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短波電臺無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的組建

作者: 時間:2012-03-08 來源:網(wǎng)絡 收藏

是指波長為10~100 m的電磁波,其頻率為3~30 MHz。利用信道進行數(shù)據(jù)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(yōu)點,有著廣闊的應用前景。文章在對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網(wǎng)絡,進行遠距離,并根據(jù)此方案設計了基于DSP芯片的系統(tǒng)軟、硬件。通過實驗測試,該系統(tǒng)實現(xiàn)了組網(wǎng)的功能。

  1 組網(wǎng)方案

  在設計組網(wǎng)方案時需要對短波進行改進,為了不影響原有的內(nèi)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(fā)送端先對數(shù)字信號做音頻調(diào)制,再由電臺進行二次調(diào)制到短波頻段上發(fā)送,在接收端經(jīng)過短波解調(diào)和音頻解調(diào)得到數(shù)字信號。這種改進方法適用于大多數(shù)具有語音通信功能的電臺,易于移植,具有良好的經(jīng)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(fā)送信號,以獲得較好的信噪比性能。在短波通信中產(chǎn)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(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行,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MFSK信號進行解調(diào)[1],這種方法不需要估計載波的相位,大大降低了系統(tǒng)的復雜度。

  發(fā)送端在發(fā)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(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(nèi),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(tǒng)硬件設計

  2.1 系統(tǒng)硬件總體結構

  系統(tǒng)硬件以DSP芯片為核心,對信號主要進行數(shù)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(xiàn)方案的改進和系統(tǒng)的升級,靈活簡單、方便易行。系統(tǒng)使用TI公司生產(chǎn)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(tǒng)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(shù)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(jīng)過兩級電源轉換,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(chǎn)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。

短波電臺無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的組建

  2.2 模擬接口模塊設計

  系統(tǒng)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(fā)信號控制所有的采樣、轉換和數(shù)據(jù)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(nèi)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鎖存與數(shù)模轉換同樣由觸發(fā)信號完全控制。他們與C5402的連接如圖2所示。

短波電臺無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的組建

  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(shù)據(jù)總線時只有一個芯片處于選通狀態(tài)。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(nèi)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(chǎn)生相應的觸發(fā)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。

短波電臺無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的組建

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(tǒng)軟件設計

  3.1 系統(tǒng)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(tài)進行設置,之后就進入數(shù)據(jù)收發(fā)的進程中。接收中心首先發(fā)送一個“查詢”信號,開始一次數(shù)據(jù)接收,并為整個通信網(wǎng)提供定時的基準。用戶檢測到“查詢”信號后,如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送,則在屬于自己的時間段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。接收中心以一定的時間間隔不斷發(fā)送“查詢”信號,由此實現(xiàn)雙向的。軟件流程分別如圖4和圖5所示。

短波電臺無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的組建

短波電臺無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的組建

  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(shù)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(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。在RAM中預先保存了對導頻信號進行數(shù)字化得到的N點的本地導頻序列,以及對MFSK信號進行數(shù)字化得到的N×M的本地MFSK序列,并開辟N 點的緩沖區(qū)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(jù)組網(wǎng)方案和設計的軟、硬件,使用解放軍某工廠生產(chǎn)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(wǎng)絡,并在此網(wǎng)絡上測試組網(wǎng)方案。

  實驗設定波特率為100 Baud,采用4FSK信號調(diào)制方式,比特率達200 b/s;選擇m序列的長度為15,在每段數(shù)據(jù)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(xù)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(diào)的方法,并根據(jù)平方率檢測器輸出的平方和結果的值的大小,判斷數(shù)據(jù)信號是否已經(jīng)起始。根據(jù)用戶數(shù)據(jù)長度,每個用戶分配給1 s的定時時間,實現(xiàn)多用戶的組網(wǎng)。

  測試結果表明,所組建的短波電臺數(shù)傳網(wǎng)絡,可以準確地完成信息的發(fā)送和接收,實現(xiàn)了組網(wǎng)的功能。

  5 結 語

  使用短波電臺組建無線數(shù)傳網(wǎng)絡是一項具有現(xiàn)實意義的工作。本文從短波信道和短波電臺的特性出發(fā),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(wǎng)方案,并根據(jù)該方案設計了基于DSP芯片的系統(tǒng)軟、硬件,實驗證明該系統(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警信息網(wǎng)絡中得到了應用。



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