短波數(shù)據(jù)傳輸 psk

1、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(xué)陜西西安710071; 2.深圳大學(xué)智能信息處理實(shí)驗(yàn)室廣東 深圳 518060)無(wú)線電短波是指波長(zhǎng)為10100 m的電磁波，其頻率為330 MHz。利用短波信道進(jìn) 行數(shù)據(jù)通信，具有傳輸距離遠(yuǎn)、受地形限制較小、不易遭受人為破壞等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng) 用前景。文章在對(duì)短波信道的特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)短波通信的主要工具短波電臺(tái) 進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種方案，用于組建一個(gè)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行遠(yuǎn)距 離數(shù)據(jù)傳輸，并根據(jù)此方案設(shè)計(jì)了基于DSP芯片的系統(tǒng)軟、硬件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)的功能。組網(wǎng)方案在設(shè)計(jì)組網(wǎng)方案時(shí)需要對(duì)

2、短波電臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，為了不影響電臺(tái)原有的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和功 能，本文方案設(shè)計(jì)了與短波電臺(tái)的音頻輸入輸出口相接口的硬件，在發(fā)送端先對(duì)數(shù)字信號(hào)做 音頻調(diào)制，再由電臺(tái)進(jìn)行二次調(diào)制到短波頻段上發(fā)送，在接收端經(jīng)過(guò)短波解調(diào)和音頻解調(diào)得 到數(shù)字信號(hào)。這種改進(jìn)方法適用于大多數(shù)具有語(yǔ)音通信功能的電臺(tái)，易于移植，具有良好的 經(jīng)濟(jì)性和通用性。采用了時(shí)分多址(TDMA)的方式，在某一時(shí)刻只有一個(gè)用戶發(fā)送信號(hào)，以獲得較好的信 噪比性能。在短波通信中產(chǎn)生的多徑時(shí)延，限制通報(bào)的碼元速率一般在200 b/s以下，本方 案設(shè)置碼元速率為100 b/s。選擇多進(jìn)制頻率鍵控(MFSK )的音頻調(diào)制方式，這種方式適合于在缺乏相位穩(wěn)定性的

3、信 道及衰落信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)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(diào)和平方率檢波的方法對(duì)MFSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)1，這種方法不需要估計(jì)載波的相 位，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。發(fā)送端在發(fā)送MFSK信號(hào)之前插入時(shí)域位同步導(dǎo)頻，用來(lái)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(guān)函數(shù)近似于沖擊函數(shù)的特性，使用與碼元等周 期的m序列音頻調(diào)制信號(hào)作為位同步導(dǎo)頻。接收端在進(jìn)行導(dǎo)頻檢測(cè)時(shí)，先對(duì)采樣得到的信 號(hào)進(jìn)行順序移位，再與本地序列做相關(guān)，在一個(gè)碼元周期內(nèi)，找到最大的相關(guān)結(jié)果與對(duì)應(yīng)的 時(shí)刻，認(rèn)為此時(shí)刻為碼元結(jié)束的時(shí)刻，并由此獲得位同步信息。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)硬件總

4、體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件以DSP芯片為核心，對(duì)信號(hào)主要進(jìn)行數(shù)字處理，把固定的硬件結(jié)構(gòu)和靈活的 軟件算法相結(jié)合，只通過(guò)修改軟件就可以實(shí)現(xiàn)方案的改進(jìn)和系統(tǒng)的升級(jí)，靈活簡(jiǎn)單、方便易 行。系統(tǒng)使用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320VC5402(簡(jiǎn)稱C5402)，是一款低功耗、高性 價(jià)比的16 b字長(zhǎng)定點(diǎn)DSP芯片，運(yùn)算速率可達(dá)100MI/S，具有高度靈活的可操作性和高速 的處理能力，在實(shí)時(shí)嵌入語(yǔ)音通信等方面得到了廣泛的應(yīng)用。(AU11VP*wn廠 IFHFltFiLJ| JiF.PRCA1l?Vt |cviiDj +nvinTLVISTILITWIM-： iAT* :時(shí)心；tLERk K-MSEJLPTTSi

