設(shè)計(jì)具有ARQ功能的全雙工數(shù)據(jù)電臺(tái)

摘要：對(duì)一般的HF電臺(tái)和VHF/UHF電臺(tái)而言，它們采用半雙工的工作方式，要實(shí)現(xiàn)ARQ功能，電臺(tái)必須進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換，犧牲了系統(tǒng)資源。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)電臺(tái)采用TDD（Time-Division Duplex）協(xié)議，利用MCU、擴(kuò)頻芯片W9310及射頻模塊W9306構(gòu)成全雙工數(shù)據(jù)電臺(tái)，為系統(tǒng)提供全雙工信道，用戶在DTE終端設(shè)備通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)ARQ功能。

關(guān)鍵詞：半以工/全雙工 ARQ 數(shù)據(jù)電臺(tái) TDD協(xié)議

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由全雙工數(shù)據(jù)電臺(tái)和用戶的DTE終端設(shè)備組成，框圖如圖1所示。

全雙工數(shù)據(jù)電臺(tái)提供數(shù)傳通道，全雙工最大傳輸速率為64kb/s，ARQ功能由DTE終端通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。

2 數(shù)據(jù)電臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

全雙工數(shù)據(jù)電臺(tái)由MCU 89C51、擴(kuò)頻芯片W9310、射頻模塊W9360、MAX238（RS232接口芯片）、擴(kuò)展并口8255及電臺(tái)的參數(shù)設(shè)置、波道顯示等電路組成，如圖2所示。

W9310為直接序列擴(kuò)頻加解擴(kuò)和數(shù)據(jù)處理芯片，它內(nèi)部包括6個(gè)功能模塊：

*串行總線接口SBI―與MCU實(shí)現(xiàn)雙向通信；

*接收機(jī)―完成擴(kuò)頻接收機(jī)的所有數(shù)字信號(hào)處理功能；

*發(fā)射機(jī)―產(chǎn)生擴(kuò)頻的PN碼，并將加擴(kuò)結(jié)果輸出到射頻模塊W9360；

*TDD控制器―實(shí)現(xiàn)TDD協(xié)議和各種握手信號(hào)、接口信號(hào)；

*發(fā)送和接收的FIFO―作為發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的緩沖器；

*主時(shí)鐘產(chǎn)生器―產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)W9310各模塊的時(shí)鐘信號(hào)。

圖2中，各部分的作用是：

*MAX238為4入/4出的RS232接口芯片，實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換。

*W9310的串口信號(hào)線（RTS、CTS、DCD、DTR、DSR、TXD、RXD）通過MAX238與DTE終端相接。另外，W9310為用戶提供接收時(shí)鐘（FCLK_RT）和發(fā)送時(shí)鐘（MHZ2_ST），在MHZ2_ST的上升沿采樣Tx引腳上的信號(hào)，在FCLK_RT的下降沿采樣Rx引腳上的信號(hào)。

*W9310與射頻模塊W9360的接口信號(hào)線有：DI、MODOUT、PLLSW、TXEN和RFPWR。其中，DI是W9360接收機(jī)送來的解調(diào)信號(hào)；MODOUT是W9310擴(kuò)頻后的基帶信號(hào)，它輸出給W9360射頻模塊；TXEN控制射頻模塊的收/發(fā)轉(zhuǎn)換；PLLSW用來切換電臺(tái)的PLL；REPWR控制發(fā)射機(jī)功放電源的開關(guān)。

*89C51通過8255讀取電臺(tái)的工作參數(shù)設(shè)置，包括：全雙工/半雙工、發(fā)射的高/低功率、PN碼組、同步特字UW（Unique Word）、主叫方/被叫方、電臺(tái)的工作波道等；89C51在讀取電臺(tái)的工作參數(shù)后，通過它的P1口設(shè)置W9310、W9360的相應(yīng)寄存器并將相關(guān)的引腳設(shè)置為高、低電平；89C51通過8255將當(dāng)前工作的波道號(hào)送LED顯示，電臺(tái)的各種工作狀態(tài)指示送發(fā)送二極管顯示。

