基于GPS探空儀的通信系統設計與實(shí)現

在接收模式下，CC1020可看成是一個(gè)傳統的超外差接收機。RF輸入信號經(jīng)低噪聲放大器(LNA和LNA2)放大后，翻轉經(jīng)過(guò)積分器(I和Q)產(chǎn)生中頻IF信號。在中頻處理階段，I/Q信號經(jīng)混合濾波、放大后經(jīng)A/D轉化成數字信號，然后進(jìn)行自動(dòng)獲取控制、信道濾波、解調和二進(jìn)制同步化處理，在DIO引腳輸出解調數據。接收模塊通過(guò)單片機對CC1020寄存器進(jìn)行配置來(lái)完成接收模式。CC1020被設置為自動(dòng)功率上升序列狀態(tài)，將被一個(gè)喚起信號自動(dòng)進(jìn)行功率信號處理、檢測載波信號，單片機設置CC1020進(jìn)入接收模式，內置的位同步器將同步時(shí)鐘與引入數據同步，并進(jìn)行數據解碼，經(jīng)過(guò)數據濾波、位同步器和數據解碼等處理后輸出有效數據。單片機對數據進(jìn)行去除同步頭和結束符處理后，將數據通過(guò)串口傳送入計算機。將中頻濾波器帶寬設置為50kHz，查表得GFSK解調在誤碼率為10-2時(shí)信噪比要求為9 dB，根據計算，噪聲系數為1.6 dB，接收靈敏度按下式計算：

　　Smin =-114+NF+10lgB+S/N (1)

　　經(jīng)計算，接收靈敏度為-116 dBm，符合總體設計要求。

　　單片機還可以對接收信號強度指示器(RSSI)寄存器數據進(jìn)行讀取，折算成接收電平送入數碼管進(jìn)行顯示，可以直觀(guān)反映當前的接收電平。接收模塊的框圖見(jiàn)圖4。

饋線(xiàn)和低噪聲放大器的選擇

　　接收天線(xiàn)與接收機之間使用30米的SYV-50-5饋線(xiàn)，衰減約為10 dB。

　　低噪聲放大器的增益為20 dB, 噪聲系數為1.0 dB?？紤]到低噪放安放在饋線(xiàn)的后級會(huì )影響接收機的靈敏度，因此，需要將低噪放安裝在饋線(xiàn)的前級。

　　為了避免雷擊的危險，保障人員和設備的安全，我們在天線(xiàn)與饋線(xiàn)之間串聯(lián)了同軸電纜保護器，其插入損耗為0.3 dB。

　　關(guān)鍵指標的設計與計算

　　傳輸距離

　　接收通道總增益為20dB，發(fā)射天線(xiàn)增益Gt=-3 dBi，發(fā)射功率為Pt=200mW=23dBm，無(wú)線(xiàn)電波在空間傳輸，其自由空間損耗按下式計算：

　　Ls=32.45+20logf(MHz)+20logD(km) (2)

　　無(wú)線(xiàn)電波從發(fā)射模塊發(fā)射出去，經(jīng)過(guò)天線(xiàn)輻射，通過(guò)空中傳播，信號受到衰減，到達接收機時(shí)，接收場(chǎng)強電平將按下式計算：

　　Pr=Pt+Gt+Gr-Ls (3)

　　按總體指標要求，最大傳輸距離為200km時(shí)，自由空間損耗為L(cháng)s=130.6dB，則到達接收機的接收電平為-90 dBm。接收靈敏度為-115dBm，技術(shù)衰落儲備為25dB。技術(shù)衰落儲備越多，抗干擾能力越強，誤碼越少。

　　假設GPS探空儀離接收天線(xiàn)的最近距離為20m，自由空間損耗為L(cháng)s=50.6dB ，到達接收機的接收電平為-10dBm，接收機的飽和接收電平為10dBm，能夠滿(mǎn)足接收系統的近距離傳輸要求。

　　視距

　　無(wú)線(xiàn)電波的傳輸距離不僅僅取決于功率，既要求接收機有一定的技術(shù)衰落儲備，還受發(fā)射和接收天線(xiàn)高度的影響，即視距的影響。

　　由于受地球曲率的影響，兩個(gè)點(diǎn)(天線(xiàn)高度分別為Hm和hm)之間最大可視距離(視距)D(km)可按下式計算：

　上式已考慮大氣處于標準折射狀態(tài)，等效地球半徑為8493km。

　　本系統中，由于接收部分的天線(xiàn)架設在地面，發(fā)射部分的天線(xiàn)隨GPS探空儀在空中，假設接收天線(xiàn)架設高度為h=4m，因此，要使本系統的視距D達到200km，則GPS探空儀最低高度必須不低于2167m。

　　結語(yǔ)

　　本文論述的GPS探空儀的通信系統原理樣機已經(jīng)通過(guò)測試和試驗驗證，各項技術(shù)指標均符合設計要求。經(jīng)過(guò)GPS探空儀多次放飛和比對試驗，數據傳輸有效率達98%以上，最大傳輸距離大于200km，完全能夠符合GPS探空儀的通信要求。

　　為提高通信系統的可靠性，可以考慮采用適當的糾錯編碼技術(shù)來(lái)減少誤碼，這將在下一步的改進(jìn)設計中體現。