小型化嵌入式北斗模块设计与实现

陈宝林

（中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050200）

0 引言

北斗卫星导航定位系统[1]的投入运行，对于满足我国国民经济、国防建设需要，具有重大的经济和社会意义，尤其对我国的国防事业有着广泛深远的战略意义[2]。小型化嵌入式北斗模块是针对我国北斗卫星导航定位系统的建立[3]以及我军装备发展要求而研制的小型化、适应复杂使用环境的通信、定位嵌入式模块，该模块具备北斗RDSS的定位、通信功能，设计目标定位于手持、车载等通信定位终端的研发和生产，基于该模块设计生产的各型通信定位终端可装备于各兵种单兵、地面侦察装备、指挥系统、保障系统及各种战斗单元等，可实现定位通信终端主机的一体式设计，在显示终端或上位机的支持下，完成北斗RDSS的定位、通信功能，为其提供稳定可靠的通信定位服务[4]。

1 总体设计

1.1 产品组成

小型化嵌入式北斗模块由接收信道（包括低噪放）、发射信道（包括功放、滤波器）、信号与数据处理单元、智能IC卡及电源单元等组成，如图1所示。

图1 产品组成框图

其中，信号与数据处理单元是基于目前我单位自主研发的北斗二号RDSS芯片进行设计，信号与数据处理均在北斗二号RDSS芯片上实现，与以往基于FPGA和DSP的设计相比，功耗大大降低，仅为原功耗的三分之一，同时印制板的体积也大大减少，为整个产品的小型化设计奠定基础。此外，单个芯片替代了原先几个芯片，印制板可靠性也大大提高，从而提高产品的可靠性。

该模块内部采用分腔与隔板等形式，实现了收发互不干扰。收发接口采用MCX-K型射频接口，通信和电源接口的连接器型号为DF9-25S-1V（日本广濑），该接口实现了VCC 12V供电、通信串口等，北斗数据输出符合《北斗一号用户机数据接口技术要求4.0》、《北斗二号用户设备数据接口要求2.1 RDSS部分》。

1.2 工作原理

北斗模块可实现北斗RDSS的定位、通信等功能[5]。定位、通信信息可以通过RS232串口传给外接的计算机设备，同时计算机设备也可以通过RS232串口来访问北斗模块。

由“北斗”卫星播发的S波段出站信号首先到达接收机的接收天线，它将所收集到的微弱信号经滤波器滤波后送给低噪声放大器放大[6]，再将低噪放输出的信号进行下变频，最终输出中频信号，送到信号与数据处理模块进行处理[7]。信号处理模块包含十个相互独立的接收通道，可同时接收十个波束的I支路和Q支路的数据。

A/D转换单元将接收信道送来的中频信号进行采样量化，输出出站信号的数字采样值，供后续通道处理使用。信息处理模块对解调后的数据进行定位或通信处理，并将处理结果输出；完成内部数据以及通信结果的存储，存储器具备掉电保护数据的能力；负责对外部接口状态进行实时检测，当接收到命令时，对接收到的命令进行解释，执行相应的操作，并将执行结果返回。另外，数据处理部分还负责对信道的状态进行实时监视，根据需要随时调整。如果需要向外发射信号，如发出定位申请或进行通信时，信息处理部分根据需要生成相应的电文送给信号处理部分，信号处部分对该电文进行扩频并以基带信号的形式送给射频模块，射频模块把基带信息调制到发射载波，并把发射信号送给功率放大器，经过功率放大后，通过发射天线发射给卫星。

2 关键技术的实现

小型化嵌入式北斗模块主要解决了通过紧凑的结构布局，内部分腔，加隔条、盖板加凸槽等形式，实现了北斗模块的小型化；软件在定位通信处理流程过程中，采用异常处理机制[8]，实现了RDSS的定位通信功能，本文以通信功能介绍异常处理机制。

2.1 小型化结构设计、屏蔽性能好

该模块的外形尺寸69 mm*45 mm，由于结构紧凑，在设计时必须充分考虑发射信道、接收信道、变频器、信号处理单元、数据处理单元及电源单元之间的影响等因素。比如，在结构设计时，盒体内部发射信道与接收信道之间通过分腔；变频器分上变频与下变频，上下变频器之间以及信号处理与电源之间均通过加隔条等形式；射频盖板与盒体接触部分，盖板采用1 mm凸起，增强盖板与盒体的屏蔽效果，防止发射与接收信号之间串扰。

2.2 通信功能异常处理机制

当收到串口通信申请指令（TXSQ）后，先检测是否符合信号发射的执行条件，包括本机工作模式、信号接收状态、发射频度。若符合发射条件，则反馈发射成功回执（FKXX）并根据通信申请指令的参数和通信内容向RDSS中心控制系统发送通信申请。当工作模式处于无线电静默模式，或者信号接收状态不满足接收卫星数≥1以及发射频度超出保密模块限制时，反馈发射频度未到回执（FKXX，包括距下次可发射剩余时间）并不予执行通信申请指令。

当通过无线信号接收到其他北斗设备发送的通信内容时，应通过通信信息指令（TXXX）上报。RDSS通信功能处理流程如图2所示。

图2 报文通信处理流程示意图

异常处理机制：采用帧头和比对校验和的方法来校验数据流的有效性。对于收到的每个数据流时，其第一个字节为帧头，最后一个字节为该数据流生成的检验和。校验和为数据流内除第一个字节帧头和最后一个字节校验和外，之间所有字节的和（只取最低字节）。可以按照同样的方法计算校验和，并与收到的校验和比对，即可实现数据有效性的校验。如果计算出的校验和与收到的校验和一致，则数据有效；否则校验失败，则舍弃此帧控制数据。

3 测试结果验证

模块因尺寸较小，调试测试人员认真阅读调试说明，调试细节要求较多需要专人负责调试，调试人员要求有射频调试基础和整机的调试经验，调试人员应根据调试说明的测试框图和注意事项，按操作步骤进行，否则测试结果可能会不能满足技术指标的要求。

测试结果证明，设计的小型化嵌入式北斗模块能够实现设计所需的自检、定位和通信功能，其性能指标发射功率大于10 W，接收灵敏度指标优于-127.6 dBm，接收待机功耗小于1.6 W，经过4批次600多套的测试，验证其设计及实现是正确的。

4 结束语

小型化嵌入式北斗模块设计的指导方针是在满足性能指标要求的前提下，突出设计的实用性、先进性、可靠性、标准化和经济性。小型化嵌入式北斗模块应用范围广，适用环境复杂，除了应用当前的成熟技术外，还要考虑利用高新技术，最大限度地适应今后技术及应用发展变化的需要。