劉開進

（福建星海通信科技有限公司，福建 福州 350008）

0 引 言

中波導航系統(tǒng)作為最先應用的地基式航空無線電導航系統(tǒng)，被各國廣泛應用于航空導航[1]。它由飛機上的無線電羅盤和地面的中波導航機組成。中波導航機是一部調幅發(fā)射機，為機載無線電羅盤提供無線電測向信號。我國擁有大量中波導航機，中波導航信號覆蓋了我國大部分領空和領海。中波射頻信號以地波方式傳播為主，也就是說，中波射頻信號是沿地球表面?zhèn)鞑サ?。而地球表面上的城市、山脈、森林等地物，相對于通信保持時間是基本不會發(fā)生變化的。同樣，地球表面的電參數相對于通信保持時間也基本恒定。那么，中波傳播信道具有了恒參信道特征，使得射頻信號的傳輸穩(wěn)定可靠。另外，中波射頻信號繞射能力強、繞射損耗小、易克服陰影區(qū)，因此與短波信道相比，中波信道主要靠地波傳播，具有信道穩(wěn)定、無盲區(qū)等特點，是一種可提供可靠中距離通信的信道。因此，只要使中波導航機具備通信功能，就可以利用中波導航機這一寶貴資源來構建中波通信網，可以為應急救援、搶險救災等提供一種通信手段。因此，本文提出一種基于中波導航機進行數字通信的方案，通過采用軟件無線電技術對中波導航機進行升級改造，使其具有數據通信功能，以達到利用中波導航臺實現最低應急保障通信。

1 數字通信改造方案

在確定數字通信改造方案前，首先需要對中波導航機的基本工作原理和組成進行分析。中波導航機作為中波導航系統(tǒng)的地面設備，通過空中發(fā)射無方向性的中波射頻信號，為機載無線電羅盤提供無線電測向信號，從而完成飛機導航保障功能。中波導航機實質上是一部調幅發(fā)射機，一般由電源單元、頻率合成單元、調制單元、功率放大單元和天線調諧單元等組成，如圖1所示。頻率合成單元產生導航機所需的中波射頻信號；調制單元產生導航機所需的1 kHz正弦波調制信號，并放大輸出所需的調制電平；功率放大單元對頻率合成單元輸出的中波信號放大到導航機所需的功率信號，然后經天線調諧單元配諧后輻射出去。

圖1 中波導航機基本組成

數字通信改造的原則是中波導航機保持原有導航功能不變條件下增加數字通信功能。通過分析中波導航機的基本原理和組成，采取的改造方案是保持原有的電源單元、調制單元、功率放大單元和天線調諧單元不變，對頻率合成單元進行改進，原理如圖2所示。用具有軟件無線電架構的信息處理單元代替現有的頻率合成單元，產生導航和通信所需的激勵信號，從而使中波導航機具有導航和數字通信兩種功能。同時，利用軟件無線電體系架構來實現數字化接收，使得接收和發(fā)射的信號處理均在數字域完成。

圖2 數字通信原理

2 技術方案設計

2.1 改造方案

本方案采用基于軟件無線電架構的信息處理單元代替現有的頻率合成單元，產生導航和通信所需的激勵信號，并完成射頻信號的接收和解調，原理如圖3所示。可以看出，導航激勵信號、MSK調制信號和MSK解調等均在FPGA芯片內部完成。具體地，使用的FPGA芯片是Altera公司的EP2C50F484I8，具有50528萬門的邏輯單元（LE）、450個外部引腳、86個乘法器、約600 MHz的數據處理能力等，能夠滿足本方案需求。

圖3 信息處理單元原理

中波導航機本身只有發(fā)射功能，要想具備數字通信功能必須增加接收功能。本方案中采用單通道射頻直接采樣軟件無線電接收機體系結構[2]，從天線接收到的射頻信號先送入窄帶電調濾波器，選擇所需的信號進行放大，再經ADC采樣后送至FPGA進行數據處理、信號解調、信道譯碼，獲得所需的接收數據，最后經串口輸出。中波導航機的最高工作頻率小于1 MHz，目前市場上絕大多數的ADC芯片都滿足對中波導航機射頻信號直接采樣技術性能的要求。因此，這里接收機方案采用射頻直接采樣軟件無線電接收機體系結構。在接收前端窄帶電調濾波器，是為了提高接收回路的信噪比，有利于提高接收機的抗干擾能力。

