以及工作信道帶寬10 kHz。設計中主要考慮了噪聲系數、增益、動態范圍、阻塞電平以及大信號保護等參數，可以保證接收模塊的性能指標。射頻前端接入保護電路和預選濾波器組，以抑制帶外信號強信號干擾，提高接收模塊的可靠性。

2.1.2 噪聲系數分析

接收模塊對微弱信號的接收能力直接反映在接收機靈敏度這一指標當中，接收靈敏度與接收模塊的噪聲系數和處理信噪比等因素相關。其中，噪聲系數直接影響接收模塊的靈敏度[2,3]。對于一個由n階器件級聯而成的系統而言，其總的噪聲系數為：

式中，Fn為第n級的噪聲系數；Gn-1為第n-1級的增益。噪聲系數還可以表示為dB形式，即：

由式（1）可知，接收模塊的總噪聲系數由內部各級器件的噪聲系數和增益共同決定，但起決定性作用的是前兩級。因此，射頻前端的設計目標是總增益60 dB，總的噪聲系數為10 dB，靈敏度在10 kHz帶寬內為-110 dBm。由圖2可知，前端各級增益和噪聲系數分配為預選濾波器組-1 dB、第一級放大電路增益10 dB，噪聲系數為5 dB，第二級放大電路增益為58 dB，噪聲系數為11 dB，抗混疊濾波器-3 dB。根據各級電路的增益計算可知，前端電路總的理論增益為G=（-1+10+58-3）dB=64 dB。前端電路總的理論噪聲系數為：

圖2 接收模塊的硬件框架

通過理論計算可知，整個前端電路的噪聲系數為7.63 dB，滿足設計要求。根據接收靈敏度和噪聲系數的計算關系：

式中，-174為接收模塊的熱噪聲（單位：dBm/Hz）；NF為接收模塊整體的噪聲系數；BW為系統的帶寬；SNR為后端數字信號處理需要的信噪比。

取接收模塊的帶寬為10 kHz，則可計算出該接收模塊前端的理論靈敏度為SIN(dBm)=-174+7.63+10 log10(10 000)+12=-114.37，即在理論上10 kHz帶寬可接收到的最小信號為-114.37 dBm，滿足設計指標的要求。

2.1.3 保護衰減控制及濾波電路設計

保護電路由TVS二極管、氣體放電管以及衰減控制電路等部分構成，其衰減量最大可達30 dB，由繼電器進行切換控制。保護電路的主要作用是防止輸入信號過大，而導致第一級放大電路飽和失真。預選濾波器組采用9階橢圓低通濾波器結構設計，其在保障具有陡峭過渡帶的同時，以較小的階數實現濾除帶外雜散。

2.1.4 信道增益的確認及動態范圍實現

SFDR指載波頻率（最大信號成分）的RMS幅度與次最大噪聲成分或諧波失真成分的RMS值之比。從輸入三階互調截距點可以推算出無雜散動態范圍[4,5]，即：

由式（5）可知，SFDR正比于輸入信號截點IIP3，反比于噪聲系數NF和信號帶寬B。本設計在射頻前端加入數字步進衰減器實現AGC功能，選用Hittite公司的步進衰減器HMC470LP3，IIP3>50 dBm，可控范圍31 dB/1 dB步進，可保證ADC工作在不飽和狀態。

2.2 數字基帶設計

2.2.1 FPGA單元設計

FPGA主要實現ADC采樣控制、DDC數字下變頻以及與DSP數據通信等功能，圖3為FPGA設計的功能框圖。通過采集中波、短波信號7個子信道的復基帶信號分別與NCO產生的本振信號混頻，混頻器輸出經過多級抽取濾波器、數據打包后，通過HPI接口發送給DSP單元[6,7]。

圖3 FPGA設計的功能框圖

2.2.2 DSP解調解碼設計

DSP解調解碼算法采用C語言開發，并利用CCS集成開發工具實現。解調解碼流程如圖4所示。匹配濾波器模塊通過提高采樣時刻具有最大信噪比，實現降低接收系統誤碼率功能；同步模塊負責實現同步定時、頻偏糾正功能；OFDM解調模塊實現串并轉換、去CP（循環前綴）、FFT（快速傅里葉變換、并串轉換、信道估計均衡以及跟蹤等功能；QAM解調模塊負責完成4QAM、16QAM、64QAM信號解調；數據重構模塊通過LDPC譯碼后，根據消息類型進行分發。應用控制軟件分驅動層和應用層，驅動層負責與FPGA接口控制、配置NCO頻率AGC參數，并接收中斷觸發獲取FPGA采樣數據；應用層負責解調解碼及消息分發，將數據報文通過網口發送至計算機終端，同時監測射頻前端輸入信號的功率，自動調節AGC增益，保持ADC輸入信號在最佳范圍內[8-10]。

圖4 DSP解調解碼器流程

3 主要指標測試結果

3.1 實驗室性能測試

通過對接收模塊射頻前端電路各部分的分析和仿真驗證，其在理論上滿足設計指標。通過頻譜儀測量整個射頻前端的增益，測出增益后再測量射頻前端在帶寬BW內的噪聲，計算出射頻前端在不同頻點的噪聲系數，測量結果如表1所示。由表1可知，通過實際電路測試得到的噪聲系數最小為8.4 dB，最大為9.4 dB，均小于設計目標10 dB，達到了接收模塊的設計指標要求。

表1 射頻前端噪聲系數測量結果

3.2 實際信號測試

實際接收上海海事局崇明發射臺播發的報文，進行測試的系統框圖如圖5所示。

圖5 實地測試框圖

接收模塊接2.6 m短波天線，錄取的基帶信號如圖6所示。滿足NAVDAT系統所規劃的信噪比要求，符合預期，初步證明了基于NAVDAT系統的中波寬帶/短波窄帶接收模塊設計的正確性。

圖6 實際接收上海海岸電臺播發NAVDAT報文數據

4 結 論

本文展示了基于海上安全信息數字廣播系統NAVDAT的中波寬帶/短波窄帶接收模塊設計，設計方案基于射頻直采架構，靈活性強，拓展性好。經理論計算和初步試驗驗證，所設計的接收模塊能夠滿足NAVDAT系統在中波寬帶/短波窄帶頻段的接收需求，符合設計要求，具有一定的實用價值。