短波電臺(tái)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的組建

無(wú)線電短波是指波長(zhǎng)為10～100 m的電磁波，其頻率為3～30 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。

　　1　組網(wǎng)方案

　　在設(shè)計(jì)組網(wǎng)方案時(shí)需要對(duì)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。

　　2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1　系統(tǒng)硬件總體結(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。

　　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)自行加載。

　　2．2　模擬接口模塊設(shè)計(jì)

　　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分別映射到I／O空間的0x0002和0x0001，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)寫入控制字0x00C0和0x0100，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［2］。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。

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×8 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)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。

　　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N×M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)的相關(guān)結(jié)果。信號(hào)檢測(cè)算法的流程如圖6所示。

　　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)分雙工（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。