*W9360模塊提供基帶到RF和RF到基帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換，模塊內(nèi)Philips公司生產(chǎn)的UMA1015M雙頻率全臺(tái)器及兩個(gè)VCO，組成發(fā)送、接收波道選擇的兩個(gè)鎖相環(huán)。MCU根據(jù)設(shè)置的波道通過串口編程UMA1015M的控制寄存器。

綜合以上內(nèi)容，圖3給出了DTE終端、MAX238、W9130和W9360的連線圖。

DTE與數(shù)據(jù)電臺(tái)的數(shù)口信號(hào)完全符合RS232C標(biāo)準(zhǔn)。在開始數(shù)據(jù)通信前，用戶必須使RTS、DTR信號(hào)有效，主叫方和被叫方完成捕獲突發(fā)幀和空閑突發(fā)幀交換后，W9310使CTS有效，表示W(wǎng)9310已準(zhǔn)備好傳送Tx引腳上的數(shù)據(jù)；DCD信號(hào)有效時(shí)，表示W(wǎng)9310將接收的數(shù)據(jù)送到Rx引腳上。全雙工接口時(shí)序如圖4所示（假設(shè)RTS、DTR有效）。

3 TDD協(xié)議原理

W9310通過TDD協(xié)議實(shí)現(xiàn)全雙工。TDD協(xié)議將W9310輪流設(shè)置為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，當(dāng)兩部電臺(tái)通信時(shí)，一部為主叫方，另一部為被叫方。TDD協(xié)議保證主叫方發(fā)送時(shí)，被叫方接收，反之亦然。對(duì)用戶而言，他們只關(guān)心在保證要求的傳輸速率下，電臺(tái)是否全雙工工作，所以，W9310的實(shí)際傳輸速率要高于用戶的數(shù)據(jù)速率。理想情況下，假設(shè)W9310的傳輸效率100%，而且不附加任何同步數(shù)據(jù)，那么，它的收發(fā)速率是用戶數(shù)據(jù)速率的2倍，一半時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)，一半時(shí)間接收數(shù)據(jù)。但實(shí)際情況是，W9310為保持同步，它要在用戶的數(shù)據(jù)前添加同步開銷數(shù)據(jù)，所以，它的實(shí)際傳輸速率是用戶速率的2.6倍。

TDD協(xié)議中用到捕獲突發(fā)幀、空閑突發(fā)幀和數(shù)據(jù)幀三種幀結(jié)構(gòu)，圖5為它們的結(jié)構(gòu)圖。

幀中各部分的位數(shù)如表1所列。

表1

TDD協(xié)議的工作過程如下：

開始時(shí)，TDD協(xié)議使用一種特殊的握手過程，通信雙方建立同步。主叫方首先發(fā)送捕獲突發(fā)幀，被叫方正確接收后，向主叫方發(fā)送捕獲突發(fā)幀作為響應(yīng)；主叫方收到被叫方的捕獲突發(fā)幀后，發(fā)送空閑發(fā)幀，被叫方收到空閑突發(fā)幀后，作為對(duì)主叫方的響應(yīng)，被叫方也向主叫方發(fā)送空閑突發(fā)幀；主叫方收到被叫方的空閑突發(fā)幀后，認(rèn)為通信雙方已完成同步，通信鏈路已建立，在隨后的通信中，雙方開始傳送數(shù)據(jù)。TDD協(xié)議的工作過程如圖6所示。

在TDD協(xié)議工作過程中，接收機(jī)要經(jīng)過幾個(gè)階段。當(dāng)正確接收捕獲突發(fā)幀中的4個(gè)特字UW后，接收機(jī)的LOCK輸出信號(hào)有效；當(dāng)正確接收突閑突發(fā)幀后，接收同的RLOCK輸出信號(hào)有效。隨后，接收機(jī)的工作過程W9310內(nèi)部寄存器中的工作狀態(tài)位的設(shè)置有關(guān)，分兩種工作情況。當(dāng)工作狀態(tài)位關(guān)閉時(shí)，一旦檢測(cè)不到特字UW，傳輸就停止，接收機(jī)等待新的捕獲突發(fā)幀，發(fā)射機(jī)開始不停地發(fā)送捕獲突發(fā)帖，直到接收到接收機(jī)發(fā)送的捕獲突發(fā)幀；當(dāng)工作狀態(tài)位打開時(shí)，接收機(jī)在檢測(cè)不到特字UW時(shí)，并不是馬上使輸出信號(hào)LOCK無效，而是在連續(xù)兩次檢測(cè)不到特字UW時(shí)才使輸出信號(hào)LOCK無效。接收機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖7所示。

