基于一種DRM短波通信設備的應用研究

　　0引言

　　短波All廣播覆蓋范圍大、傳輸距離遠、接收機簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，一直被世界各國作為首選信息傳播的技術(shù)手段。由于技術(shù)的限制，傳統調幅廣播節目的單一性，易遭受由于電離層變化和頻率選擇性衰落而導致的固有傳輸干擾，收聽(tīng)聲音質(zhì)量不高等缺點(diǎn)愈加突出。為了將AM波段的模擬調幅廣播數字化，DRM（世界數字廣播組織）與世界各國建立了世界通用的數字AM廣播標準，并推廣數字AM廣播技術(shù)。

　　1系統總體設計

　　短波DRM通信系統包括4部分，人機交互界面、信源部分、信道部分部分和收發(fā)信機部分?？傮w設計框圖如圖1所示：

　　1.1人機界面部分

　　人機界面部分由液晶顯示器、按鍵組成。液晶顯示器旁邊設置一組按鍵，通過(guò)按鍵輸入相應的參數。人機界面采用成本低廉且外圍簡(jiǎn)單的單片機完成屏幕控制和按鍵檢測，并將設置和改動(dòng)的結果發(fā)送給單板計算機。

　　1.2信源接口部分

　　信源接口部分支持綜合業(yè)務(wù)終端、計算機或音視頻編解碼設備等。為了適應不同業(yè)務(wù)的需要，DRM短波通信系統提供三種業(yè)務(wù)信源接口：

　?。?）數據通道一一連接的數據終端可以是計算機、綜合業(yè)務(wù)終端（如802）、視頻或音頻壓縮編碼設備等。該通道提供最大的傳輸容量，以滿(mǎn)足數據通信的需求。

　?。?）聲碼通道一一能夠連接各種聲碼設備。根據不同的聲碼器壓縮的音頻數據的流量，該通道能夠在4.8、3.6、2.4、1.2和0.6Kbps切換。該通道不使用時(shí)能夠關(guān)斷，以便為數據通道提供盡可能大的數據帶寬。

　?。?）字符通道一~能夠連接各種字符收發(fā)設備（例如：在計算機上運行超級終端程序）。該通道只有lOObps的速度，目的是為通信雙方提供一個(gè)能即時(shí)交流的信息通道。例如短信息服務(wù)。

　　所有的信源設備都復用一個(gè)LAN口。服務(wù)的區分在單板機上的網(wǎng)口控制程序中實(shí)現。信源接口部分負責和信源設備通信獲取信源設備的信息，并和它們進(jìn)行信息交互實(shí)現流控制，狀態(tài)控制功能。

　　1.3信道部分

　　信道部分是本次研發(fā)的主體，主要由基帶部分和數字上下變頻部分組成。

　　1.3.1數字基帶部分

　　數字基帶部分完成對信源信息的處理使得他們適合在無(wú)線(xiàn)信道上發(fā)送，具備一定的抗突發(fā)干擾、抗差錯能力，并和無(wú)線(xiàn)信道的傳輸能力相匹配。將其劃分為如下3部分：

　?。?）復用過(guò)程和解復用過(guò)程：為了實(shí)現三種業(yè)務(wù)的同步發(fā)送，需要對3種業(yè)務(wù)的數據復用到一個(gè)復用幀中。復用過(guò)程需要根據當前的配置計算出復用幀的長(cháng)度，并根據這個(gè)長(cháng)度按照一定的優(yōu)先級為3個(gè)業(yè)務(wù)分配比特率；為了接收機能夠順利接收和解復用，在這個(gè)候還要生成FAC信道數據和SDC信道數據。

　?。?）信道編譯碼部分：對MSC、FAC和SDC通道的數據進(jìn)行編碼處理。對它們進(jìn)行能量擴散減少連續的O或l出現的可能性；對MSC信道數據進(jìn)行碼流分區，以便對不同錯誤保護要求的業(yè)務(wù)進(jìn)行分級保護、分級編譯碼按照碼流分區的結果進(jìn)行不同級別的卷積編譯碼；位交織操作是在分級編碼區域內對位進(jìn)行交織，增加系統的抗突發(fā)錯誤能力；根據用戶(hù)要求將比特按規定的星座圖進(jìn)行QAM映射；（3）OFDM調制解調：在這一部分生成導頻數據，組織傳輸超幀，并進(jìn)行頻域到時(shí)域的變換操作。對于接收，還要做一個(gè)同步過(guò)程，重新獲得超幀。系統的同步過(guò)程應該是系統中最核心的技術(shù)數字基帶通過(guò)USB2.0和數字中頻系統數據和控制傳輸。組織后的傳輸超幀和控制信息組織后傳輸到數字中頻，由數字中頻進(jìn)行進(jìn)一步處理。

