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        基于海上安全信息數(shù)字廣播系統(tǒng)的中波寬帶/短波窄帶接收模塊設(shè)計

        2021-02-18 10:06:10周澤如黃良申
        通信電源技術(shù) 2021年16期
        關(guān)鍵詞:噪聲系數(shù)短波中波

        劉 洋,李 剛,周澤如,黃良申

        (海華電子企業(yè)(中國)公司,廣東 廣州 510656)

        0 引 言

        海上安全信息數(shù)字廣播系統(tǒng)(以下簡稱“NAVDAT”)最早的研究主要集中在NAVDAT MF中波系統(tǒng)(500 kHz)上,采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)傳輸技術(shù)播發(fā)消息、文本、文件或圖像,實(shí)現(xiàn)航行相關(guān)安全信息的快速推送,實(shí)現(xiàn)岸-船間有效的數(shù)據(jù)通信。根據(jù)ITU-R M.2058-0建議書中的相關(guān)內(nèi)容,NAVDAT系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用于HF短波頻道建立岸到船的通信技術(shù)方案,信道帶寬為10 kHz,使用糾錯編碼當(dāng)碼率為0.75時,有用的數(shù)據(jù)速率可達(dá)15 kB/s[1]。相較于NAVDAT MF系統(tǒng),其傳輸頻道增加6個,船臺可以自適應(yīng)選擇最優(yōu)頻道接收,覆蓋范圍由原來的A1、A2海區(qū)擴(kuò)展至A3、A4海區(qū)。NAVDAT HF系統(tǒng)頻段的擴(kuò)容可有效提高海事部門為船舶提供信息服務(wù)的保障能力。根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)發(fā)布的海上安全信息數(shù)字廣播NAVDAT系統(tǒng)技術(shù)要求,開展相關(guān)中波寬帶/短波窄帶接收模塊的設(shè)計,對NAVDAT系統(tǒng)應(yīng)用論證、算法優(yōu)化、系統(tǒng)評估及測試具有重要的意義。

        1 NAVDAT總體系統(tǒng)框架

        NAVDAT系統(tǒng)包含MF中波與HF短波頻段的7個信道。MF頻段包括C0(500 kHz),在10 kHz帶寬的頻道上播發(fā)。HF頻段包括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),同樣是在6個10 kHz帶寬的信道上播發(fā)。當(dāng)前國際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定500 kHz中頻信道C0、短波信道C1、C2為優(yōu)先選擇信道,其余作為可選信道。NAVDAT支持4QAM(正交幅度調(diào)制)、16QAM、64QAM,調(diào)制帶寬為1~10 kHz。圖1為NAVDAT系統(tǒng)廣播傳輸構(gòu)架圖,主要包含5個部分。其中,岸基信息管理系統(tǒng)用于收集和控制各種來源的消息,根據(jù)文件的優(yōu)先級和重復(fù)需求創(chuàng)建發(fā)射任務(wù);岸基網(wǎng)絡(luò)連接岸基信息管理系統(tǒng)與臺站發(fā)射機(jī),確保從信源到發(fā)射機(jī)的消息文件可靠傳輸;臺站發(fā)射機(jī)將消息文件轉(zhuǎn)換為OFDM信號,通過單邊帶發(fā)射機(jī)對外廣播;MF/HF信道是射頻信號的無線傳輸通道;接收終端(船臺)接收并解調(diào)天線接收的OFDM信號,根據(jù)應(yīng)用分類將消息文件提供給用戶設(shè)備[1]。

        圖1 NAVDAT系統(tǒng)廣播傳輸構(gòu)架圖

        2 基于NAVDAT系統(tǒng)的中波寬帶/短波窄帶接收模塊的硬件設(shè)計

        考慮到便于算法快速迭代驗(yàn)證,基于NAVDAT系統(tǒng)的中波寬帶/短波窄帶接收模塊(以下簡稱“接收模塊”)采用射頻直采架構(gòu)設(shè)計,通過網(wǎng)口直接連接計算機(jī)終端遙控使用(無面板操作),具體框圖如圖2所示。接收模塊由射頻前端和基帶處理兩部分組成,其中射頻前端包括保護(hù)衰減控制模塊、預(yù)選濾波器、兩級級聯(lián)放大器及抗混疊濾波器等單元,基帶處理包括AD采集模塊(16位ADC,采樣時鐘為76.8 MHz)、FPGA處理模塊(完成AGC控制、數(shù)字下變頻、數(shù)字濾波、信號分析和參數(shù)測量處理后發(fā)送給DSP)以及DSP解調(diào)解碼模塊(實(shí)現(xiàn)信號解調(diào)、數(shù)據(jù)解碼,經(jīng)過網(wǎng)口上傳到計算機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、并與用戶完成交互及信息傳輸)等。

