NAVDAT 發射機硬件設計

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）技術有限公司，北京，100094）

0 引言

隨著人類對海洋資源的大規模利用和開發，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及裝備，其發展水平已成為衡量一個國家水上保障能力的重要標志。自2000 年以來，無線移動通信已從3G 發放牌照發展到5G 商用落地。與此同時，全球海上遇險與安全系統（GMDSS，Global Maritime Distress and Safety System）自實施以來發展卻極為緩慢，嚴重落后于無線移動通信技術的發展[1]。當前，以電臺為主的通信裝備與日益豐富的業務場景的矛盾逐步加?。荷弦淮鶱AVTEX系統[6]、PACTOR 系統、Telenor 系統和船舶自動識別系統（AIS，Automatic Identification System）等面臨著傳輸速率低、操作復雜、功能單一等問題，有極大的升級空間[2]。

國際電信聯盟（ITU，International Telecommunication Union）正在研究新一代水上數字廣播系統NAVDAT（Navigational Data）[3]。根據當前已經發布的NAVDAT系統技術標準進行NAVDAT 發射機設計，實現NAVDAT 發射機原理樣機，對NAVDAT 系統論證、算法研究及系統性能評估等方面具有極其重要的意義，對增強我國在標準制定中的話語權具有巨大促進的作用。本文基于已發布標準[4-5]中涉及的NAVDAT 發射機技術要求，設計NAVDAT 中頻發射機，并對其進行初步驗證，為后續相關研究及商用提供參考。

1 系統總體設計

NAVDAT 在包含中頻（MF，Medium Frequency）與高頻（HF，High Frequency）頻段的多條10kHz 信道上播發正交頻分復用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）調制的信息，各子載波支持帶寬為1～10kHz的4QAM（Quadrature Amplitude Modulation）、16QAM、64QAM 調制方案。國際電信聯盟標準規定500kHz MF 信道為優先選擇信道，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 數字廣播系統包含信息管理系統、岸基網絡、岸基發射機、MF/HF信道和船載發射機五大組成部分。信息管理系統完成如氣象、港口、海事預警等各種來源的消息的收集和管理，通過岸基網絡傳輸給岸基發射機，并控制岸基發射機的發射。岸基網絡連接信息管理系統與岸基發射機，保障信息的可靠傳輸。岸基發射機接收信息管理系統的消息，進行編碼與調制，并在指定的信道完成發射。船載接收機是NAVDAT 中頻數字廣播系統的用戶終端，完成對NAVDAT 多個信道信號的接收和解調解碼處理，重構消息并分發到相關的專用設備。

圖1 NAVDAT 廣播傳輸路徑框圖

本文結合當前NAVDAT 系統論證需求及快速搭建原理樣機的需要，基于軟件無線電（SDR，Software Defined Receiver）架構，采用直采發射機[6]架構實現NAVDAT 發射機原理樣機設計。NAVDAT 發射機系統框圖如圖 2 所示。NAVDAT 系統通過岸基網絡與發射機進行信息交互，ARM 處理器接收來自LAN 的消息及指令，進行信息編碼，在基帶完成QAM 調制及OFDM 信號生成。可編程邏輯陣列（FPGA，Field Programmable Gate Array）根據ARM相關指令，完成數字上變頻，并控制數模轉換器（DAC，Digital-to-Analog Converter）生成射頻信號。通過帶通濾波器（BPF，Band Pass Filter）對DAC 生成的信號進行濾波，得到最終發射頻帶，經功放（PA，Power Amplifier）進行功率放大后發射。為方便調試，系統設置了必要的按鍵輸入（KEYS），USB（Universal Serial Bus）及LCD 顯示。ARM 系統接收GNSS 輸入的1PPS（Pulse Per Second Signal）同步脈沖實現與協調世界時（UTC，Coordinated Universal Time）的時間同步。整個發射機由時鐘系統（CLOCK）與電源系統（POWER）提供頻率源與電源。