發(fā)射數據時，需要傳輸的數據信號經串口送至FPGA，FPGA先對數據信號進行信道編碼，然后把編碼好的數據信號進行MSK調制。FPGA輸出的MSK信號經DAC轉換成模擬射頻信號，經放大后輸出。

當工作在導航模式時，直接由FPGA產生導航機所需數字載波信號，經DAC轉換成模擬射頻信號，并經放大后輸出。

2.2 數字調制技術

數字調制技術是對數字信號進行載波調制的技術，以使數字信號能在有限帶寬的高頻信道中傳輸。數字調制技術是數字通信系統(tǒng)的關鍵技術，其性能好壞關系到數字通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣[3]。現有的數字調制技術包括QPSK、MSK、QAM和OFDM等。針對中波信道特點，本方案選取MSK作為數字調制方式。MSK（Minimum Shift Keying）稱為最小移頻鍵控，是一種具有連續(xù)相位的頻移鍵控。MSK信號能量集中，99.5%的信號能量被限制在數據傳輸速率的1.5倍帶寬內[4]，在帶外產生的干擾小，因此適合于工作帶寬窄（小于9 kHz）的中波信道。此外，MSK信號包絡恒定，可以使用非線性電路。這樣采用MSK作為數字通信改造的調制方式，既可以適應使用線性功放的中波導航機，也可以適應使用開關功放的中波導航機。

本方案中MSK信號的調制原理如圖4所示。MSK調制模塊分兩部分實現。第一部分是MSK信號產生，由外部的二個頻率控制字送給NCO的頻控字選擇端口，實現二進制數據信號頻率選擇輸出，進而實現MSK信號的生成。第二部分是正交調制部分，MSK信號的同相分量和正交分量分別內插濾波在調制到載波上，最后相加輸出MSK調制信號。

圖4 MSK調制器原理

具體的技術實現分析如下。

同相分量I(t)的數學表達式為：

正交分量Q(t)的數學表達式為：

同相支路信號。由同相分量I(t)經過內插濾波器和載波cos(2πfct)相乘輸出同相分量V1。

正交支路信號。由正交分量Q(t)經過內插濾波器和載波sin(2πfct)相乘輸出反相分量V2。

V1和V2實現公式如下：

V1和V2經一個減法器相減后輸出Vout：

這里的Vout就是所需的MSK調制信號。

2.3 信道編碼

C0，并且由1個移位子模塊移位輸出；編碼模塊1在時鐘頻率下，對存儲的數據按生成序列g1（171）8的規(guī)則生成輸出序列C1，并且由1個移位子模塊移位輸出；并/串變換模塊將C0和C1兩路并行數據變換成一路串行數據C0C1。

圖5 卷積編碼器的結構

信道編碼是對信源編碼后的數據序列，按照一定的規(guī)則，人為加進若干位（稱為校驗位）組成新的數據序列。在接收端，可以按照已知的編碼規(guī)則進行譯碼，對輸出的數據序列進行檢驗和糾錯。對數據序列進行信道編碼，是為了使數據傳輸具有檢查錯誤和糾正錯誤的能力，使得接收端可通過數據相關性進行檢查和糾正?？傊?，信道編碼的目的是提高數字信號傳輸的可靠性。

本方案中信道編碼采用（2，1，7）卷積編碼，編碼結構如圖5所示。它主要有四個模塊構成：信息輸入移位處理模塊、編碼模塊0、編碼模塊1和并/串變換模塊。其中，信息輸入處理模塊由6個移位子模塊組成，在時鐘頻率下對輸入的信息進行移位和存儲；編碼模塊0在時鐘頻率下，對存儲的數據按生成序列g0（133）8的規(guī)則生成輸出序列

