短波電臺無線數據傳輸網絡的組建

2019-11-03 09:02:30

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供稿：網友

王曉宇1，謝維信2，黃建軍2，黃敬雄2

　　（1．西安電子科技大學　陜西　西安　710071；

　　2．深圳大學　智能信息處理實驗室　廣東　深圳　518060）

　　摘　要：提出了一種適合于使用短波電臺組建無線數據傳輸網絡的方案，并根據此方案設計了基于DSP芯片的系統硬件和軟件。實驗證明該系統完成了組網的功能。

　　關鍵詞：短波電臺；無線數傳網絡；DSP；系統設計

　　無線電短波是指波長為10～100 m的電磁波，其頻率為3～30 MHz。利用短波信道進行數據通信，具有傳輸距離遠、受地形限制較小、不易遭受人為破壞等優點，有著廣闊的應用前景。文章在對短波信道的特性進行分析的基礎上，通過對短波通信的主要工具短波電臺進行改進，提出了一種方案，用于組建一個一點對多點的星型拓撲結構無線網絡，進行遠距離數據傳輸，并根據此方案設計了基于DSP芯片的系統軟、硬件。通過實驗測試，該系統實現了組網的功能。

　　1　組網方案

　　在設計組網方案時需要對短波電臺進行改進，為了不影響電臺原有的內部硬件結構和功能，本文方案設計了與短波電臺的音頻輸入輸出口相接口的硬件，在發送端先對數字信號做音頻調制，再由電臺進行二次調制到短波頻段上發送，在接收端經過短波解調和音頻解調得到數字信號。這種改進方法適用于大多數具有語音通信功能的電臺，易于移植，具有良好的經濟性和通用性。

　　采用了時分多址（TDMA）的方式，在某一時刻只有一個用戶發送信號，以獲得較好的信噪比性能。在短波通信中產生的多徑時延，限制通報的碼元速率一般在200 b／s以下，本方案設置碼元速率為100 b／s。

　　選擇多進制頻率鍵控（MFSK）的音頻調制方式，這種方式適合于在缺乏相位穩定性的信道及衰落信道上進行數據傳輸，而且充分利用了傳輸帶寬，提高了傳輸速率。在接收端使用非相干解調和平方率檢波的方法對MFSK信號進行解調［1］，這種方法不需要估計載波的相位，大大降低了系統的復雜度。

　　發送端在發送MFSK信號之前插入時域位同步導頻，用來幫助接收端獲取抽樣判決的位同步信息。本方案利用了m序列的自相關函數近似于沖擊函數的特性，使用與碼元等周期的m序列音頻調制信號作為位同步導頻。接收端在進行導頻檢測時，先對采樣得到的信號進行順序移位，再與本地序列做相關，在一個碼元周期內，找到最大的相關結果與對應的時刻，認為此時刻為碼元結束的時刻，并由此獲得位同步信息。

　　2　系統硬件設計

　　2．1　系統硬件總體結構

　　系統硬件以DSP芯片為核心，對信號主要進行數字處理，把固定的硬件結構和靈活的軟件算法相結合，只通過修改軟件就可以實現方案的改進和系統的升級，靈活簡單、方便易行。系統使用TI公司生產的DSP芯片TMS320VC5402（簡稱C5402），是一款低功耗、高性價比的16 b字長定點DSP芯片，運算速率可達100MI/s，具有高度靈活的可操作性和高速的處理能力，在實時嵌入語音通信等方面得到了廣泛的應用。

　　系統硬件結構如圖1所示。主要包括4個模塊：DSP模塊、電源模塊、模擬接口模塊和異步串行接口及EPROM模塊。DSP模塊用來完成數字信號處理算法；電源模塊利用了電臺提供的12 V直流電壓，經過兩級電源轉換，產生穩定的3．3 V和1．8 V的電壓輸出，分別提供給C5402作為I／O電源和內核電源，同時5 V的直流電壓也給電路板上的其他芯片供電；模擬接口模塊和電臺音頻口連接，用來采樣音頻輸出信號和產生音頻模擬輸入信號，控制電臺音頻輸入輸出轉換鍵控信號PTT；異步串行接口及EPROM模塊完成與信息錄入設備通信，以及保存程序代碼并在復位時自行加載。

　　2．2　模擬接口模塊設計

　　系統硬件采用了10 b并行A／D轉換器TLV1571，該芯片的采樣率最高可達1．25 MS／s，功耗極低，具有2個軟件可配置的控制寄存器，由觸發信號控制所有的采樣、轉換和數據輸出，接口和控制簡單，采用了雙路8 b并行D／A轉換器TLC7528，該芯片設計成具有單獨的片內數據鎖存器，VDD＝5 V時的建立時間為100 ns，傳輸延時為80 ns，并且可用工作位電壓方式，數據鎖存與數模轉換同樣由觸發信號完全控制。他們與C5402的連接如圖2所示。

