基于DSP組建短波電臺無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計

摘    要：本文提出了一種使用短波電臺組建無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的方案。根據(jù)此方案設(shè)計了基于DSP芯片的系統(tǒng)硬件和軟件，并論述了軟、硬件設(shè)計中的一些關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞：短波電臺；無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；DSP

引言
利用短波信道進行數(shù)據(jù)通信，具有傳輸距離遠、受地形限制小、不易遭受人為破壞等優(yōu)點。本文通過對短波電臺進行改進，提出了一種方案，用于組建一個一點對多點的星型拓撲結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。并根據(jù)此方案設(shè)計了基于DSP的系統(tǒng)軟、硬件。

組網(wǎng)方案
在設(shè)計組網(wǎng)方案時需要對短波電臺進行改進，為了不影響電臺原有的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和功能，本方案設(shè)計了與短波電臺音頻輸入/輸出的接口硬件。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)得到原始的數(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。
短波信道的特性直接影響組網(wǎng)方案的選擇。由于短波通信的傳輸距離較遠，受到的噪聲干擾較強，所以本文采用了時分多址(TDMA)方式，使得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。在音頻調(diào)制方式上，選擇了多進制頻率鍵控(MFSK)。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)，這種方法不需要估計載波的相位，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。發(fā)送端在發(fā)送MFSK信號之前插入時域位同步導(dǎo)頻，用來幫助接收端獲取抽樣判決的位同步信息。本文利用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)制信號作為位同步導(dǎo)頻。接收端在進行導(dǎo)頻檢測時，先對采樣得到的信號進行順序移位，再與本地序列作相關(guān)處理，在一個碼元周期內(nèi)，找到最大的相關(guān)結(jié)果與對應(yīng)的時刻，作為碼元結(jié)束的時刻，并由此獲得位同步信息。這種方法的優(yōu)點在于：無需增加額外的位同步提取電路，直接進行數(shù)字處理即可。
 
系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括五個模塊：DSP模塊、電源模塊、模擬接口模塊、異步串行接口及EPROM模塊和PCI接口模塊。DSP模塊是系統(tǒng)的核心，用來完成數(shù)字信號處理算法，本文采用TMS3201VC5402(簡稱C5402)；電源模塊利用了電臺提供的12V直流電壓，經(jīng)過兩級電源轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生穩(wěn)定的3.3V和1.8V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，5V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(zhuǎn)換鍵控信號PTT；異步串行接口及EPROM模塊僅在用戶端使用，完成與信息錄入設(shè)備通信及保存用戶端的程序代碼 ,并在復(fù)位時自舉加載；PCI接口模塊僅在接收中心端使用，完成與PC機通信及接收中心端程序的自舉加載。
模擬接口模塊設(shè)計
系統(tǒng)采用10位并行A/D轉(zhuǎn)換器TLV1571，該芯片的采樣率最高可達1.25MSPS，功耗極低，具有兩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(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出。采用雙路8位并行D/A轉(zhuǎn)換器TLC7528，該芯片設(shè)計成具有單獨的片內(nèi)數(shù)據(jù)鎖存器，VDD=5V時的建立時間為100ns，傳輸延時為80ns，數(shù)據(jù)鎖存與D/A轉(zhuǎn)換同樣由觸發(fā)信號完全控制。它們與C5402的連接如圖2所示。
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，把它配置成為使用內(nèi)部時鐘、軟件啟動采樣、二進制輸出的模式。C5402將串口引腳FSX0設(shè)置為通用輸出引腳，控制TLV1571的讀信號/RD。在每次定時中斷中產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)信號啟動D/A和A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換頻率。
PCI接口模塊設(shè)計
PCI接口模塊采用了DSP-PCI橋芯片PCI2040，該芯片通過C5402上的8位并行主機接口(HPI)與DSP實現(xiàn)無縫連接，并且提供了標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線目標(biāo)接口。PCI2040與C5402的連接如圖3所示。
在設(shè)計PCI2040與C5402的接口電路時，除了連接相應(yīng)的數(shù)據(jù)線、地址線和控制線，還要把PCI2040上的主機到DSP的復(fù)位信號引腳/HRST0連接到C5402的復(fù)位信號引腳/RS上，由用戶程序通過PCI2040控制C5402的復(fù)位，并且把C5402的/HINT引腳和/INT2引腳相連接，保證接收中心的DSP在復(fù)位時正確選擇HPI自舉加載的方式。
異步串行接口及EPROM模塊設(shè)計
異步串行通信接口模塊采用MAX232將C5402輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平，可以與遵循該標(biāo)準(zhǔn)的器件進行通信。本方案利用了C5402的緩沖串口McBSP0的兩個引腳——DR0和DX0作為通用的輸入和輸出引腳，用來模擬異步串口。
EPROM芯片采用了AT29C512，其存儲容量為。在用戶端要把DSP的復(fù)位信號/RS通過開關(guān)和DVDD連接，手動地產(chǎn)生復(fù)位信號，并斷開 /HINT和/INT2的連接，以便在復(fù)位時程序可以由EPROM正確地加載。

