基于中波导航机的数字通信方案设计*

刘开进

（福建星海通信科技有限公司，福建 福州 350008）

0 引 言

中波导航系统作为最先应用的地基式航空无线电导航系统，被各国广泛应用于航空导航[1]。它由飞机上的无线电罗盘和地面的中波导航机组成。中波导航机是一部调幅发射机，为机载无线电罗盘提供无线电测向信号。我国拥有大量中波导航机，中波导航信号覆盖了我国大部分领空和领海。中波射频信号以地波方式传播为主，也就是说，中波射频信号是沿地球表面传播的。而地球表面上的城市、山脉、森林等地物，相对于通信保持时间是基本不会发生变化的。同样，地球表面的电参数相对于通信保持时间也基本恒定。那么，中波传播信道具有了恒参信道特征，使得射频信号的传输稳定可靠。另外，中波射频信号绕射能力强、绕射损耗小、易克服阴影区，因此与短波信道相比，中波信道主要靠地波传播，具有信道稳定、无盲区等特点，是一种可提供可靠中距离通信的信道。因此，只要使中波导航机具备通信功能，就可以利用中波导航机这一宝贵资源来构建中波通信网，可以为应急救援、抢险救灾等提供一种通信手段。因此，本文提出一种基于中波导航机进行数字通信的方案，通过采用软件无线电技术对中波导航机进行升级改造，使其具有数据通信功能，以达到利用中波导航台实现最低应急保障通信。

1 数字通信改造方案

在确定数字通信改造方案前，首先需要对中波导航机的基本工作原理和组成进行分析。中波导航机作为中波导航系统的地面设备，通过空中发射无方向性的中波射频信号，为机载无线电罗盘提供无线电测向信号，从而完成飞机导航保障功能。中波导航机实质上是一部调幅发射机，一般由电源单元、频率合成单元、调制单元、功率放大单元和天线调谐单元等组成，如图1所示。频率合成单元产生导航机所需的中波射频信号；调制单元产生导航机所需的1 kHz正弦波调制信号，并放大输出所需的调制电平；功率放大单元对频率合成单元输出的中波信号放大到导航机所需的功率信号，然后经天线调谐单元配谐后辐射出去。

图1 中波导航机基本组成

数字通信改造的原则是中波导航机保持原有导航功能不变条件下增加数字通信功能。通过分析中波导航机的基本原理和组成，采取的改造方案是保持原有的电源单元、调制单元、功率放大单元和天线调谐单元不变，对频率合成单元进行改进，原理如图2所示。用具有软件无线电架构的信息处理单元代替现有的频率合成单元，产生导航和通信所需的激励信号，从而使中波导航机具有导航和数字通信两种功能。同时，利用软件无线电体系架构来实现数字化接收，使得接收和发射的信号处理均在数字域完成。

图2 数字通信原理

2 技术方案设计

2.1 改造方案

本方案采用基于软件无线电架构的信息处理单元代替现有的频率合成单元，产生导航和通信所需的激励信号，并完成射频信号的接收和解调，原理如图3所示。可以看出，导航激励信号、MSK调制信号和MSK解调等均在FPGA芯片内部完成。具体地，使用的FPGA芯片是Altera公司的EP2C50F484I8，具有50528万门的逻辑单元（LE）、450个外部引脚、86个乘法器、约600 MHz的数据处理能力等，能够满足本方案需求。

图3 信息处理单元原理

中波导航机本身只有发射功能，要想具备数字通信功能必须增加接收功能。本方案中采用单通道射频直接采样软件无线电接收机体系结构[2]，从天线接收到的射频信号先送入窄带电调滤波器，选择所需的信号进行放大，再经ADC采样后送至FPGA进行数据处理、信号解调、信道译码，获得所需的接收数据，最后经串口输出。中波导航机的最高工作频率小于1 MHz，目前市场上绝大多数的ADC芯片都满足对中波导航机射频信号直接采样技术性能的要求。因此，这里接收机方案采用射频直接采样软件无线电接收机体系结构。在接收前端窄带电调滤波器，是为了提高接收回路的信噪比，有利于提高接收机的抗干扰能力。