　　該模塊通過地址譯碼把TLV1571和TLC7528分別映射到I／O空間的0x0002和0x0001，保證在C5402訪問數據總線時只有一個芯片處于選通狀態。在程序開始時要對TLV1571的工作方式進行初始化，通過寫入控制字0x00C0和0x0100，把他配置成使用內部時鐘、軟件啟動采樣、二進制輸出的模式［2］。C5402將串口引腳FSX0設置為通用輸出引腳，控制TLV1571的讀信號。在每次定時中斷中產生相應的觸發信號啟動D／A和A／D轉換，通過改變定時中斷的頻率就可以靈活地更改采樣率和D／A轉換頻率。

　　2．3　異步串行接口及EPROM模塊設計

　　異步串行接口及EPROM模塊與C5402的連接如圖3所示。

　　本方案利用了C5402的緩沖串口McBSP0的2個引腳：BDR0和BDX0作為通用的輸入和輸出引腳，用來模擬異步串口，采用MAX232芯片將C5402輸出的TTL電平轉換為符合RC232標準的電平，可以與遵循該標準的器件進行通信。EPROM芯片采用了AT29C512，其存儲容量為64 k×8 b，用來存儲程序代碼和完成自舉加載。

　　3　系統軟件設計

　　3．1　系統軟件總體流程

　　程序開始時，先要進行初始化，對一些初始值和硬件狀態進行設置，之后就進入數據收發的進程中。接收中心首先發送一個“查詢”信號，開始一次數據接收，并為整個通信網提供定時的基準。用戶檢測到“查詢”信號后，如果有數據需要發送，則在屬于自己的時間段內發送數據。接收中心以一定的時間間隔不斷發送“查詢”信號，由此實現雙向的數據傳輸。軟件流程分別如圖4和圖5所示。

　　3．2　信號檢測算法流程

　　設采樣率為f樣本／s，碼元速率為Rb／s，則對每個碼元采樣得到的點數為：N＝f／R。在DSP的RAM中設置一個滑窗，其長度為N，用來保存采樣結果，每次采樣后用新樣本覆蓋滑窗中最老的樣本，實現數據的更新。在RAM中預先保存了對導頻信號進行數字化得到的N點的本地導頻序列，以及對MFSK信號進行數字化得到的N×M的本地MFSK序列，并開辟N點的緩沖區用來保存做導頻檢測時的相關結果。信號檢測算法的流程如圖6所示。

　　4　實驗測試結果

　　作者根據組網方案和設計的軟、硬件，使用解放軍某工廠生產的邊海防短波電臺組建了一個包含3個用戶，1個接收中心的星型網絡，并在此網絡上測試組網方案。

　　實驗設定波特率為100 Baud，采用4FSK信號調制方式，比特率達200 b／s；選擇m序列的長度為15，在每段數據信號之前，插入20個周期的位同步導頻。在接收端為了防止對于同步導頻的漏檢和虛警，采取連續檢測到8個周期的導頻信號后，開始對接收信號進行非相干解調的方法，并根據平方率檢測器輸出的平方和結果的值的大小，判斷數據信號是否已經起始。根據用戶數據長度，每個用戶分配給1 s的定時時間，實現多用戶的組網。

　　測試結果表明，所組建的短波電臺無線數傳網絡，可以準確地完成信息的發送和接收，實現了組網的功能。

　　5　結　語

　　使用短波電臺組建無線數傳網絡是一項具有現實意義的工作。本文從短波信道和短波電臺的特性出發，提出了一種采用時分多址（TDMA），時分雙工（TDD），多進制頻率鍵控（MFSK）的組網方案，并根據該方案設計了基于DSP芯片的系統軟、硬件，實驗證明該系統完成了組網的功能。本方案已經在解放軍某部組建的預警信息網絡中得到了應用。

　　參考文獻

　　［1］John G．Proakis．Digitalcommunications［M］．北京：電子工業出版社，2001．

　　［2］TI．TLV1571 data sheet［DB／CD］．2000．

　　［3］張雄偉，曹鐵勇．DSP芯片的原理與開發應用［M］．北京：電子工業出版社，2000．

　　［4］TI．TMS320C54x DSPreference set．Volume 1：CPU and Peripherals［DB／CD］，1999．

摘自現代電子技術

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