基于DSP的單兵背負式短波數字通信系統設計

二十一世紀的戰爭將以數字化戰場(chǎng)為背景,而數字化戰場(chǎng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是信息可以直達單個(gè)士兵。采用基于軟件無(wú)線(xiàn)電的思想,應用第三代數字信號處理器TMS320C31和數模轉換芯片TLC32044等器件構成短波自適應調制解調器的硬件平臺,將其與傳統的模擬電臺相連接,構成了可傳輸數據信息的單兵背負式數字化電臺,通過(guò)軟件程序的編寫(xiě)實(shí)現信息處理的一系列功能。 此數字化電臺不僅保留了原有的話(huà)音通信能力,而且又增加了數據通信功能。它充分利用了現有的短波通訊設備,并大大降低了數字化改造的成本。采用它可以將戰場(chǎng)上的各種信息轉化為數字保密代碼,通過(guò)短波無(wú)線(xiàn)信道發(fā)送接收,把指揮所、部隊及單個(gè)士兵緊密聯(lián)系起來(lái),形成機動(dòng)靈活的短波通信網(wǎng)路,使指戰員實(shí)時(shí)掌握戰場(chǎng)態(tài)勢,增加信息對抗和信息攻擊能力,從而提高部隊的戰斗力。

1 軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)
隨著(zhù)高速數字信號處理器(DSP)的研究開(kāi)發(fā),軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)得到飛速發(fā)展。其基本概念是將硬件作為無(wú)線(xiàn)通信的基本平臺,而將盡可能多的無(wú)線(xiàn)及個(gè)人通信功能以軟件實(shí)現。其組成框圖如圖1所示。

軟件無(wú)線(xiàn)電的核心是將寬帶A/D和D/A盡可能靠近天線(xiàn)(將A/D和D/A由基帶移到中頻甚至射頻),用實(shí)時(shí)高速DSP/CPU代替傳統的專(zhuān)用數字電路做A/D后的一系列處理,將無(wú)線(xiàn)通信的各種功能采用軟件進(jìn)行定義。軟件無(wú)線(xiàn)電代表一個(gè)軟件可重構的無(wú)線(xiàn)電體系,它的可重構性主要體現在其射頻、中頻以及基帶信號處理可以通過(guò)軟件編程來(lái)控制和實(shí)現。其硬件平臺可以用可編程數字信號處理芯片或可重構專(zhuān)用功能信號處理器來(lái)實(shí)現。

2 系統硬件組成及工作原理
以TMS320C31高速信號處理器為核心,輔以相應外圍電路,構成短波自適應調制解調器,它和短波單邊帶電臺連接后,構成短波數字通信系統中的一個(gè)站。短波自適應控制調制解調器主要由主處理器TMS320C31、溫補晶振、高速RAM、低速EPROM、A/D、D/A轉換器、控制頻道轉換電路、液晶顯示器、按鍵等部分組成,如圖2所示。

TMS320C31(以下簡(jiǎn)稱(chēng)C31)是TI公司生產(chǎn)的第一代浮點(diǎn)DSP芯片,具有32位的浮點(diǎn)精度,60納秒的單周期指令執行時(shí)間,能進(jìn)行整數、浮點(diǎn)及邏輯運算,總共有三套總線(xiàn),即程序總線(xiàn)、數據總線(xiàn)和DMA總線(xiàn),取指、讀寫(xiě)數據以及DMA操作可同時(shí)進(jìn)行,可以尋址16M字的空間,是目前國內應用比較廣泛的DSP芯片之一。它提供了可與外部串行設備通信的串行接口,支持8/16/24/32位數據交換,為設計A/D、D/A接口電路提供了很大的靈活性。它的程序引導功能(Bootloader)使其程序可以從低速EPROM、PROM或串行口裝入到系統的高速RAM中全速運行。
存儲器部分包括128K×32高速RAM、256K×8低速EPROM(或EEPROM)和8K×8不揮發(fā)RAM。EPROM是用戶(hù)程序存儲器,由于高速EPROM價(jià)格昂貴,這里采用低速廉價(jià)的EPROM,開(kāi)機或復位后,利用C31特有的程序自動(dòng)裝載功能,自動(dòng)將EPROM中的用戶(hù)程序裝載到高速RAM中,并從用戶(hù)程序首地址開(kāi)始全速運行。
高速RAM:由4片128K×8、速度為15納秒的SRAM組成128K×32的高速RAM區。它既作程序存儲區,又作高速數據存儲區。
8K×8不揮發(fā)RAM:內帶保護電路和電池,用作參數存儲器?？梢噪S時(shí)讀寫(xiě)(需加等待狀態(tài)),關(guān)機后數據不丟失,用于存儲用戶(hù)地址、網(wǎng)絡(luò )參數、掃描速度及系統內部運行所需的一些參數。
短波電臺接口:TLC32044是TI公司生產(chǎn)的接口芯片(簡(jiǎn)稱(chēng)AIC)TLC32040系列中的一種,它集A/D、D/A于一體,具有兩個(gè)模擬輸入口和一個(gè)模擬輸出口,最高采樣頻率為19.2kHz。它用于電臺與C31之間的收發(fā)信號接口,通過(guò)C31的串行口與C31芯片連接。在程序控制下,A/D轉換器將來(lái)自電臺的模擬信號經(jīng)高速采樣后傳送給CPU,由CPU運算處理和解碼后恢復數據信息。D/A轉換器的功能是將經(jīng)過(guò)編碼的發(fā)送信息轉換成適合信道傳輸的模擬信號經(jīng)電臺發(fā)送出去。
液晶顯示器:采用MGLS12864T點(diǎn)陣式液晶顯示器,編制漢字庫以存儲漢字字模(即點(diǎn)陣數據),以圖形顯示方式顯示發(fā)送或接收的數據。
小鍵盤(pán):共20個(gè),用菜單方式選擇不同的操作功能,如輸入密鑰、鍵入數據等。各鍵的定義由軟件實(shí)現,其參數的設置和控制功能的修改無(wú)需改變鍵盤(pán)硬件結構,只需改變相應軟件,便于功能擴展。
若干個(gè)這樣的站可以組成一個(gè)短波數字通信系統,如圖3所示。

系統由一個(gè)主控站及若干個(gè)從站組成。主控站及各從站均由短波調制解調器和短波電臺組成;每個(gè)從站有自己固定的站號，且各不相同。主控站一次只能與一個(gè)從站建立鏈路，鏈路的持續時(shí)間由主控站與從站之間需傳輸的數據量的大小而定。主控站按照一定的順序更換站號,便可與不同的從站建立鏈路,從而組成一個(gè)星型短波數字通信系統。
該系統在電臺原有半雙工模擬明話(huà)通信的基礎上,增加了一點(diǎn)對多點(diǎn)半雙工準數字話(huà)音的實(shí)時(shí)保密通信、一點(diǎn)對多點(diǎn)半雙工各種報文的保密通信和一點(diǎn)對多點(diǎn)半雙工低速率雷達數據的保密通信;在模擬明話(huà)、準數字話(huà)音、各種報文和雷達數據通信中,能進(jìn)行自適應選頻、自適應變速和自動(dòng)加解密。