5、ftAFilUKUllWtil l基儻耘件IK回系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括4個(gè)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(lái)完成數(shù)字信號(hào)處理算法;電源模塊利用了電 臺(tái)提供的12 V直流電壓，經(jīng)過(guò)兩級(jí)電源轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生穩(wěn)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(nèi)核電源，同時(shí)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(tái)音頻口連接，用來(lái)采樣音頻輸出信號(hào)和產(chǎn)生音頻模擬輸入信號(hào)，控 制電臺(tái)音頻輸入輸出轉(zhuǎn)換鍵控信號(hào)PTT;異步串行接口及EPROM模塊完成與信息錄入設(shè)備 通信，以及保存程序代碼并在復(fù)位時(shí)自行加

6、載。2.2模擬接口模塊設(shè)計(jì)圖 2 A 4), l A 芯片 1J DSP 建接 k R：系統(tǒng)硬件采用了 10 b并行A/D轉(zhuǎn)換器TLV1571，該芯片的采樣率最高可達(dá)1.25 MS/s， 功耗極低，具有2個(gè)軟件可配置的控制寄存器，由觸發(fā)信號(hào)控制所有的采樣、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸 出，接口和控制簡(jiǎn)單，采用了雙路8 b并行D/A轉(zhuǎn)換器TLC7528，該芯片設(shè)計(jì)成具有單獨(dú) 的片內(nèi)數(shù)據(jù)鎖存器，VDD=5 V時(shí)的建立時(shí)間為100 ns，傳輸延時(shí)為80 ns，并且可用工作位 電壓方式，數(shù)據(jù)鎖存與數(shù)模轉(zhuǎn)換同樣由觸發(fā)信號(hào)完全控制。他們與C5402的連接如圖2所 示。該模塊通過(guò)地址譯碼把TLV1571和TLC7528分別

7、映射到I/O空間的0 x0002和0 x0001， 保證在C5402訪問(wèn)數(shù)據(jù)總線時(shí)只有一個(gè)芯片處于選通狀態(tài)。在程序開(kāi)始時(shí)要對(duì)TLV1571的工作方式進(jìn)行初始化，通過(guò)寫(xiě)入控制字0X00C0和0 x0100,把他配置成使用內(nèi)部時(shí)鐘、軟件 啟動(dòng)采樣、二進(jìn)制輸出的模 式。C5402將串口引腳FSX0設(shè)置為通用輸出引腳，控制TLV1571的讀信號(hào)。在每次定時(shí)中斷中產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)D/A和A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)改 變定時(shí)中斷的頻率就可以靈活地更改采樣率和D/A轉(zhuǎn)換頻率。2.3異步串行接口及EPROM模塊設(shè)計(jì)異步串行接口及EPROM模塊與C5402的連接如圖3所示。株入杼：mir 礎(chǔ)EIU 針5芯片.EPR

8、M UOSPiHS；。、本方案利用了 C5402的緩沖串口 McBSP0的2個(gè)引腳：BDR0和BDX0作為通用的輸 入和輸出引腳，用來(lái)模擬異步串口，采用MAX232芯片將C5402輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為符 合RC232標(biāo)準(zhǔn)的電平，可以與遵循該標(biāo)準(zhǔn)的器件進(jìn)行通信。EPROM芯片采用了 AT29C512, 其存儲(chǔ)容量為64 k X8 b，用來(lái)存儲(chǔ)程序代碼和完成自舉加載。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)軟件總體流程程序開(kāi)始時(shí)，先要進(jìn)行初始化，對(duì)一些初始值和硬件狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，之后就進(jìn)入數(shù)據(jù)收 發(fā)的進(jìn)程中。接收中心首先發(fā)送一個(gè)“查詢”信號(hào)，開(kāi)始一次數(shù)據(jù)接收，并為整個(gè)通信網(wǎng)提 供定時(shí)的基準(zhǔn)。用戶檢測(cè)到“查詢”信號(hào)

