NAVDAT 发射机硬件设计

高万明，梅建群，许璟华

（1.交通运输部东海航海保障中心，上海，200086；2.中科睿格（北京）技术有限公司，北京，100094）

0 引言

随着人类对海洋资源的大规模利用和开发，水上保障装备的重要性日益突显，尤其是直接影响水上航行安全的水上通信保障系统及装备，其发展水平已成为衡量一个国家水上保障能力的重要标志。自2000 年以来，无线移动通信已从3G 发放牌照发展到5G 商用落地。与此同时，全球海上遇险与安全系统（GMDSS，Global Maritime Distress and Safety System）自实施以来发展却极为缓慢，严重落后于无线移动通信技术的发展[1]。当前，以电台为主的通信装备与日益丰富的业务场景的矛盾逐步加剧：上一代NAVTEX系统[6]、PACTOR 系统、Telenor 系统和船舶自动识别系统（AIS，Automatic Identification System）等面临着传输速率低、操作复杂、功能单一等问题，有极大的升级空间[2]。

国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）正在研究新一代水上数字广播系统NAVDAT（Navigational Data）[3]。根据当前已经发布的NAVDAT系统技术标准进行NAVDAT 发射机设计，实现NAVDAT 发射机原理样机，对NAVDAT 系统论证、算法研究及系统性能评估等方面具有极其重要的意义，对增强我国在标准制定中的话语权具有巨大促进的作用。本文基于已发布标准[4-5]中涉及的NAVDAT 发射机技术要求，设计NAVDAT 中频发射机，并对其进行初步验证，为后续相关研究及商用提供参考。

1 系统总体设计

NAVDAT 在包含中频（MF，Medium Frequency）与高频（HF，High Frequency）频段的多条10kHz 信道上播发正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）调制的信息，各子载波支持带宽为1～10kHz的4QAM（Quadrature Amplitude Modulation）、16QAM、64QAM 调制方案。国际电信联盟标准规定500kHz MF 信道为优先选择信道，HF 信道除C1/C2 信道外均作为可选信道[4]。

图1 为NAVDAT 广播传输路径图，NAVDAT 数字广播系统包含信息管理系统、岸基网络、岸基发射机、MF/HF信道和船载发射机五大组成部分。信息管理系统完成如气象、港口、海事预警等各种来源的消息的收集和管理，通过岸基网络传输给岸基发射机，并控制岸基发射机的发射。岸基网络连接信息管理系统与岸基发射机，保障信息的可靠传输。岸基发射机接收信息管理系统的消息，进行编码与调制，并在指定的信道完成发射。船载接收机是NAVDAT 中频数字广播系统的用户终端，完成对NAVDAT 多个信道信号的接收和解调解码处理，重构消息并分发到相关的专用设备。

图1 NAVDAT 广播传输路径框图

本文结合当前NAVDAT 系统论证需求及快速搭建原理样机的需要，基于软件无线电（SDR，Software Defined Receiver）架构，采用直采发射机[6]架构实现NAVDAT 发射机原理样机设计。NAVDAT 发射机系统框图如图 2 所示。NAVDAT 系统通过岸基网络与发射机进行信息交互，ARM 处理器接收来自LAN 的消息及指令，进行信息编码，在基带完成QAM 调制及OFDM 信号生成。可编程逻辑阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）根据ARM相关指令，完成数字上变频，并控制数模转换器（DAC，Digital-to-Analog Converter）生成射频信号。通过带通滤波器（BPF，Band Pass Filter）对DAC 生成的信号进行滤波，得到最终发射频带，经功放（PA，Power Amplifier）进行功率放大后发射。为方便调试，系统设置了必要的按键输入（KEYS），USB（Universal Serial Bus）及LCD 显示。ARM 系统接收GNSS 输入的1PPS（Pulse Per Second Signal）同步脉冲实现与协调世界时（UTC，Coordinated Universal Time）的时间同步。整个发射机由时钟系统（CLOCK）与电源系统（POWER）提供频率源与电源。

