NAVDAT广播授时定位接收机设计

梅建群，高万明，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

自航海活动伊始，导航就是海上安全航行的重要保障。最古老的导航手段是天文导航，随着航海技术的发展，天文导航逐渐成为航海活动中必备的导航手段。无线电产生后，无线电导航和通信技术快速发展。二战初期，美国国防部成功研制了Loran-A海用中远程无线电导航系统[1]，该系统于20世纪70年代完成部署，但因其定位精度、可靠性、可用性差，不能满足美军作战要求，因而美国在二战末期开始研制Loran-C，该系统于1957年研制成功[2]。1974年，美国将Loran-C系统开放给民用，多个国家和地区开始了Loran-C系统建设。当前Loran已演进到能提供PNT（Positioning, Navigation and Timing）功能的e-Loran系统。

卫星技术的发展，为天基导航提供了可能。上世纪70年代初，美国开始研制基于卫星平台的导航系统GPS（Global Positioning System），该系统于1994年全面组网并提供全球定位服务[3]。当前，全球卫星导航系统中已包含美国的GPS、俄罗斯的GLONASS（Global Navigation Satellite System）、欧洲Galileo和中国北斗等四大系统[4]。尽管如此，陆基无线电导航因与卫星导航的频段、功率覆盖等差异，仍为海上导航的重要手段。

海上无线通信系统能提供中远程通信距离覆盖，当前全球典型的海上无线系统包括中频（MF，Middle Frequency）NAVTEX系统[6]、高频（HF，High Frequency）PACTOR系统、甚高频（VHF，Very High Frequency）Telenor系统和船舶自动识别系统（AIS，Automatic Identification System）[5]。尽管上述系统能满足一定场景的海上通信需求，但其存在的通信速率低、延迟大、无法传输实时业务、无法获取用户即时信息等问题，限制了上述系统在当前日益丰富的业务场景的应用。为此，无线电搜救分委会提出了水上数字广播系统NAVDAT（Navigational Data）[6]。

无线电导航与通信系统具有很大的相似性，如能将其合并，将大大降低系统建设成本、维护成本和使用成本。基于将NAVDAT数字广播系统扩展成NAVDAT广播授时定位一体化系统的需要，本文提出NAVDAT广播授时定位接收机设计方案，为后续研究奠定基础。

1 系统总体设计

NAVDAT在包含MF与HF频段的多条信道上播发OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）信号，各子载波可以支持1～10kHz调制带宽，4QAM（Quadrature Amplitude Modulation）、16QAM、64QAM等多种调制方式。NAVDAT信道信息如表 1所示[8-9]。

表1 NAVDAT HF频段信道分配

NAVDAT广播授时定位接收机完成对NAVDAT广播授时定位信号的接收、解调和解码，输出广播授时定位相关信息。NAVDAT广播授时定位接收机框图如图 1所示，整个接收机由天线、射频前端、解调器、处理器和显控器组成。接收天线是覆盖300kHz～30MHz的天线。射频前端完成对射频信号的预选、滤波、放大、模数转换等处理。解调器包含广播解调器和授时定位解调器，广播解调器针对NAVDAT广播信号进行解调，授时定位解调器针对NAVDAT授时定位信号进行解调。处理器包含广播处理器和授时定位处理器，广播处理器处理NAVDAT广播相关信息的处理，对解调后信号进行解码并实现消息分发，授时定位处理器对授时定位解调器输出的授时定位信息进行处理，实现授时定位功能，输出授时定位结果。显控器是一个综合显示控制器，完成对NAVDAT广播授时定位信息的显示及接收机的用户控制接口。

图1 NAVDAT广播授时定位接收机框图

2 系统详细设计

■2.1 系统详细设计框架

图2为NAVDAT广播授时定位接收机详细设计框图，时钟系统为整个接收机射频前端、解调器、处理器等提供时钟参考，电源系统为接收机提供电源。整个业务相关的处理运行于单核或双核CPU上，CPU接收按键KEYS输入信息，根据输入的相关设置进行处理，并将结果显示到LCD上。CPU根据对射频输入功率的测量结果，对增益进行控制，实现自动增益控制功能，同时对预选器进行相应的控制，完成波段选择与切换。射频前端输出信号分别输入到OFDM解调器和授时定位解调器，OFDM解调器在CPU控制下输出数据流（DS，Data Stream）、发射信息流（TIS，Transmitter Information Stream）和调制信息流（MIS，Modulation Information Stream）。数据流DS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。发射机信息流TIS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。调制信息流MIS承载了频谱占用、发射信息流TIS和数据流DS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。授时定位解调器存在多个跟踪通道，分别对各发射台授时定位信号进行跟踪，并输出从台相对于主台的接收信号时间差∆T1、∆T2和∆T3等，CPU对授时定位解调过程进行控制，并对相关时间差进行处理，计算授时定位结果，根据授时定位结果调整本地时钟系统，从而实现本地时钟与UTC时间的同步。

图2 NAVDAT广播授时定位接收机详细设计框图

■2.2 系统硬件方案

针对NAVDAT广播授时定位接收机发展的不同阶段，本文提出两种不同的实现方式。首先针对当前NAVDAT协议制定和系统验证阶段，提出接收机原型验证方案。其次针对未来NAVDAT批量应用，提出批量实现方案。

图3为NAVDAT接收机原理样机方案，该方案采用射频直采结构[10]，其最大的特点是满足系统级、算法快速迭代验证的需求。射频前端由带通滤波器（BPF，Band Pass Filter）、自动增益控制器（AGC，Auto Gain Control）和模数转换器（ADC，Analog to Digital Converter）组成，基带处理全部由ARM完成，ARM上可以移植linux操作系统，整个基带算法开发用C/C++甚至Python来完成。ARM连接按键（KEYS）、USB、以太网（LAN）、LCD等，完成与用户的交互及信息传输。

图3 NAVDAT接收机原理样机方案

图4为NAVDAT小批量方案，该方案兼顾性价比与灵活性，针对不同信道，均能提供优异的性能。该方案采用超外差结构[11]，一级变频，不固定中频上实现信道滤波，中频窄带滤波器为整机提供优异的抗干扰性能，满足船载复杂电磁环境需要。如需实现不同频段信道的同时接收处理，需要多个射频前端，不同前端本振（LO，Local Oscillator）根据需要调整，使中频固定且尽量少，以简化前端设计及成本。

图4 NAVDAT接收机小批量方案

图 5为NAVDAT接收机量产方案，该方案沿用小批量超外差接收机架构，采用专用芯片（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）进一步提升接收机性能，降低批量成本。本方案将MF/HF预选滤波器独立置于ASIC外，ASIC内部集成多个信道的下变频处理单元，共用ADC，并设计专用解调电路（Dem，Demodulator）以降低处理器ARM负担，降低整机功耗。

图5 NAVDAT接收机量产方案

3 结束语

本文针对将NAVDAT数字广播系统扩展成NAVDAT广播授时定位系统的需要，提出了适用于NAVDAT广播授时定位系统的接收机设计方案。首先，从总体设计上对NAVDAT广播授时定位接收机应具备的功能及模块进行分解。然后从详细设计上分析各模块信息流及数据处理。最后，提出针对NAVDAT广播授时定位接收机不同发展阶段的三种硬件设计方案，并对其特点进行了描述。下一阶段，将进行原理样机的开发，验证相关算法及方案的可行性。