9、后，如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則在屬于自己的時(shí)間段 內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。接收中心以一定的時(shí)間間隔不斷發(fā)送“查詢”信號(hào)，由此實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)傳輸。 軟件流程分別如圖4和圖5所示。Ki接收中心檢件譴程圖圖S 用戶耀秋件沌程哦3.2信號(hào)檢測(cè)算法流程設(shè)采樣率為f樣本/s,碼元速率為Rb/s,則對(duì)每個(gè)碼元采樣得到的點(diǎn)數(shù)為：N=f/R。在 DSP的RAM中設(shè)置一個(gè)滑窗，其長(zhǎng)度為N，用來(lái)保存采樣結(jié)果，每次采樣后用新樣本覆蓋 滑窗中最老的樣本，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。在RAM中預(yù)先保存了對(duì)導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化得到的 N點(diǎn)的本地導(dǎo)頻序列，以及對(duì)MFSK信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化得到的NXM的本地MFSK序列，并 開(kāi)辟N點(diǎn)的緩沖區(qū)用來(lái)保存做導(dǎo)頻檢測(cè)時(shí)

10、的相關(guān)結(jié)果。信號(hào)檢測(cè)算法的流程如圖6所示。在定時(shí)中斷中使人6肝本，更新批廊本地導(dǎo)麴序列曲川必.保存拮堆到 相關(guān)引燃飲冷區(qū)據(jù)歧人仙凸果的做胃.誠(chéng)祭窗由與AMFSKJ卜州相胸時(shí)齊*部慎敦振商畦也MFSKTI：tfl脾g.國(guó)劉lh或據(jù)Nfir 6 信號(hào)椀測(cè)第法很程圖4實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果作者根據(jù)組網(wǎng)方案和設(shè)計(jì)的軟、硬件，使用解放軍某工廠生產(chǎn)的邊海防短波電臺(tái)組建了 一個(gè)包含3個(gè)用戶，1個(gè)接收中心的星型網(wǎng)絡(luò)，并在此網(wǎng)絡(luò)上測(cè)試組網(wǎng)方案。實(shí)驗(yàn)設(shè)定波特率為100 Baud，采用4FSK信號(hào)調(diào)制方式，比特率達(dá)200 b/s;選擇m序列 的長(zhǎng)度為15,在每段數(shù)據(jù)信號(hào)之前，插入20個(gè)周期的位同步導(dǎo)頻。在接收端為了防止對(duì)于

11、同步導(dǎo)頻的漏檢和虛警，采取連續(xù)檢測(cè)到8個(gè)周期的導(dǎo)頻信號(hào)后，開(kāi)始對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行非相 干解調(diào)的方法，并根據(jù)平方率檢測(cè)器輸出的平方和結(jié)果的值的大小，判斷數(shù)據(jù)信號(hào)是否已經(jīng) 起始。根據(jù)用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，每個(gè)用戶分配給1 s的定時(shí)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)多用戶的組網(wǎng)。測(cè)試結(jié)果表明，所組建的短波電臺(tái)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，可以準(zhǔn)確地完成信息的發(fā)送和接收， 實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)的功能。5結(jié)語(yǔ)使用短波電臺(tái)組建無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。本文從短波信道和短波電 臺(tái)的特性出發(fā)，提出了一種采用時(shí)分多址(TDMA)，時(shí)分雙H(TDD)，多進(jìn)制頻率鍵控(MFSK) 的組網(wǎng)方案，并根據(jù)該方案設(shè)計(jì)了基于DSP芯片的系統(tǒng)軟、硬件，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)完成了 組網(wǎng)的功能。本方案已經(jīng)在解放軍某部組建的預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)中得到了應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1John G.Proakis.DigitalcommunicationsM.北京：電子工業(yè)出版社，2001.TI.TLV1571 data sheetDB/CD.200