2.4 MSK解調

基于軟件無線電體系架構的MSK信號數字化解調基本上都是采用數字化正交解調方案。本方案采用的MSK數字正交解調原理，如圖6所示。從圖6可以看出，輸入的MSK數字信號先與數字載波正反相信號分別進行數字混頻，再分別經過數字低通濾波器，獲得同相分量數字信號和正交分量數字信號，然后利用基帶解算算法對同相分量數字信號和正交分量數字信號進行一系列數學函數運算，最終獲得所需的數據序列。也就是說，數字正交解調方案是利用軟件無線電中的各種數學函數模型，對數字化的調制信號進行相應的數學運算來獲得所需的數據信號。采用數字正交解調方案大大簡化了硬件電路，解調過程由軟件來完成，大大增加了靈活性。

圖6 MSK解調原理

該解調方案的具體技術實現分析如下。

經過A/D采樣的中波MSK信號的數學表達式為：

所以：

式中：

因此，MSK信號通過與正交載波相乘后，再經過低通濾波可取出I(n)、Q(n)，即所需的同相分量數字信號和正交分量數字信號。可以看出，它們包含了信號的相位信息，根據I(n)、Q(n)可以對MSK信號進行解調。

經數字正交混頻和低通濾波后獲得的同相支路和正交支路的兩路正交數字基帶信號，采用基帶解調算法對兩路正交數字基帶信號進行數學運算，解算出信號的相位和頻率。

先解調出相位：

再解調出頻率：

最后經過位同步和抽樣判決，可輸出同步時鐘和解調碼元。

3 驗證試驗

3.1 導航功能驗證

在進行通信功能試驗前，先進行中波導航機的導航功能驗證試驗。用新設計的信息處理單元替換中波導航機原來使用的頻率合成單元，并選擇工作模式為導航模式。分別選取工作頻率為150 kHz、300 kHz、700 kHz進行驗證試驗，在各試驗頻點上，中波導航機與發(fā)射天線配諧正常，導航信號正常，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

3.2 數字通信驗證

數字通信驗證試驗有室內有線驗證試驗和室外開路試驗兩個步驟。室內有線驗證試驗主要驗證理想環(huán)境下數字通信功能，室外開路試驗主要驗證實際使用環(huán)境下的數字通信功能。

3.2.1 室內有線驗證試驗

把一臺改造好的中波導航機的射頻輸出經衰減器衰減后接入信息處理單元的接收端。選擇試驗頻點為150 kHz和800 kHz，在每個頻點上按信息速率 37.5 b/s、75 b/s、150 b/s、300 b/s、600 b/s分別進行通信試驗。試驗結果顯示，均能進行正常通信，數據接收解調正常且無誤碼。

3.2.2 室外開路試驗

采用某機場的遠距導航臺的T型發(fā)射天線、中波導航機作為數字通信試驗的發(fā)射端，用新設計的信息處理單元替換臺站的頻率合成單元。在距離該臺站約20 km（直線距離）的地點，用6 m鞭T天線和信息處理單元進行接收。選擇試驗頻點為150 kHz、210 kHz、255 kHz、300 kHz、500 kHz，在每個頻點上按信息速率37.5 b/s、75 b/s、150 b/s、300 b/s、600 b/s分別進行通信試驗。試驗最高頻點選取500 kHz而不是導航機的最高頻率，是因為試驗場地有500 kHz以上的中波電臺信號。試驗結果如表1所示。

表1 試驗結果

從表1可以看出，在中波工作頻段，由于中波通信使用的發(fā)射和接收天線遠小于1/4波長，使得天線效率低，造成了發(fā)射端輻射電平小，接收端接收電平小，再加上中波頻段的天電干擾和工業(yè)干擾十分嚴重，環(huán)境噪聲電平高，使得接收端的信噪比低，造成在實際環(huán)境下數字通信效果差，在實際應用中需加以關注。

4 結 語

本文提出的中波導航機數字通信方案基于軟件無線電體系架構，無需對中波導航機進行改動，只要更換頻率合成單元使中波導航機具有數字通信功能，簡單易行，代價小。從上述驗證試驗的結果來看，本文提出的中波導航機數字通信方案是可行的。另外，由于中波頻率較低、可用帶寬較窄、傳輸速率較低，中波通信不適宜用于大容量的數據傳輸。利用新技術對老設備進行升級改造而提升產品功能、性能具有現實意義。需要指出的是，本方案只對中波導航機實現數字通信功能進行了原理性研究，并驗證了技術可行性，距離實際應用還需對提高接收機靈敏度、抗干擾能力做進一步研究。