　　1.3.2數字中頻

　　數字基帶的核心器件是一塊FPGA.另外有一塊單片機實(shí)現USB2.O通信和控制功能。

　?。?）數字上變頻：將基帶信號變成適合發(fā)信機的射頻信號。

　　為了能連接各種現役的短波無(wú)線(xiàn)電信道設備，DRM短波通信系統中頻輸出頻率范圍為0.1‘5MHz，輸出幅度為-18’+ldb;（2）數字下變頻：將接收機的中頻信號轉變?yōu)檫m合數字基帶處理的基帶信號。為了能連接各種現役的短波無(wú)線(xiàn)電信道設備，DRM短波通信系統中頻輸入頻率范圍為12‘500KHz，輸入幅度為-35~|5dbm.

　　1.4收發(fā)信機部分

　　收發(fā)信機可以使用各種型號的短波發(fā)信機和短波收信機。

　　因為短波DRM通信系統提供的是帶寬為4.5’20KHz的正交頻分復用信號，無(wú)法通過(guò)收發(fā)信機的音頻接口（收發(fā)信機的音頻接口帶寬限制一般為300‘3000Hz，只有2.7KHz的帶寬），只能通過(guò)收發(fā)信機的中頻口進(jìn)行連接。為了保證中頻連接不受連接線(xiàn)路的影響，在發(fā)信機和收信機中安裝一個(gè)連接盒，對外部線(xiàn)路進(jìn)行隔離。

　　2硬件組成

　　DRM短波通信系統的硬件是由人機交互板、單板計算機和中頻合成單元和加密模塊四部分組成，如圖2所示。人機界面部分負責顯示狀態(tài)和接收控制輸入；單板機進(jìn)行整個(gè)信道編解碼和調制解調處理；數字中頻合成單元，進(jìn)行數字上下變頻和數字濾波，產(chǎn)生中頻信號。聲碼器是外購件，用于語(yǔ)音編碼；加密模塊用于特殊通信。

　　2.1人機交互設備

　　人機界面部分的作用是設定設備運行方式，包括對帶寬、信道適應模式、交織、QAM調制、信道編碼率及聲碼話(huà)復用等參數的控制，同時(shí)也顯示出當前的狀態(tài)。人機界面設備是一塊印制板i屏幕、按鍵、蜂鳴器、單片機固定在一塊印制板上，印制板固定在機箱前面板。

　　2.2單板計算機

　　選擇使用Intel/英特爾的D2500HN，用于實(shí)現基帶部分功能，主要包括信源處理、信道編譯碼和OFDM調制解調三個(gè)部分，它還要完成和人機界面的通信功能，實(shí)際是一個(gè)功能強大的小型化PC，其接口能夠滿(mǎn)足各種內外板卡連接需求，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的調制軟件即可實(shí)現信號處理和信道編碼等功能。

　　2.3中頻合成單元構成和主要器件

　　中頻合成單元基于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，采用大規?？删幊唐骷约案咚贁的＾D換器件，產(chǎn)生低雜散、低相噪的高性能中頻信號，其輸出中頻范圍為0.1’5MHz，輸入中頻信號范圍為12‘500KHz：可與目前大多數在役通信發(fā)射機和接收機匹配。此外，為實(shí)現與原有通信系統兼容，中頻合成模塊還為發(fā)信機連接盒提供中頻切換指令。

　　中頻合成單元主要由MCU、FPGA、高速A/D、D/A和輸出濾波器組成，如圖3所示。

　　3軟件主要組成

　　3.1 人機交互

　　人機交互部分主要功能是完成對信道參數的控制管理。全部參數管理分為：帶寬選擇、信號適應模式選擇、交織周期選擇、QAM調制選擇、碼比選擇和話(huà)路狀態(tài)選擇六個(gè)模塊。除了對參數的設置管理，人機交互還將顯示系統的各種狀態(tài)。

