基于海上安全信息数字广播系统的中波宽带/短波窄带接收模块设计

刘 洋，李 刚，周泽如，黄良申

（海华电子企业（中国）公司，广东 广州 510656）

0 引 言

海上安全信息数字广播系统（以下简称“NAVDAT”）最早的研究主要集中在NAVDAT MF中波系统（500 kHz）上，采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）传输技术播发消息、文本、文件或图像，实现航行相关安全信息的快速推送，实现岸-船间有效的数据通信。根据ITU-R M.2058-0建议书中的相关内容，NAVDAT系统扩展应用于HF短波频道建立岸到船的通信技术方案，信道带宽为10 kHz，使用纠错编码当码率为0.75时，有用的数据速率可达15 kB/s[1]。相较于NAVDAT MF系统，其传输频道增加6个，船台可以自适应选择最优频道接收，覆盖范围由原来的A1、A2海区扩展至A3、A4海区。NAVDAT HF系统频段的扩容可有效提高海事部门为船舶提供信息服务的保障能力。根据当前已经发布的海上安全信息数字广播NAVDAT系统技术要求，开展相关中波宽带/短波窄带接收模块的设计，对NAVDAT系统应用论证、算法优化、系统评估及测试具有重要的意义。

1 NAVDAT总体系统框架

NAVDAT系统包含MF中波与HF短波频段的7个信道。MF频段包括C0（500 kHz），在10 kHz带宽的频道上播发。HF频段包括C1（4 226 kHz）、C2（6 337.5 kHz）、C3（8 443 kHz）、C4（12 663.5 kHz）、C5（16 909.5 kHz）以及C6（22 450.5 kHz），同样是在6个10 kHz带宽的信道上播发。当前国际电信联盟标准规定500 kHz中频信道C0、短波信道C1、C2为优先选择信道，其余作为可选信道。NAVDAT支持4QAM（正交幅度调制）、16QAM、64QAM，调制带宽为1～10 kHz。图1为NAVDAT系统广播传输构架图，主要包含5个部分。其中，岸基信息管理系统用于收集和控制各种来源的消息，根据文件的优先级和重复需求创建发射任务；岸基网络连接岸基信息管理系统与台站发射机，确保从信源到发射机的消息文件可靠传输；台站发射机将消息文件转换为OFDM信号，通过单边带发射机对外广播；MF/HF信道是射频信号的无线传输通道；接收终端（船台）接收并解调天线接收的OFDM信号，根据应用分类将消息文件提供给用户设备[1]。

图1 NAVDAT系统广播传输构架图

2 基于NAVDAT系统的中波宽带/短波窄带接收模块的硬件设计

考虑到便于算法快速迭代验证，基于NAVDAT系统的中波宽带/短波窄带接收模块（以下简称“接收模块”）采用射频直采架构设计，通过网口直接连接计算机终端遥控使用（无面板操作），具体框图如图2所示。接收模块由射频前端和基带处理两部分组成，其中射频前端包括保护衰减控制模块、预选滤波器、两级级联放大器及抗混叠滤波器等单元，基带处理包括AD采集模块（16位ADC，采样时钟为76.8 MHz）、FPGA处理模块（完成AGC控制、数字下变频、数字滤波、信号分析和参数测量处理后发送给DSP）以及DSP解调解码模块（实现信号解调、数据解码，经过网口上传到计算机终端进行数据显示、并与用户完成交互及信息传输）等。

2.1 射频前端设计

作为接收模块的核心，射频前端电路由保护衰减控制模块、预选滤波器组、两级级联放大器模块、抗混叠滤波模块、AGC控制电路以及电源电路组成。设计之初，需综合考虑整机小型化、灵敏度以及动态范围等指标要求。

2.1.1 技术指标

接收模块的主要设计指标为工作频段300 kHz～30 MHz、灵敏度不大于-110 dBm、无杂散动态范围（Spurious Free Dynamic Range，SFDR）大于等于90 dB以及工作信道带宽10 kHz。设计中主要考虑了噪声系数、增益、动态范围、阻塞电平以及大信号保护等参数，可以保证接收模块的性能指标。射频前端接入保护电路和预选滤波器组，以抑制带外信号强信号干扰，提高接收模块的可靠性。

2.1.2 噪声系数分析

接收模块对微弱信号的接收能力直接反映在接收机灵敏度这一指标当中，接收灵敏度与接收模块的噪声系数和处理信噪比等因素相关。其中，噪声系数直接影响接收模块的灵敏度[2,3]。对于一个由n阶器件级联而成的系统而言，其总的噪声系数为：