        2.1 射頻前端設(shè)計

        作為接收模塊的核心,射頻前端電路由保護(hù)衰減控制模塊、預(yù)選濾波器組、兩級級聯(lián)放大器模塊、抗混疊濾波模塊、AGC控制電路以及電源電路組成。設(shè)計之初,需綜合考慮整機(jī)小型化、靈敏度以及動態(tài)范圍等指標(biāo)要求。

        2.1.1 技術(shù)指標(biāo)

        接收模塊的主要設(shè)計指標(biāo)為工作頻段300 kHz~30 MHz、靈敏度不大于-110 dBm、無雜散動態(tài)范圍(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)大于等于90 dB以及工作信道帶寬10 kHz。設(shè)計中主要考慮了噪聲系數(shù)、增益、動態(tài)范圍、阻塞電平以及大信號保護(hù)等參數(shù),可以保證接收模塊的性能指標(biāo)。射頻前端接入保護(hù)電路和預(yù)選濾波器組,以抑制帶外信號強(qiáng)信號干擾,提高接收模塊的可靠性。

        2.1.2 噪聲系數(shù)分析

        接收模塊對微弱信號的接收能力直接反映在接收機(jī)靈敏度這一指標(biāo)當(dāng)中,接收靈敏度與接收模塊的噪聲系數(shù)和處理信噪比等因素相關(guān)。其中,噪聲系數(shù)直接影響接收模塊的靈敏度[2,3]。對于一個由n階器件級聯(lián)而成的系統(tǒng)而言,其總的噪聲系數(shù)為:

        式中,F(xiàn)n為第n級的噪聲系數(shù);Gn-1為第n-1級的增益。噪聲系數(shù)還可以表示為dB形式,即:

        由式(1)可知,接收模塊的總噪聲系數(shù)由內(nèi)部各級器件的噪聲系數(shù)和增益共同決定,但起決定性作用的是前兩級。因此,射頻前端的設(shè)計目標(biāo)是總增益60 dB,總的噪聲系數(shù)為10 dB,靈敏度在10 kHz帶寬內(nèi)為-110 dBm。由圖2可知,前端各級增益和噪聲系數(shù)分配為預(yù)選濾波器組-1 dB、第一級放大電路增益10 dB,噪聲系數(shù)為5 dB,第二級放大電路增益為58 dB,噪聲系數(shù)為11 dB,抗混疊濾波器-3 dB。根據(jù)各級電路的增益計算可知,前端電路總的理論增益為G=(-1+10+58-3)dB=64 dB。前端電路總的理論噪聲系數(shù)為:

        圖2 接收模塊的硬件框架

        通過理論計算可知,整個前端電路的噪聲系數(shù)為7.63 dB,滿足設(shè)計要求。根據(jù)接收靈敏度和噪聲系數(shù)的計算關(guān)系:

        式中,-174為接收模塊的熱噪聲(單位:dBm/Hz);NF為接收模塊整體的噪聲系數(shù);BW為系統(tǒng)的帶寬;SNR為后端數(shù)字信號處理需要的信噪比。

        取接收模塊的帶寬為10 kHz,則可計算出該接收模塊前端的理論靈敏度為SIN(dBm)=-174+7.63+10 log10(10 000)+12=-114.37,即在理論上10 kHz帶寬可接收到的最小信號為-114.37 dBm,滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。

        2.1.3 保護(hù)衰減控制及濾波電路設(shè)計

        保護(hù)電路由TVS二極管、氣體放電管以及衰減控制電路等部分構(gòu)成,其衰減量最大可達(dá)30 dB,由繼電器進(jìn)行切換控制。保護(hù)電路的主要作用是防止輸入信號過大,而導(dǎo)致第一級放大電路飽和失真。預(yù)選濾波器組采用9階橢圓低通濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計,其在保障具有陡峭過渡帶的同時,以較小的階數(shù)實(shí)現(xiàn)濾除帶外雜散。

        2.1.4 信道增益的確認(rèn)及動態(tài)范圍實(shí)現(xiàn)

        SFDR指載波頻率(最大信號成分)的RMS幅度與次最大噪聲成分或諧波失真成分的RMS值之比。從輸入三階互調(diào)截距點(diǎn)可以推算出無雜散動態(tài)范圍[4,5],即:

