NAVDAT接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)

高萬(wàn)明，高迎，梅建群，許璟華

（1.交通運(yùn)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(duì)海洋資源的利用與開發(fā)，水上通信技術(shù)與裝備的重要性日益突顯，傳統(tǒng)以電臺(tái)為主的通信裝備與日趨豐富的業(yè)務(wù)場(chǎng)景的矛盾逐步加深。自1999年全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（Global Maritime Distress and Safety System,GMDSS）[1]實(shí)施以來，海上遇險(xiǎn)搜救的通信技術(shù)與設(shè)備更新極其緩慢，嚴(yán)重落后于民用數(shù)字通信技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，這給水上數(shù)字通信技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)提供了極大的發(fā)展空間。當(dāng)前，以NAVTEX（Navigational Telex）[2]為代表的上一代航行警告系統(tǒng)雖然占有一定市場(chǎng)，但因其傳輸速率低、操作復(fù)雜、功能單一亟需升級(jí)。為此無線電搜救分委會(huì)提出了水上數(shù)字廣播系統(tǒng)NAVDAT（Navigational Data）[3]。

NAVDAT是新一代海上數(shù)字廣播系統(tǒng)，正處于標(biāo)準(zhǔn)制定與研討階段。根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)發(fā)布的海上數(shù)字廣播NAVDA）系統(tǒng)技術(shù)[4]要求進(jìn)行NAVDAT接收機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)NAVDAT系統(tǒng)論證、算法研發(fā)與驗(yàn)證、系統(tǒng)評(píng)估及測(cè)試具有極其重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

NAVDAT包含MF（Medium Frequency）與HF（High Frequency）頻段的多條信道。在MF頻段，NAVDAT在以500kHz為中心的10kHz帶寬上播發(fā)的OFDM調(diào)制的信號(hào)。在HF頻段，表1給出了NAVDAT信道相關(guān)信息，同樣是在多個(gè)10kHz帶寬的信道上播發(fā)OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）調(diào)制的信號(hào)。當(dāng)前國(guó)際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定500kHz中頻信道為優(yōu)先選擇信道，HF信道除C1/C2信道外作為可選信道。

表1 NAVDAT HF頻段信道分配[5]

NAVDAT支持4QAM（Quadrature Amplitude Modulation）、16QAM、64QAM，支持的數(shù)字調(diào)制帶寬為1kHz～10kHz。

圖1為NAVDAT廣播傳輸路徑圖，圖中NAVDAT廣播傳輸包含以下5個(gè)部分。

圖1 NAVDAT廣播傳輸路徑

(1)信息管理系統(tǒng)：收集和控制各種來源的消息，通過岸基網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)岸基發(fā)射機(jī)的控制。

(2)岸基網(wǎng)絡(luò)：連接信息管理系統(tǒng)與岸基發(fā)射機(jī)，確保信源與發(fā)射機(jī)間可靠的信息傳輸。

(3)岸基發(fā)射機(jī)：從信息管理系統(tǒng)接收信息，完成信息編碼及OFDM調(diào)制，并調(diào)頻到指定信道發(fā)射。

(4)MF/HF信道：射頻信號(hào)的無線傳輸通道。

(5)船載接收機(jī)：接收并解調(diào)MF/HF信道的信號(hào)，重構(gòu)消息文件并分發(fā)給相關(guān)的專用設(shè)備使用。

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 SDR（Software Defined Receiver）架構(gòu)，采用直采接收機(jī)[6]實(shí)現(xiàn)NAVDAT接收機(jī)原理樣機(jī)設(shè)計(jì)。NAVDAT接收機(jī)系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)使用中波天線完成對(duì)目標(biāo)NAVDAT頻段電磁波的接收，采用帶通濾波器（BPF，Band Pass Filter）對(duì)MF頻段的射頻接收信號(hào)進(jìn)行濾波，濾波后信號(hào)通過自動(dòng)增益控制器（AGC，Auto Gain Control）進(jìn)行增益控制，將電平縮放到 ADC（Analog-to-Digital Converter）適合處理的范圍內(nèi)，ADC在FPGA（Field Programmable Gate Array）控制下完成對(duì)整形后射頻信號(hào)的采樣，在FPGA內(nèi)進(jìn)行DDC（Digital Down Conversion）處理，處理后的信號(hào)在ARM內(nèi)實(shí)現(xiàn)解調(diào)與解碼，解碼后的信息通過USB、LAN、LCD與外部交互。ARM還對(duì)接收信號(hào)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制AGC將輸入信號(hào)處理到合理范圍內(nèi)。同時(shí)，ARM也接收處理外部按鍵輸入（KEYS），據(jù)此進(jìn)行相關(guān)的響應(yīng)。整個(gè)接收機(jī)由時(shí)鐘系統(tǒng)（CLOCK）與電源系統(tǒng)（POWER）提供頻率源與電源。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接收機(jī)硬件系統(tǒng)是接收機(jī)的基礎(chǔ)，是接收機(jī)性能的決定因素。從圖 2架構(gòu)中可知：NAVDAT接收機(jī)主要包含射頻前端、數(shù)字基帶、解調(diào)解碼、顯示控制、時(shí)鐘、電源等關(guān)鍵系統(tǒng)。出于快速原型搭建的目的，選用Zynq系列ZC702開發(fā)板，并設(shè)計(jì)用于NAVDAT接收的射頻前端子板，射頻子板與ZC702通過FMC連接。ZC702板載主芯片Z-7020集成了雙核Cortex-A9處理器，同時(shí)主芯片內(nèi)含有豐富的可編程邏輯資源。設(shè)計(jì)中使用邏輯資源實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶處理，控制ADC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linux系統(tǒng)，在linux系統(tǒng)上開發(fā)相應(yīng)程序完成解調(diào)、解碼、消息分發(fā)與顯示控制。通過HDMI接口連接顯示器，通過以太網(wǎng)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器。