图2 NAVDAT 发射机系统框架

2 硬件系统设计

发射机硬件系统是发射机的物质基础，是发射机性能的决定因素。从图 2 架构图可知：NAVDAT 发射机主要包含远程网络接口、处理控制、数字基带、射频前端、天线、时钟电源等关键系统。出于快速搭建原型的目的，选用Xilinx公司Zynq 系列ZC702 开发板，并设计用于NAVDAT 发射的射频前端子板，射频子板与ZC702 通过FMC（FPGA Mezzanine Card）接口连接。ZC702 板载主芯片Z-7020集成了双核Cortex-A9 处理器，同时主芯片内含有丰富的可编程逻辑资源。设计中使用逻辑资源实现数字基带处理，控制DAC 采样，数字基带处理逻辑与处理器之间通过AXI 总线连接。为加速软件开发，在处理器上移植了Ubuntu 系统，在Ubuntu 系统上开发相应程序完成消息分发与控制、编码、调制及发射控制等功能。通过HDMI（High Definition Multimedia Interface）连接LCD 显示器，通过以太网连接远程服务器。

■2.1 编码调制器设计

编码调制器是整个NAVDAT 发射机的数字处理核心模块。为加速系统原理验证，整个编码调制器采用GNU Radio[7]实现，在Cortex-A9 处理器上移植Ubuntu 操作系统，GNU Radio 运行于该系统上，FPGA 仅负责处理射频前端控制及上变频。为提升系统性能，降低批量成本，编码调制部分可以放到FPGA 或ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）实现。

基带处理的核心是编码调制器设计，NAVDAT 发射机基带处理框架如图 3 所示。调制器有三个输入信息流，分别是：调制信息流（MIS，Modulation Information Stream）、发射机信息流（TIS，Transmitter Information Stream）、数据流（DS，Data Stream）[5]。调制信息流承载了频谱占用、发射信息流和数据流调制方式（4QAM、16QAM 或64QAM）的信息，该信息流使用4QAM 调制子载波，保证接收机可靠的解调该信息。发射机信息流提供了数据流纠错码、发射机标识、日期及时间的信息，该信息流可选用4QAM 或16QAM 进行调制。数据流用于发送消息文件，这些消息文件通过文件复用程序格式化，该流可使用4QAM、16QAM 或64QAM 进行调制。

图3 NAVDAT 发射机基带处理框架

基带处理流程如图 3 所示，通过网络获取的DS、TIS、MIS 数据，经信道预编码，进行频域交织，经过数字调制得到3 路串行调制符号，结合导频生成器产生的导频序列，共4 路串行符号序列。这4 路符号序列经串并转换，得到多点并行符号，通过IFFT 实现OFDM 调制，并串转换后加CP（Cyclic Prefix），经脉冲成型滤波器滤波，得到最终待发射的数字基带信号。

■2.2 数字变频系统设计

本文所设计的NAVDAT 发射机采用FPGA 实现数字上变频（DUC，Digital Up Converter）功能，同时还使用FPGA 完成DAC 采样控制及与Cortex-A9 的数据交互。数字变频系统框架如图4 所示。

图4 数字上变频器框架

数字上变频器通过AXI 总线与Cortex-A9 进行数据交互，脉冲成形后的复基带信号经过N 倍插值与正交NCO 输出混频，混频后的信号合路后送给DAC 输出。图 4 中正交NCO 作为数字本振，产生500kHz 信号，从而在数字域实现正交混频。插值、混频器、正交NCO 及合路器等均调用Xilinx提供的标准IP Core实现，从而加快开发进度。

■2.3 射频前端设计

DAC 选用采样率100MHz，16bit 量化的高精度数模转换器。

在图 2 所示的系统中，射频前端包含三部分：DAC、BPF和PA。BPF 主要设计需求如表 1 所示。根据表 1 的需求，采用5 阶Chebyshev 滤波器实现BPF 设计。

表1 BPF设计指标需求

PA 包含预放、激励器、RF 输出网络、驻波保护及防雷保护等功能模块。射频前端子卡只涉及预放，保障激励器获得足够功率的输入。后级高功率放大部分采用定制设备实现。

3 系统调测

由于系统采用自研射频前端板卡和ZC702 开发板搭建原型系统，验证的重点在于基带处理及射频前端两部分。基带处理部分可以利用GNURadio 和Matlab 先进行算法仿真测试，再移植相关软件到发射机的硬件上；射频前端主要对DAC、滤波及功放的电路进行调试，对其关键性能进行测试。当前系统仍在调试中。

4 结束语

本文展示了一种NAVDAT 发射机硬件设计方案。基于SDR 架构设计了NAVDAT MF 直采发射机原型：采用Zynq作为核心处理器实现基带及编码调制器，配合自研的射频前端，实现了NAVDAT MF 发射机的硬件设计。本文给出了初步的硬件调测方向，后续将集中进行射频前端的调试和基带处理算法的软件开发，全面实现NAVDAT 发射机原理样机。