系統(tǒng)軟件設(shè)計
信號檢測算法流程
設(shè)采樣率為f，碼元速率為R，則對每個碼元采樣得到的點數(shù)為：N=f/R。在DSP的RAM中設(shè)置一個滑窗，其長度為N，用來保存采樣結(jié)果，每次采樣后用新樣本覆蓋滑窗中最老的樣本，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。在RAM中預(yù)先保存了對導(dǎo)頻信號進行數(shù)字化處理所得到的N點本地導(dǎo)頻序列，以及對MFSK信號進行數(shù)字化處理所得到的本地MFSK序列，并開辟N點的緩沖區(qū)，用來保存導(dǎo)頻檢測結(jié)果。
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(shè)置，之后就進入數(shù)據(jù)收發(fā)進程。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(zhǔn)。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)雙向的數(shù)據(jù)傳輸。軟件流程分別如圖4、5所示。

實驗測試結(jié)果
根據(jù)組網(wǎng)方案和設(shè)計的軟、硬件，本文使用短波電臺組建了一個包含三個用戶、一個接收中心的星型網(wǎng)絡(luò)，并在此網(wǎng)絡(luò)上測試組網(wǎng)方案。
在進行數(shù)據(jù)收發(fā)之前，使用短波電臺提供的自動選頻功能，進行實時選頻，建立各個用戶與接收中心之間較高質(zhì)量的無線短波信道。實驗設(shè)定碼元速率為100波特，采用4FSK信號調(diào)制方式，比特率達到了200bps；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(dǎo)頻。為了防止對于同步導(dǎo)頻的漏檢和虛警，在接收端采取連續(xù)檢測到8個周期的導(dǎo)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(jié)果的大小，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1s的定時時間，實現(xiàn)多用戶的組網(wǎng)。
測試結(jié)果表明，所組建的短波電臺無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以準(zhǔn)確地完成信息的發(fā)送和接收，實現(xiàn)了組網(wǎng)的功能。

結(jié)語
本文從短波信道和短波電臺的特性出發(fā)，通過仔細分析論證，提出了一種采用時分多址，時分雙工，多進制頻率鍵控的組網(wǎng)方案，并根據(jù)該方案設(shè)計了基于DSP的軟、硬件。通過實驗，證明該方案完成了組網(wǎng)的功能?！?/P>

參考文獻
1 John G. Proakis. Digital Communications [M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2001
2 John G. Proakis, Masound Salehi. 現(xiàn)代通信系統(tǒng)——使用MATLAB [M]. (劉樹棠譯) 西安：西安交通大學(xué)出版社，2001
3 張雄偉，曹鐵勇. DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2000
4 TI. PCI2040 PCI-DSP Bridge Controller Data Manual [DB/CD]，1999