2.1 射頻前端設(shè)計(jì)

在圖2所示的系統(tǒng)中，射頻前端包含三部分：BPF、AGC、ADC。BPF主要設(shè)計(jì)需求如表2所示。根據(jù)表2的需求，采用5階Chebyshev濾波器實(shí)現(xiàn)BPF設(shè)計(jì)。

圖2 傳統(tǒng)的編程環(huán)境

表2 BPF設(shè)計(jì)指標(biāo)需求

圖2 NAVDAT接收機(jī)系統(tǒng)框架

接收機(jī)設(shè)計(jì)中通過增益網(wǎng)絡(luò)及AGC組合，提供從-15dB～40dB的可編程增益控制能力。

ADC選用采樣率100MHz，16bit量化的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

2.2 數(shù)字基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字基帶系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)DDC功能，F(xiàn)PGA邏輯資源還完成ADC采樣控制及與Cortex-A9的數(shù)據(jù)交互。圖 3為NAVDAT數(shù)字基帶處理所采用的DDC相關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖中ADC輸出的采樣數(shù)據(jù)被分為兩路，分別與AXI控制的NCO（Numerically Controlled Oscillator）產(chǎn)生的cos、sin信號(hào)混頻，混頻器輸出經(jīng)低通濾波器濾波，再進(jìn)行M倍下采樣，下采樣的結(jié)果通過AXI接口輸入到Cortex-A9處理器。處理器通過AXI接口控制NCO，從而可以通過程序控制NCO輸出的基準(zhǔn)頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)混頻到基帶或非零中頻的控制。混頻器、NCO及低通濾波器均調(diào)用Xilinx提供的標(biāo)準(zhǔn)IP Core實(shí)現(xiàn)，從而加速開發(fā)進(jìn)度。

圖3 數(shù)字基帶DDC架構(gòu)

本設(shè)計(jì)中，NCO輸出本振頻率LO（Local Oscillator）為500kHz，NAVDAT的MF頻段接收信號(hào)直接被變頻到基帶，低通濾波器采用5kHz截止頻率的FIR濾波器，在FPGA中采用CIC進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。下采樣后的目標(biāo)采樣率為15kHz，據(jù)此可以計(jì)算下變頻因子M。

2.3 解調(diào)解碼設(shè)計(jì)

解調(diào)解碼器在Cortex-A9處理器上運(yùn)行，由于有l(wèi)inux操作系統(tǒng)，只需設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用程序即可。解調(diào)解碼算法采用C++開發(fā)，GCC編譯。軟件分驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層。驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)與數(shù)字基帶處理器接口控制，驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用AXI底層接口，配置AGC及NCO輸出頻率，接收中斷觸發(fā)獲取基帶處理后的采樣數(shù)據(jù)。應(yīng)用層完成解調(diào)解碼及消息分發(fā)，將顯示數(shù)據(jù)送往相應(yīng)接口，同時(shí)監(jiān)測(cè)射頻前端輸入信號(hào)功率，調(diào)節(jié)AGC增益，維持ADC輸入信號(hào)到最佳幅度。

解調(diào)解碼器流程如圖4所示，NAVDAT采用OFDM調(diào)制，接收信號(hào)經(jīng)過時(shí)頻同步、串并轉(zhuǎn)換、去 CP（Cyclic Prefix）后進(jìn)行 FFT（Fast Fourier Transform），對(duì)FFT后的信號(hào)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后進(jìn)行信道估計(jì)、均衡及跟蹤，然后解QAM譯碼，譯碼后根據(jù)消息類型進(jìn)行相關(guān)的消息分發(fā)。通過相關(guān)接口顯示或傳輸?shù)狡渌K端。

圖4 解調(diào)解碼器結(jié)構(gòu)

3 硬件測(cè)試

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(yàn)證的重點(diǎn)在于射頻前端，當(dāng)前測(cè)試集中于射頻前端的驗(yàn)證。利用已建成的上海海岸臺(tái)崇明發(fā)射臺(tái)，在鹽城進(jìn)行接收機(jī)測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 NAVDAT接收機(jī)系統(tǒng)測(cè)試框圖

測(cè)試中待測(cè)試接收機(jī)接環(huán)型中波天線，ADC輸入信號(hào)接BB60C頻譜儀。得到中頻頻譜如圖6所示。從圖 6可知，接收信號(hào)是中心頻率約500kHz，占用頻帶帶寬約10kHz。符合預(yù)期，初步證明了射頻前端設(shè)計(jì)的正確性。

圖6 NAVDAT接收機(jī)射頻前端輸出接收信號(hào)頻譜

4 結(jié)束語(yǔ)

本文展示了一種NAVDAT接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)方案，方案基于SDR架構(gòu)設(shè)計(jì)了NAVDAT MF直采接收機(jī)原型：采用Zynq作為核心處理器實(shí)現(xiàn)基帶及解調(diào)解碼器，配合自研的射頻前端，實(shí)現(xiàn)了NAVDAT MF接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)。初步的試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的原型機(jī)能夠滿足NAVDAT MF頻段信號(hào)的接收需求，為后續(xù)NAVDAT原型系統(tǒng)的搭建及驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)將繼續(xù)開發(fā)相關(guān)軟件，全面實(shí)現(xiàn)NAVDAT原理樣機(jī)。