短波電臺無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )的組建

無(wú)線(xiàn)電短波是指波長(cháng)為10～100 m的電磁波，其頻率為3～30 MHz。利用短波信道進(jìn)行數據通信，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(diǎn)，有著(zhù)廣闊的應用前景。文章在對短波信道的特性進(jìn)行分析的基礎上，通過(guò)對短波通信的主要工具短波電臺進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種方案，用于組建一個(gè)一點(diǎn)對多點(diǎn)的星型拓撲結構無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行遠距離數據傳輸，并根據此方案設計了基于DSP芯片的系統軟、硬件。通過(guò)實(shí)驗測試，該系統實(shí)現了組網(wǎng)的功能。

　　1　組網(wǎng)方案

　　在設計組網(wǎng)方案時(shí)需要對短波電臺進(jìn)行改進(jìn)，為了不影響電臺原有的內部硬件結構和功能，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)送端先對數字信號做音頻調制，再由電臺進(jìn)行二次調制到短波頻段上發(fā)送，在接收端經(jīng)過(guò)短波解調和音頻解調得到數字信號。這種改進(jìn)方法適用于大多數具有語(yǔ)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(shí)分多址（TDMA）的方式，在某一時(shí)刻只有一個(gè)用戶(hù)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(shí)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(jìn)制頻率鍵控（MFSK）的音頻調制方式，這種方式適合于在缺乏相位穩定性的信道及衰落信道上進(jìn)行數據傳輸，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和平方率檢波的方法對MFSK信號進(jìn)行解調［1］，這種方法不需要估計載波的相位，大大降低了系統的復雜度。

　　發(fā)送端在發(fā)送MFSK信號之前插入時(shí)域位同步導頻，用來(lái)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(guān)函數近似于沖擊函數的特性，使用與碼元等周期的m序列音頻調制信號作為位同步導頻。接收端在進(jìn)行導頻檢測時(shí)，先對采樣得到的信號進(jìn)行順序移位，再與本地序列做相關(guān)，在一個(gè)碼元周期內，找到最大的相關(guān)結果與對應的時(shí)刻，認為此時(shí)刻為碼元結束的時(shí)刻，并由此獲得位同步信息。

　　2　系統硬件設計

　　2．1　系統硬件總體結構

　　系統硬件以DSP芯片為核心，對信號主要進(jìn)行數字處理，把固定的硬件結構和靈活的軟件算法相結合，只通過(guò)修改軟件就可以實(shí)現方案的改進(jìn)和系統的升級，靈活簡(jiǎn)單、方便易行。系統使用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320VC5402（簡(jiǎn)稱(chēng)C5402），是一款低功耗、高性?xún)r(jià)比的16 b字長(cháng)定點(diǎn)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(shí)時(shí)嵌入語(yǔ)音通信等方面得到了廣泛的應用。

　　系統硬件結構如圖1所示。主要包括4個(gè)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(lái)完成數字信號處理算法；電源模塊利用了電臺提供的12 V直流電壓，經(jīng)過(guò)兩級電源轉換，產(chǎn)生穩定的3．3 V和1．8 V的電壓輸出，分別提供給C5402作為I／O電源和內核電源，同 時(shí)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(lái)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(shí)自行加載。

　　2．2　模擬接口模塊設計

　　系統硬件采用了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(gè)軟件可配置的控制寄存器，由觸發(fā)信號控制所有的采樣、轉換和數據輸出，接口和控制簡(jiǎn)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數據鎖存器，VDD＝5 V時(shí)的建立時(shí)間為100 ns，傳輸延時(shí)為80 ns，并且可用工作位電壓方式，數據鎖存與數模轉換同樣由觸發(fā)信號完全控制。他們與C5402的連接如圖2所示。

　　該模塊通過(guò)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(fǎng)問(wèn)數據總線(xiàn)時(shí)只有一個(gè)芯片處于選通狀態(tài)。在程序開(kāi)始時(shí)要對TLV1571的工作方式進(jìn)行初始化，通過(guò)寫(xiě)入控制字0x00C0和0x0100，把他配置成使用內部時(shí)鐘、軟件啟動(dòng)采樣、二進(jìn)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(shí)中斷中產(chǎn)生相應的觸發(fā)信號啟動(dòng)D／A和A／D轉換，通過(guò)改變定時(shí)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。

本方案利用了C5402的緩沖串口McBSP0的2個(gè)引腳：BDR0和BDX0作為通用的輸入和輸出引腳，用來(lái)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(jìn)行通信。EPROM芯片采用了 AT29C512，其存儲容量為64 k×8 b，用來(lái)存儲程序代碼和完成自舉加載。

3　系統軟件設計

　　3．1　系統軟件總體流程

　　程序開(kāi)始時(shí)，先要進(jìn)行初始化，對一些初始值和硬件狀態(tài)進(jìn)行設置，之后就進(jìn)入數據收發(fā)的進(jìn)程中。接收中心首先發(fā)送一個(gè)“查詢(xún)”信號，開(kāi)始一次數據接收，并為整個(gè)通信網(wǎng)提供定時(shí)的基準。用戶(hù)檢測到“查詢(xún)”信號后，如果有數據需要發(fā)送，則在屬于自己的時(shí)間段內發(fā)送數據。接收中心以一定的時(shí)間間隔不斷發(fā)送“查詢(xún)”信號，由此實(shí)現雙向的數據傳輸。軟件流程分別如圖4和圖5所示。

　　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(gè)碼元采樣得到的點(diǎn)數為：N＝f／R。在DSP的RAM中設置一個(gè)滑窗，其長(cháng)度為N，用來(lái)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(shí)現數據的更新。在RAM中預先保存了對導頻信號進(jìn)行數字化得到的N點(diǎn)的本地導頻序列，以及對MFSK信號進(jìn)行數字化得到的N×M的本地MFSK序列，并開(kāi)辟N 點(diǎn)的緩沖區用來(lái)保存做導頻檢測時(shí)的相關(guān)結果。信號檢測算法的流程如圖6所示。

　　4　實(shí)驗測試結果

　　作者根據組網(wǎng)方案和設計的軟、硬件，使用解放軍某工廠(chǎng)生產(chǎn)的邊海防短波電臺組建了一個(gè)包含3個(gè)用戶(hù)，1個(gè)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。

　　實(shí)驗設定波特率為100 Baud，采用4FSK信號調制方式，比特率達200 b／s；選擇m序列的長(cháng)度為15，在每段數據信號之前，插入20個(gè)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，采取連續檢測到8個(gè)周期的導頻信號后，開(kāi)始對接收信號進(jìn)行非相干解調的方法，并根據平方率檢測器輸出的平方和結果的值的大小，判斷數據信號是否已經(jīng)起始。根據用戶(hù)數據長(cháng)度，每個(gè)用戶(hù)分配給1 s的定時(shí)時(shí)間，實(shí)現多用戶(hù)的組網(wǎng)。

　　測試結果表明，所組建的短波電臺無(wú)線(xiàn)數傳網(wǎng)絡(luò )，可以準確地完成信息的發(fā)送和接收，實(shí)現了組網(wǎng)的功能。

　　5　結　語(yǔ)

　　使用短波電臺組建無(wú)線(xiàn)數傳網(wǎng)絡(luò )是一項具有現實(shí)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(shí)分多址（TDMA），時(shí)分雙工（TDD），多進(jìn)制頻率鍵控（MFSK）的組網(wǎng)方案，并根據該方案設計了基于DSP芯片的系統軟、硬件，實(shí)驗證明該系統完成了組網(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(luò )中得到了應用。