发射数据时，需要传输的数据信号经串口送至FPGA，FPGA先对数据信号进行信道编码，然后把编码好的数据信号进行MSK调制。FPGA输出的MSK信号经DAC转换成模拟射频信号，经放大后输出。

当工作在导航模式时，直接由FPGA产生导航机所需数字载波信号，经DAC转换成模拟射频信号，并经放大后输出。

2.2 数字调制技术

数字调制技术是对数字信号进行载波调制的技术，以使数字信号能在有限带宽的高频信道中传输。数字调制技术是数字通信系统的关键技术，其性能好坏关系到数字通信系统的性能优劣[3]。现有的数字调制技术包括QPSK、MSK、QAM和OFDM等。针对中波信道特点，本方案选取MSK作为数字调制方式。MSK（Minimum Shift Keying）称为最小移频键控，是一种具有连续相位的频移键控。MSK信号能量集中，99.5%的信号能量被限制在数据传输速率的1.5倍带宽内[4]，在带外产生的干扰小，因此适合于工作带宽窄（小于9 kHz）的中波信道。此外，MSK信号包络恒定，可以使用非线性电路。这样采用MSK作为数字通信改造的调制方式，既可以适应使用线性功放的中波导航机，也可以适应使用开关功放的中波导航机。

本方案中MSK信号的调制原理如图4所示。MSK调制模块分两部分实现。第一部分是MSK信号产生，由外部的二个频率控制字送给NCO的频控字选择端口，实现二进制数据信号频率选择输出，进而实现MSK信号的生成。第二部分是正交调制部分，MSK信号的同相分量和正交分量分别内插滤波在调制到载波上，最后相加输出MSK调制信号。

图4 MSK调制器原理

具体的技术实现分析如下。

同相分量I(t)的数学表达式为：

正交分量Q(t)的数学表达式为：

同相支路信号。由同相分量I(t)经过内插滤波器和载波cos(2πfct)相乘输出同相分量V1。

正交支路信号。由正交分量Q(t)经过内插滤波器和载波sin(2πfct)相乘输出反相分量V2。

V1和V2实现公式如下：

V1和V2经一个减法器相减后输出Vout：

这里的Vout就是所需的MSK调制信号。

2.3 信道编码

C0，并且由1个移位子模块移位输出；编码模块1在时钟频率下，对存储的数据按生成序列g1（171）8的规则生成输出序列C1，并且由1个移位子模块移位输出；并/串变换模块将C0和C1两路并行数据变换成一路串行数据C0C1。

图5 卷积编码器的结构

信道编码是对信源编码后的数据序列，按照一定的规则，人为加进若干位（称为校验位）组成新的数据序列。在接收端，可以按照已知的编码规则进行译码，对输出的数据序列进行检验和纠错。对数据序列进行信道编码，是为了使数据传输具有检查错误和纠正错误的能力，使得接收端可通过数据相关性进行检查和纠正。总之，信道编码的目的是提高数字信号传输的可靠性。

本方案中信道编码采用（2，1，7）卷积编码，编码结构如图5所示。它主要有四个模块构成：信息输入移位处理模块、编码模块0、编码模块1和并/串变换模块。其中，信息输入处理模块由6个移位子模块组成，在时钟频率下对输入的信息进行移位和存储；编码模块0在时钟频率下，对存储的数据按生成序列g0（133）8的规则生成输出序列