　　3.2 DRM短波通信系統基帶軟件

　　基帶部分的功能依靠運行于單板計算機的軟件實(shí)現。經(jīng)過(guò)對DRM體系標準的研究，將軟件分為發(fā)送過(guò)程和接收過(guò)程，每個(gè)過(guò)程又分接口、信道編譯碼、OFDM處理和過(guò)程控制4個(gè)部分。

　　它們協(xié)同工作共同構成一個(gè)完整的DRM收發(fā)系統。

　　3.2.1發(fā)送過(guò)程主要處理

　　下面描述一個(gè)完整的發(fā)送過(guò)程：

　?。?）接口處理：接口處理部分要對信源的數據進(jìn)行分類(lèi)和預處理。

　?。?）復用幀構造處理：這部分將接口部分的數據進(jìn)行整合，組成一個(gè)可以用于后期進(jìn)行分級編碼的復用幀。它由一系列的自功能構成。

　?。?）信道編碼：將復用幀、FAC、SDC數據進(jìn)行信道編碼，它包括如下部分。

　　1）能量擴散：使用一個(gè)51l位周期的偽隨機序列和原始數據進(jìn)行模二加，防止位之間的連續出現。

　　2）碼流分區：根據UEP保護的要求，對服用幀中重位進(jìn)行分區，這些不同分區的位將被進(jìn)行不同級別的編碼。

　　3）卷積編碼：根據DRM標準的要求對碼流進(jìn)行卷積編碼。

　　4）編碼壓縮：根據編碼等級和DRM要求的壓縮矩陣，對己編碼的數據流進(jìn)行壓縮5）位交織：對于壓縮后的數據進(jìn)行位交織，分散系統的突發(fā)錯誤敏感度。

　?。?）QAM映射處理：編碼之后將碼流進(jìn)行QAM映射并通道幀。

　?。?）超幀構成處理，對于MSC、FAC和SDC的QAM符號放置到合適的位置，構成一個(gè)真正的傳輸超幀。

　　由于Intel Atom系列處理器均支持超線(xiàn)程技術(shù)，每一個(gè)部分編制獨立的線(xiàn)程，提高系統的并行運行能力，提高系統的響應速度。

　　3.2.2接收過(guò)程主要處理

　　接收過(guò)程是發(fā)送過(guò)程的逆過(guò)程，在程序實(shí)現上并不是完全和發(fā)送相反，它的順序和發(fā)送并不完全對應。

　?。?）同步和OFDM解調，該部分內容是整個(gè)DRM短波通信系統的最關(guān)鍵部分，它包含了如下子功能：

　　1）采樣頻率校正：由于A(yíng)/D轉換會(huì )產(chǎn)生采樣頻率的偏移，它會(huì )對接收機的性能產(chǎn)生影響，需要對變換后的數字信號進(jìn)行采樣頻率估計。

　　2）同步捕獲階段：完成頻率粗同步、時(shí)間粗同步、模式檢測和幀同步。

　　3）同步跟蹤階段：完成頻率細同步、時(shí)間細同步和采樣率偏移估計。

　　4）OFDM解調：對除去保護間隔的DRM碼元信號進(jìn)行FFT，完成信號從時(shí)域到頻域的轉換。

　　5）信道估計：基礎是信道本身具有的時(shí)域、頻域相關(guān)性，并基于統計信號處理的最優(yōu)化準則。DRM系統的信道估計是利用均勻分布存時(shí)域和頻域的增益導頻通過(guò)不同的插值方法得到每個(gè)子載波上的信道沖擊響應，據此完成信道估計。信道估計中用的插值方法有線(xiàn)性插值、DFT插值和維納插值等。

　?。?）超幀解構處理，從解調后的超幀中提取出三個(gè)通道的相關(guān)信息。

　?。?）QAM去映射，把QAM分量變換成比特流。

　?。?）信道譯碼處理：主要完成信道的分級譯碼工作。

　?。?）復用幀解構：對復用幀進(jìn)行解構，恢復到服務(wù)。

　?。?）接口處理：接口處理根據SDC的信息，將碼流分配給合適的信源。

　　4結論

　　DRM短波通信產(chǎn)品能夠廣泛應用于各種艦船和陸地通信站，具有良好的前景，還可推廣到其它應用領(lǐng)域，將會(huì )產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。