NAVDAT廣播授時定位接收機設計

梅建群，高萬明，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）技術有限公司，北京，100094）

0 引言

自航海活動伊始，導航就是海上安全航行的重要保障。最古老的導航手段是天文導航，隨著航海技術的發展，天文導航逐漸成為航海活動中必備的導航手段。無線電產生后，無線電導航和通信技術快速發展。二戰初期，美國國防部成功研制了Loran-A海用中遠程無線電導航系統[1]，該系統于20世紀70年代完成部署，但因其定位精度、可靠性、可用性差，不能滿足美軍作戰要求，因而美國在二戰末期開始研制Loran-C，該系統于1957年研制成功[2]。1974年，美國將Loran-C系統開放給民用，多個國家和地區開始了Loran-C系統建設。當前Loran已演進到能提供PNT（Positioning, Navigation and Timing）功能的e-Loran系統。

衛星技術的發展，為天基導航提供了可能。上世紀70年代初，美國開始研制基于衛星平臺的導航系統GPS（Global Positioning System），該系統于1994年全面組網并提供全球定位服務[3]。當前，全球衛星導航系統中已包含美國的GPS、俄羅斯的GLONASS（Global Navigation Satellite System）、歐洲Galileo和中國北斗等四大系統[4]。盡管如此，陸基無線電導航因與衛星導航的頻段、功率覆蓋等差異，仍為海上導航的重要手段。

海上無線通信系統能提供中遠程通信距離覆蓋，當前全球典型的海上無線系統包括中頻（MF，Middle Frequency）NAVTEX系統[6]、高頻（HF，High Frequency）PACTOR系統、甚高頻（VHF，Very High Frequency）Telenor系統和船舶自動識別系統（AIS，Automatic Identification System）[5]。盡管上述系統能滿足一定場景的海上通信需求，但其存在的通信速率低、延遲大、無法傳輸實時業務、無法獲取用戶即時信息等問題，限制了上述系統在當前日益豐富的業務場景的應用。為此，無線電搜救分委會提出了水上數字廣播系統NAVDAT（Navigational Data）[6]。

無線電導航與通信系統具有很大的相似性，如能將其合并，將大大降低系統建設成本、維護成本和使用成本。基于將NAVDAT數字廣播系統擴展成NAVDAT廣播授時定位一體化系統的需要，本文提出NAVDAT廣播授時定位接收機設計方案，為后續研究奠定基礎。

1 系統總體設計

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

表1 NAVDAT HF頻段信道分配

NAVDAT廣播授時定位接收機完成對NAVDAT廣播授時定位信號的接收、解調和解碼，輸出廣播授時定位相關信息。NAVDAT廣播授時定位接收機框圖如圖 1所示，整個接收機由天線、射頻前端、解調器、處理器和顯控器組成。接收天線是覆蓋300kHz～30MHz的天線。射頻前端完成對射頻信號的預選、濾波、放大、模數轉換等處理。解調器包含廣播解調器和授時定位解調器，廣播解調器針對NAVDAT廣播信號進行解調，授時定位解調器針對NAVDAT授時定位信號進行解調。處理器包含廣播處理器和授時定位處理器，廣播處理器處理NAVDAT廣播相關信息的處理，對解調后信號進行解碼并實現消息分發，授時定位處理器對授時定位解調器輸出的授時定位信息進行處理，實現授時定位功能，輸出授時定位結果。顯控器是一個綜合顯示控制器，完成對NAVDAT廣播授時定位信息的顯示及接收機的用戶控制接口。

