基于GPS探空儀的通信系統(tǒng)設計與實現

　引言

　　在眾多的高空探測手段中，GPS探空儀作為一種新型的探測手段，具有全球覆蓋、費用低廉、探測精度高、垂直分辨率高等特點，越來越被氣象、水利、民航等業(yè)務部門廣泛地應用，具有巨大的市場需求。因此，開發(fā)GPS探空儀具有良好的經濟效益和社會效益。

　　GPS探空儀的通信系統(tǒng)設計就是將GPS探空儀實時探測的溫度、濕度、壓力和GPS定位數據經過編碼和數字調制，經功率放大器放大為數字射頻信號后從空中傳回接收機，接收機對收到的信號進行解調和解碼處理后再傳送至計算機進行數據處理。

　　通信系統(tǒng)的設計與實現

　　本通信系統(tǒng)由發(fā)射部分和接收部分組成，工作方式為單工。發(fā)射部分由發(fā)射模塊和發(fā)射天線組成，接收部分由接收天線、室外云臺、電纜保護器、低噪聲放大器、30米饋線和接收模塊組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　天線設計

　　天線是通信系統(tǒng)的重要組成部分。在高空中，由于風速較大和風向不確定，發(fā)射天線采用1/4λ柔軟電纜制成的全向天線，接收電平波動較小，其增益約為-3 dBi，長度約為17.7cm(使用前必須嚴格測試其駐波比，根據駐波情況適當增減長度)。經過GPS探空儀多次放飛試驗證明，采用1/4λ柔軟電纜制成的發(fā)射天線，既能收到很好的接收效果，又能節(jié)約大量的成本。

　　接收天線采用波束寬度比較寬(水平面波瓣寬度為65o，垂直面波瓣寬度為53o)，增益達10dBi的八木定向天線。由于GPS探空儀在升空過程中具有方位不確定性，因此，接收天線必須帶伺服跟蹤機構。采用八木天線目的就是降低伺服跟蹤的復雜度，減少設備量。

　　實際應用中，由于接收天線較輕、波束寬度較寬，因此，選用了云臺作為伺服跟蹤機構。云臺解碼器控制室外云臺旋轉，與計算機之間的通訊采用RS-485電平，支持長線傳輸，采用PELCO-D協議。圖2為室外云臺的控制過程示意圖。

　　發(fā)射、接收模塊

　　在發(fā)射、接收模塊設計中，采用無線收發(fā)芯片進行數據傳輸是一個很好的選擇，具有成本小、集成度高、易實現等特點。從工作頻率和接收靈敏度等方面考慮，本設計采用Chipcon公司的CC1020芯片，調制方式為GFSK。CC1020是一種理想的單片可編程RF收發(fā)芯片，專用于低功率和低電壓類無線電產品，特別應用于窄帶系統(tǒng)，通過編程使其工作在300~1000MHz。它集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、GFSK調制解調、可編程控制等多種功能，主要工作參數能通過串行總線接口編程改變。

　在發(fā)射模式下，合成的RF信號直接饋送到功率放大器PA，射頻輸出的GFSK信號是由饋送到DIO引腳的基帶信號通過GFSK調制產生的。發(fā)射模塊要得到200mW的輸出功率，必須使用小功率放大器驅動輸出。考慮到設計及調試的方便性，采用WJ公司的集成單片放大器ECG003。ECG003是一種高動態(tài)通用放大器，采用InGaP/GaAS HBT技術，ECG003的P1dB為24dBm，Gain為20dB，CC1020輸出僅需要3dBm就可以了。軟件分為CC1020發(fā)射模式配置軟件和數據幀編碼軟件，發(fā)射模式配置軟件是單片機通過對CC1020寄存器進行配置來完成的，數據幀編碼軟件是將傳輸的數據加上同步頭和結束符組裝成幀后送入發(fā)射機變成射頻數據發(fā)射出去。同步頭因數據格式為異步UART模式，應選用AAAA33CC這樣非連0或連1的字節(jié)，以便接收穩(wěn)定的直流電平。單片機選用Atmel公司的ATmega8L，其芯片內部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具有高性能、低價格特點，可以使用C語言進行編程開發(fā)。發(fā)射模塊的框圖見圖3。