小型化嵌入式北斗模塊設計與實現

陳寶林

（中華通信系統有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 050200）

0 引言

北斗衛星導航定位系統[1]的投入運行，對于滿足我國國民經濟、國防建設需要，具有重大的經濟和社會意義，尤其對我國的國防事業有著廣泛深遠的戰略意義[2]。小型化嵌入式北斗模塊是針對我國北斗衛星導航定位系統的建立[3]以及我軍裝備發展要求而研制的小型化、適應復雜使用環境的通信、定位嵌入式模塊，該模塊具備北斗RDSS的定位、通信功能，設計目標定位于手持、車載等通信定位終端的研發和生產，基于該模塊設計生產的各型通信定位終端可裝備于各兵種單兵、地面偵察裝備、指揮系統、保障系統及各種戰斗單元等，可實現定位通信終端主機的一體式設計，在顯示終端或上位機的支持下，完成北斗RDSS的定位、通信功能，為其提供穩定可靠的通信定位服務[4]。

1 總體設計

1.1 產品組成

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

圖1 產品組成框圖

其中，信號與數據處理單元是基于目前我單位自主研發的北斗二號RDSS芯片進行設計，信號與數據處理均在北斗二號RDSS芯片上實現，與以往基于FPGA和DSP的設計相比，功耗大大降低，僅為原功耗的三分之一，同時印制板的體積也大大減少，為整個產品的小型化設計奠定基礎。此外，單個芯片替代了原先幾個芯片，印制板可靠性也大大提高，從而提高產品的可靠性。

該模塊內部采用分腔與隔板等形式，實現了收發互不干擾。收發接口采用MCX-K型射頻接口，通信和電源接口的連接器型號為DF9-25S-1V（日本廣瀨），該接口實現了VCC 12V供電、通信串口等，北斗數據輸出符合《北斗一號用戶機數據接口技術要求4.0》、《北斗二號用戶設備數據接口要求2.1 RDSS部分》。

1.2 工作原理

北斗模塊可實現北斗RDSS的定位、通信等功能[5]。定位、通信信息可以通過RS232串口傳給外接的計算機設備，同時計算機設備也可以通過RS232串口來訪問北斗模塊。

由“北斗”衛星播發的S波段出站信號首先到達接收機的接收天線，它將所收集到的微弱信號經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進行下變頻，最終輸出中頻信號，送到信號與數據處理模塊進行處理[7]。信號處理模塊包含十個相互獨立的接收通道，可同時接收十個波束的I支路和Q支路的數據。

A/D轉換單元將接收信道送來的中頻信號進行采樣量化，輸出出站信號的數字采樣值，供后續通道處理使用。信息處理模塊對解調后的數據進行定位或通信處理，并將處理結果輸出；完成內部數據以及通信結果的存儲，存儲器具備掉電保護數據的能力；負責對外部接口狀態進行實時檢測，當接收到命令時，對接收到的命令進行解釋，執行相應的操作，并將執行結果返回。另外，數據處理部分還負責對信道的狀態進行實時監視，根據需要隨時調整。如果需要向外發射信號，如發出定位申請或進行通信時，信息處理部分根據需要生成相應的電文送給信號處理部分，信號處部分對該電文進行擴頻并以基帶信號的形式送給射頻模塊，射頻模塊把基帶信息調制到發射載波，并把發射信號送給功率放大器，經過功率放大后，通過發射天線發射給衛星。

2 關鍵技術的實現

小型化嵌入式北斗模塊主要解決了通過緊湊的結構布局，內部分腔，加隔條、蓋板加凸槽等形式，實現了北斗模塊的小型化；軟件在定位通信處理流程過程中，采用異常處理機制[8]，實現了RDSS的定位通信功能，本文以通信功能介紹異常處理機制。

2.1 小型化結構設計、屏蔽性能好

該模塊的外形尺寸69 mm*45 mm，由于結構緊湊，在設計時必須充分考慮發射信道、接收信道、變頻器、信號處理單元、數據處理單元及電源單元之間的影響等因素。比如，在結構設計時，盒體內部發射信道與接收信道之間通過分腔；變頻器分上變頻與下變頻，上下變頻器之間以及信號處理與電源之間均通過加隔條等形式；射頻蓋板與盒體接觸部分，蓋板采用1 mm凸起，增強蓋板與盒體的屏蔽效果，防止發射與接收信號之間串擾。

2.2 通信功能異常處理機制

當收到串口通信申請指令（TXSQ）后，先檢測是否符合信號發射的執行條件，包括本機工作模式、信號接收狀態、發射頻度。若符合發射條件，則反饋發射成功回執（FKXX）并根據通信申請指令的參數和通信內容向RDSS中心控制系統發送通信申請。當工作模式處于無線電靜默模式，或者信號接收狀態不滿足接收衛星數≥1以及發射頻度超出保密模塊限制時，反饋發射頻度未到回執（FKXX，包括距下次可發射剩余時間）并不予執行通信申請指令。

當通過無線信號接收到其他北斗設備發送的通信內容時，應通過通信信息指令（TXXX）上報。RDSS通信功能處理流程如圖2所示。

圖2 報文通信處理流程示意圖

異常處理機制：采用幀頭和比對校驗和的方法來校驗數據流的有效性。對于收到的每個數據流時，其第一個字節為幀頭，最后一個字節為該數據流生成的檢驗和。校驗和為數據流內除第一個字節幀頭和最后一個字節校驗和外，之間所有字節的和（只取最低字節）。可以按照同樣的方法計算校驗和，并與收到的校驗和比對，即可實現數據有效性的校驗。如果計算出的校驗和與收到的校驗和一致，則數據有效；否則校驗失敗，則舍棄此幀控制數據。

3 測試結果驗證

模塊因尺寸較小，調試測試人員認真閱讀調試說明，調試細節要求較多需要專人負責調試，調試人員要求有射頻調試基礎和整機的調試經驗，調試人員應根據調試說明的測試框圖和注意事項，按操作步驟進行，否則測試結果可能會不能滿足技術指標的要求。

測試結果證明，設計的小型化嵌入式北斗模塊能夠實現設計所需的自檢、定位和通信功能，其性能指標發射功率大于10 W，接收靈敏度指標優于-127.6 dBm，接收待機功耗小于1.6 W，經過4批次600多套的測試，驗證其設計及實現是正確的。

4 結束語

小型化嵌入式北斗模塊設計的指導方針是在滿足性能指標要求的前提下，突出設計的實用性、先進性、可靠性、標準化和經濟性。小型化嵌入式北斗模塊應用范圍廣，適用環境復雜，除了應用當前的成熟技術外，還要考慮利用高新技術，最大限度地適應今后技術及應用發展變化的需要。