圖1 NAVDAT廣播授時定位接收機框圖

2 系統詳細設計

■2.1 系統詳細設計框架

圖2為NAVDAT廣播授時定位接收機詳細設計框圖，時鐘系統為整個接收機射頻前端、解調器、處理器等提供時鐘參考，電源系統為接收機提供電源。整個業務相關的處理運行于單核或雙核CPU上，CPU接收按鍵KEYS輸入信息，根據輸入的相關設置進行處理，并將結果顯示到LCD上。CPU根據對射頻輸入功率的測量結果，對增益進行控制，實現自動增益控制功能，同時對預選器進行相應的控制，完成波段選擇與切換。射頻前端輸出信號分別輸入到OFDM解調器和授時定位解調器，OFDM解調器在CPU控制下輸出數據流（DS，Data Stream）、發射信息流（TIS，Transmitter Information Stream）和調制信息流（MIS，Modulation Information Stream）。數據流DS用于發送消息文件，這些消息文件通過文件復用程序格式化，該流可使用4QAM、16QAM或64QAM進行調制。發射機信息流TIS提供了數據流糾錯碼、發射機標識、日期及時間的信息，該信息流可選用4QAM或16QAM進行調制。調制信息流MIS承載了頻譜占用、發射信息流TIS和數據流DS調制方式（4QAM、16QAM或64QAM）的信息，該信息流使用4QAM調制子載波，保證接收機可靠的解調該信息。授時定位解調器存在多個跟蹤通道，分別對各發射臺授時定位信號進行跟蹤，并輸出從臺相對于主臺的接收信號時間差?T1、?T2和?T3等，CPU對授時定位解調過程進行控制，并對相關時間差進行處理，計算授時定位結果，根據授時定位結果調整本地時鐘系統，從而實現本地時鐘與UTC時間的同步。

圖2 NAVDAT廣播授時定位接收機詳細設計框圖

■2.2 系統硬件方案

針對NAVDAT廣播授時定位接收機發展的不同階段，本文提出兩種不同的實現方式。首先針對當前NAVDAT協議制定和系統驗證階段，提出接收機原型驗證方案。其次針對未來NAVDAT批量應用，提出批量實現方案。

圖3為NAVDAT接收機原理樣機方案，該方案采用射頻直采結構[10]，其最大的特點是滿足系統級、算法快速迭代驗證的需求。射頻前端由帶通濾波器（BPF，Band Pass Filter）、自動增益控制器（AGC，Auto Gain Control）和模數轉換器（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，整個基帶算法開發用C/C++甚至Python來完成。ARM連接按鍵（KEYS）、USB、以太網（LAN）、LCD等，完成與用戶的交互及信息傳輸。

圖3 NAVDAT接收機原理樣機方案

圖4為NAVDAT小批量方案，該方案兼顧性價比與靈活性，針對不同信道，均能提供優異的性能。該方案采用超外差結構[11]，一級變頻，不固定中頻上實現信道濾波，中頻窄帶濾波器為整機提供優異的抗干擾性能，滿足船載復雜電磁環境需要。如需實現不同頻段信道的同時接收處理，需要多個射頻前端，不同前端本振（LO，Local Oscillator）根據需要調整，使中頻固定且盡量少，以簡化前端設計及成本。

圖4 NAVDAT接收機小批量方案

圖 5為NAVDAT接收機量產方案，該方案沿用小批量超外差接收機架構，采用專用芯片（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）進一步提升接收機性能，降低批量成本。本方案將MF/HF預選濾波器獨立置于ASIC外，ASIC內部集成多個信道的下變頻處理單元，共用ADC，并設計專用解調電路（Dem，Demodulator）以降低處理器ARM負擔，降低整機功耗。

圖5 NAVDAT接收機量產方案

3 結束語

本文針對將NAVDAT數字廣播系統擴展成NAVDAT廣播授時定位系統的需要，提出了適用于NAVDAT廣播授時定位系統的接收機設計方案。首先，從總體設計上對NAVDAT廣播授時定位接收機應具備的功能及模塊進行分解。然后從詳細設計上分析各模塊信息流及數據處理。最后，提出針對NAVDAT廣播授時定位接收機不同發展階段的三種硬件設計方案，并對其特點進行了描述。下一階段，將進行原理樣機的開發，驗證相關算法及方案的可行性。