        由式(5)可知,SFDR正比于輸入信號截點(diǎn)IIP3,反比于噪聲系數(shù)NF和信號帶寬B。本設(shè)計在射頻前端加入數(shù)字步進(jìn)衰減器實(shí)現(xiàn)AGC功能,選用Hittite公司的步進(jìn)衰減器HMC470LP3,IIP3>50 dBm,可控范圍31 dB/1 dB步進(jìn),可保證ADC工作在不飽和狀態(tài)。

        2.2 數(shù)字基帶設(shè)計

        2.2.1 FPGA單元設(shè)計

        FPGA主要實(shí)現(xiàn)ADC采樣控制、DDC數(shù)字下變頻以及與DSP數(shù)據(jù)通信等功能,圖3為FPGA設(shè)計的功能框圖。通過采集中波、短波信號7個子信道的復(fù)基帶信號分別與NCO產(chǎn)生的本振信號混頻,混頻器輸出經(jīng)過多級抽取濾波器、數(shù)據(jù)打包后,通過HPI接口發(fā)送給DSP單元[6,7]。

        圖3 FPGA設(shè)計的功能框圖

        2.2.2 DSP解調(diào)解碼設(shè)計

        DSP解調(diào)解碼算法采用C語言開發(fā),并利用CCS集成開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)。解調(diào)解碼流程如圖4所示。匹配濾波器模塊通過提高采樣時刻具有最大信噪比,實(shí)現(xiàn)降低接收系統(tǒng)誤碼率功能;同步模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)同步定時、頻偏糾正功能;OFDM解調(diào)模塊實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換、去CP(循環(huán)前綴)、FFT(快速傅里葉變換、并串轉(zhuǎn)換、信道估計均衡以及跟蹤等功能;QAM解調(diào)模塊負(fù)責(zé)完成4QAM、16QAM、64QAM信號解調(diào);數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊通過LDPC譯碼后,根據(jù)消息類型進(jìn)行分發(fā)。應(yīng)用控制軟件分驅(qū)動層和應(yīng)用層,驅(qū)動層負(fù)責(zé)與FPGA接口控制、配置NCO頻率AGC參數(shù),并接收中斷觸發(fā)獲取FPGA采樣數(shù)據(jù);應(yīng)用層負(fù)責(zé)解調(diào)解碼及消息分發(fā),將數(shù)據(jù)報文通過網(wǎng)口發(fā)送至計算機(jī)終端,同時監(jiān)測射頻前端輸入信號的功率,自動調(diào)節(jié)AGC增益,保持ADC輸入信號在最佳范圍內(nèi)[8-10]。

        圖4 DSP解調(diào)解碼器流程

        3 主要指標(biāo)測試結(jié)果

        3.1 實(shí)驗(yàn)室性能測試

        通過對接收模塊射頻前端電路各部分的分析和仿真驗(yàn)證,其在理論上滿足設(shè)計指標(biāo)。通過頻譜儀測量整個射頻前端的增益,測出增益后再測量射頻前端在帶寬BW內(nèi)的噪聲,計算出射頻前端在不同頻點(diǎn)的噪聲系數(shù),測量結(jié)果如表1所示。由表1可知,通過實(shí)際電路測試得到的噪聲系數(shù)最小為8.4 dB,最大為9.4 dB,均小于設(shè)計目標(biāo)10 dB,達(dá)到了接收模塊的設(shè)計指標(biāo)要求。

        表1 射頻前端噪聲系數(shù)測量結(jié)果

        3.2 實(shí)際信號測試

        實(shí)際接收上海海事局崇明發(fā)射臺播發(fā)的報文,進(jìn)行測試的系統(tǒng)框圖如圖5所示。

        圖5 實(shí)地測試框圖

        接收模塊接2.6 m短波天線,錄取的基帶信號如圖6所示。滿足NAVDAT系統(tǒng)所規(guī)劃的信噪比要求,符合預(yù)期,初步證明了基于NAVDAT系統(tǒng)的中波寬帶/短波窄帶接收模塊設(shè)計的正確性。

        圖6 實(shí)際接收上海海岸電臺播發(fā)NAVDAT報文數(shù)據(jù)

        4 結(jié) 論

        本文展示了基于海上安全信息數(shù)字廣播系統(tǒng)NAVDAT的中波寬帶/短波窄帶接收模塊設(shè)計,設(shè)計方案基于射頻直采架構(gòu),靈活性強(qiáng),拓展性好。經(jīng)理論計算和初步試驗(yàn)驗(yàn)證,所設(shè)計的接收模塊能夠滿足NAVDAT系統(tǒng)在中波寬帶/短波窄帶頻段的接收需求,符合設(shè)計要求,具有一定的實(shí)用價值。

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