2.4 MSK解调

基于软件无线电体系架构的MSK信号数字化解调基本上都是采用数字化正交解调方案。本方案采用的MSK数字正交解调原理，如图6所示。从图6可以看出，输入的MSK数字信号先与数字载波正反相信号分别进行数字混频，再分别经过数字低通滤波器，获得同相分量数字信号和正交分量数字信号，然后利用基带解算算法对同相分量数字信号和正交分量数字信号进行一系列数学函数运算，最终获得所需的数据序列。也就是说，数字正交解调方案是利用软件无线电中的各种数学函数模型，对数字化的调制信号进行相应的数学运算来获得所需的数据信号。采用数字正交解调方案大大简化了硬件电路，解调过程由软件来完成，大大增加了灵活性。

图6 MSK解调原理

该解调方案的具体技术实现分析如下。

经过A/D采样的中波MSK信号的数学表达式为：

所以：

式中：

因此，MSK信号通过与正交载波相乘后，再经过低通滤波可取出I(n)、Q(n)，即所需的同相分量数字信号和正交分量数字信号。可以看出，它们包含了信号的相位信息，根据I(n)、Q(n)可以对MSK信号进行解调。

经数字正交混频和低通滤波后获得的同相支路和正交支路的两路正交数字基带信号，采用基带解调算法对两路正交数字基带信号进行数学运算，解算出信号的相位和频率。

先解调出相位：

再解调出频率：

最后经过位同步和抽样判决，可输出同步时钟和解调码元。

3 验证试验

3.1 导航功能验证

在进行通信功能试验前，先进行中波导航机的导航功能验证试验。用新设计的信息处理单元替换中波导航机原来使用的频率合成单元，并选择工作模式为导航模式。分别选取工作频率为150 kHz、300 kHz、700 kHz进行验证试验，在各试验频点上，中波导航机与发射天线配谐正常，导航信号正常，工作状态稳定。

3.2 数字通信验证

数字通信验证试验有室内有线验证试验和室外开路试验两个步骤。室内有线验证试验主要验证理想环境下数字通信功能，室外开路试验主要验证实际使用环境下的数字通信功能。

3.2.1 室内有线验证试验

把一台改造好的中波导航机的射频输出经衰减器衰减后接入信息处理单元的接收端。选择试验频点为150 kHz和800 kHz，在每个频点上按信息速率 37.5 b/s、75 b/s、150 b/s、300 b/s、600 b/s分别进行通信试验。试验结果显示，均能进行正常通信，数据接收解调正常且无误码。

3.2.2 室外开路试验

采用某机场的远距导航台的T型发射天线、中波导航机作为数字通信试验的发射端，用新设计的信息处理单元替换台站的频率合成单元。在距离该台站约20 km（直线距离）的地点，用6 m鞭T天线和信息处理单元进行接收。选择试验频点为150 kHz、210 kHz、255 kHz、300 kHz、500 kHz，在每个频点上按信息速率37.5 b/s、75 b/s、150 b/s、300 b/s、600 b/s分别进行通信试验。试验最高频点选取500 kHz而不是导航机的最高频率，是因为试验场地有500 kHz以上的中波电台信号。试验结果如表1所示。

表1 试验结果

从表1可以看出，在中波工作频段，由于中波通信使用的发射和接收天线远小于1/4波长，使得天线效率低，造成了发射端辐射电平小，接收端接收电平小，再加上中波频段的天电干扰和工业干扰十分严重，环境噪声电平高，使得接收端的信噪比低，造成在实际环境下数字通信效果差，在实际应用中需加以关注。

4 结 语

本文提出的中波导航机数字通信方案基于软件无线电体系架构，无需对中波导航机进行改动，只要更换频率合成单元使中波导航机具有数字通信功能，简单易行，代价小。从上述验证试验的结果来看，本文提出的中波导航机数字通信方案是可行的。另外，由于中波频率较低、可用带宽较窄、传输速率较低，中波通信不适宜用于大容量的数据传输。利用新技术对老设备进行升级改造而提升产品功能、性能具有现实意义。需要指出的是，本方案只对中波导航机实现数字通信功能进行了原理性研究，并验证了技术可行性，距离实际应用还需对提高接收机灵敏度、抗干扰能力做进一步研究。