式中，Fn为第n级的噪声系数；Gn-1为第n-1级的增益。噪声系数还可以表示为dB形式，即：

由式（1）可知，接收模块的总噪声系数由内部各级器件的噪声系数和增益共同决定，但起决定性作用的是前两级。因此，射频前端的设计目标是总增益60 dB，总的噪声系数为10 dB，灵敏度在10 kHz带宽内为-110 dBm。由图2可知，前端各级增益和噪声系数分配为预选滤波器组-1 dB、第一级放大电路增益10 dB，噪声系数为5 dB，第二级放大电路增益为58 dB，噪声系数为11 dB，抗混叠滤波器-3 dB。根据各级电路的增益计算可知，前端电路总的理论增益为G=（-1+10+58-3）dB=64 dB。前端电路总的理论噪声系数为：

图2 接收模块的硬件框架

通过理论计算可知，整个前端电路的噪声系数为7.63 dB，满足设计要求。根据接收灵敏度和噪声系数的计算关系：

式中，-174为接收模块的热噪声（单位：dBm/Hz）；NF为接收模块整体的噪声系数；BW为系统的带宽；SNR为后端数字信号处理需要的信噪比。

取接收模块的带宽为10 kHz，则可计算出该接收模块前端的理论灵敏度为SIN(dBm)=-174+7.63+10 log10(10 000)+12=-114.37，即在理论上10 kHz带宽可接收到的最小信号为-114.37 dBm，满足设计指标的要求。

2.1.3 保护衰减控制及滤波电路设计

保护电路由TVS二极管、气体放电管以及衰减控制电路等部分构成，其衰减量最大可达30 dB，由继电器进行切换控制。保护电路的主要作用是防止输入信号过大，而导致第一级放大电路饱和失真。预选滤波器组采用9阶椭圆低通滤波器结构设计，其在保障具有陡峭过渡带的同时，以较小的阶数实现滤除带外杂散。

2.1.4 信道增益的确认及动态范围实现

SFDR指载波频率（最大信号成分）的RMS幅度与次最大噪声成分或谐波失真成分的RMS值之比。从输入三阶互调截距点可以推算出无杂散动态范围[4,5]，即：

由式（5）可知，SFDR正比于输入信号截点IIP3，反比于噪声系数NF和信号带宽B。本设计在射频前端加入数字步进衰减器实现AGC功能，选用Hittite公司的步进衰减器HMC470LP3，IIP3>50 dBm，可控范围31 dB/1 dB步进，可保证ADC工作在不饱和状态。

2.2 数字基带设计

2.2.1 FPGA单元设计

FPGA主要实现ADC采样控制、DDC数字下变频以及与DSP数据通信等功能，图3为FPGA设计的功能框图。通过采集中波、短波信号7个子信道的复基带信号分别与NCO产生的本振信号混频，混频器输出经过多级抽取滤波器、数据打包后，通过HPI接口发送给DSP单元[6,7]。

图3 FPGA设计的功能框图

2.2.2 DSP解调解码设计

DSP解调解码算法采用C语言开发，并利用CCS集成开发工具实现。解调解码流程如图4所示。匹配滤波器模块通过提高采样时刻具有最大信噪比，实现降低接收系统误码率功能；同步模块负责实现同步定时、频偏纠正功能；OFDM解调模块实现串并转换、去CP（循环前缀）、FFT（快速傅里叶变换、并串转换、信道估计均衡以及跟踪等功能；QAM解调模块负责完成4QAM、16QAM、64QAM信号解调；数据重构模块通过LDPC译码后，根据消息类型进行分发。应用控制软件分驱动层和应用层，驱动层负责与FPGA接口控制、配置NCO频率AGC参数，并接收中断触发获取FPGA采样数据；应用层负责解调解码及消息分发，将数据报文通过网口发送至计算机终端，同时监测射频前端输入信号的功率，自动调节AGC增益，保持ADC输入信号在最佳范围内[8-10]。

图4 DSP解调解码器流程

3 主要指标测试结果

3.1 实验室性能测试

通过对接收模块射频前端电路各部分的分析和仿真验证，其在理论上满足设计指标。通过频谱仪测量整个射频前端的增益，测出增益后再测量射频前端在带宽BW内的噪声，计算出射频前端在不同频点的噪声系数，测量结果如表1所示。由表1可知，通过实际电路测试得到的噪声系数最小为8.4 dB，最大为9.4 dB，均小于设计目标10 dB，达到了接收模块的设计指标要求。

表1 射频前端噪声系数测量结果

3.2 实际信号测试

实际接收上海海事局崇明发射台播发的报文，进行测试的系统框图如图5所示。

图5 实地测试框图

接收模块接2.6 m短波天线，录取的基带信号如图6所示。满足NAVDAT系统所规划的信噪比要求，符合预期，初步证明了基于NAVDAT系统的中波宽带/短波窄带接收模块设计的正确性。

图6 实际接收上海海岸电台播发NAVDAT报文数据

4 结 论

本文展示了基于海上安全信息数字广播系统NAVDAT的中波宽带/短波窄带接收模块设计，设计方案基于射频直采架构，灵活性强，拓展性好。经理论计算和初步试验验证，所设计的接收模块能够满足NAVDAT系统在中波宽带/短波窄带频段的接收需求，符合设计要求，具有一定的实用价值。