圖2 NAVDAT 發射機系統框架

2 硬件系統設計

發射機硬件系統是發射機的物質基礎，是發射機性能的決定因素。從圖 2 架構圖可知：NAVDAT 發射機主要包含遠程網絡接口、處理控制、數字基帶、射頻前端、天線、時鐘電源等關鍵系統。出于快速搭建原型的目的，選用Xilinx公司Zynq 系列ZC702 開發板，并設計用于NAVDAT 發射的射頻前端子板，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，同時主芯片內含有豐富的可編程邏輯資源。設計中使用邏輯資源實現數字基帶處理，控制DAC 采樣，數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，在處理器上移植了Ubuntu 系統，在Ubuntu 系統上開發相應程序完成消息分發與控制、編碼、調制及發射控制等功能。通過HDMI（High Definition Multimedia Interface）連接LCD 顯示器，通過以太網連接遠程服務器。

■2.1 編碼調制器設計

編碼調制器是整個NAVDAT 發射機的數字處理核心模塊。為加速系統原理驗證，整個編碼調制器采用GNU Radio[7]實現，在Cortex-A9 處理器上移植Ubuntu 操作系統，GNU Radio 運行于該系統上，FPGA 僅負責處理射頻前端控制及上變頻。為提升系統性能，降低批量成本，編碼調制部分可以放到FPGA 或ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）實現。

基帶處理的核心是編碼調制器設計，NAVDAT 發射機基帶處理框架如圖 3 所示。調制器有三個輸入信息流，分別是：調制信息流（MIS，Modulation Information Stream）、發射機信息流（TIS，Transmitter Information Stream）、數據流（DS，Data Stream）[5]。調制信息流承載了頻譜占用、發射信息流和數據流調制方式（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。發射機信息流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。數據流用于發送消息文件，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。

圖3 NAVDAT 發射機基帶處理框架

基帶處理流程如圖 3 所示，通過網絡獲取的DS、TIS、MIS 數據，經信道預編碼，進行頻域交織，經過數字調制得到3 路串行調制符號，結合導頻生成器產生的導頻序列，共4 路串行符號序列。這4 路符號序列經串并轉換，得到多點并行符號，通過IFFT 實現OFDM 調制，并串轉換后加CP（Cyclic Prefix），經脈沖成型濾波器濾波，得到最終待發射的數字基帶信號。

■2.2 數字變頻系統設計

本文所設計的NAVDAT 發射機采用FPGA 實現數字上變頻（DUC，Digital Up Converter）功能，同時還使用FPGA 完成DAC 采樣控制及與Cortex-A9 的數據交互。數字變頻系統框架如圖4 所示。

圖4 數字上變頻器框架

數字上變頻器通過AXI 總線與Cortex-A9 進行數據交互，脈沖成形后的復基帶信號經過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 作為數字本振，產生500kHz 信號，從而在數字域實現正交混頻。插值、混頻器、正交NCO 及合路器等均調用Xilinx提供的標準IP Core實現，從而加快開發進度。

■2.3 射頻前端設計

DAC 選用采樣率100MHz，16bit 量化的高精度數模轉換器。

在圖 2 所示的系統中，射頻前端包含三部分：DAC、BPF和PA。BPF 主要設計需求如表 1 所示。根據表 1 的需求，采用5 階Chebyshev 濾波器實現BPF 設計。

表1 BPF設計指標需求

PA 包含預放、激勵器、RF 輸出網絡、駐波保護及防雷保護等功能模塊。射頻前端子卡只涉及預放，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備實現。

3 系統調測

由于系統采用自研射頻前端板卡和ZC702 開發板搭建原型系統，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 先進行算法仿真測試，再移植相關軟件到發射機的硬件上；射頻前端主要對DAC、濾波及功放的電路進行調試，對其關鍵性能進行測試。當前系統仍在調試中。

4 結束語

本文展示了一種NAVDAT 發射機硬件設計方案?；赟DR 架構設計了NAVDAT MF 直采發射機原型：采用Zynq作為核心處理器實現基帶及編碼調制器，配合自研的射頻前端，實現了NAVDAT MF 發射機的硬件設計。本文給出了初步的硬件調測方向，后續將集中進行射頻前端的調試和基帶處理算法的軟件開發，全面實現NAVDAT 發射機原理樣機。