圖7中，UW4DET表示正確接收到捕獲突發(fā)幀中的4個(gè)特字UW；當(dāng)正確接收到空閑突發(fā)幀和數(shù)據(jù)幀中的特字UW時(shí)，UWDET有效；MSB表示W(wǎng)9310設(shè)置成主叫方（=1）還是被叫方（=0）；接收機(jī)內(nèi)部鎖相環(huán)鎖相時(shí)，NMODE有效。

4 數(shù)據(jù)電臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

圖8為數(shù)據(jù)電臺(tái)的軟件流程圖。電臺(tái)面板上有一個(gè)建鏈/拆鏈按鈕，每按一次，建鏈/拆鏈交換一次，且按鈕的一方為主叫方。W9310建立鏈路有兩個(gè)條件：一個(gè)是DTR信號(hào)有效，DTE加電后，提供給電臺(tái)；另一個(gè)是要設(shè)置W9310片內(nèi)的主叫方/被叫方的標(biāo)志位MASTER=1。一旦滿足上述兩個(gè)條件，W9310立即與被叫方開始建立鏈路。定時(shí)器中斷子程序根據(jù)按鈕是否有動(dòng)作，而決定是否設(shè)置鏈路建立標(biāo)志位，供主程序查詢；主程序根據(jù)鏈路建立標(biāo)志位，結(jié)合鏈路狀態(tài)標(biāo)志位決定是建鏈還是拆鏈。

5 ARQ方式的三種形式

ARQ的作用原則是對(duì)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀自動(dòng)重發(fā)，它有三種形式：停等協(xié)議ARQ、連續(xù)ARQ和選擇重傳ARQ。

（1）停等協(xié)議ARQ

*發(fā)方發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，必須等待收方的確認(rèn)幀才可以發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀；

*在收方接收錯(cuò)誤時(shí)，收方發(fā)一否認(rèn)幀，要求發(fā)方重發(fā)該幀；

*為防止發(fā)送的數(shù)據(jù)丟失，發(fā)方內(nèi)部設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)超過定時(shí)時(shí)間發(fā)方仍未收到確認(rèn)幀時(shí)，發(fā)方重發(fā)該幀；

*為防止確認(rèn)幀丟失而造成發(fā)方重發(fā)同一數(shù)據(jù)幀，發(fā)方給每一個(gè)數(shù)據(jù)幀帶上一個(gè)序列號(hào)。

（2）連續(xù)ARQ

連續(xù)ARQ是連續(xù)發(fā)送若干數(shù)據(jù)帖，如果接收到收端的確認(rèn)幀，則繼續(xù)發(fā)送；發(fā)方在每發(fā)完一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，就啟動(dòng)內(nèi)部超過定時(shí)器，在設(shè)置的超時(shí)時(shí)間內(nèi)未收到確認(rèn)幀，則重發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。

圖8 數(shù)據(jù)電臺(tái)的軟件流程圖

（3）選擇重傳ARQ

這種方式只重傳出現(xiàn)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀或定時(shí)器超時(shí)的數(shù)據(jù)幀。

三種方法各有利弊，停等協(xié)議ARQ最簡單，便信道利用率最低；選擇重傳ARQ信道利用率最高，但它要求接收端的緩沖容量相當(dāng)大；連續(xù)ARQ介于兩者之間。在應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇。

6 應(yīng)用與結(jié)論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有ARQ功能的全雙工數(shù)據(jù)電臺(tái)可廣泛應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，由于它具有極低的誤碼率，且傳輸速率可達(dá)64kb/s，因而在要求可靠傳輸?shù)沫h(huán)境中，具有很好的應(yīng)用前景。