基于DSP組建短波電臺無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )的系統設計

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

引言
利用短波信道進(jìn)行數據通信，具有傳輸距離遠、受地形限制小、不易遭受人為破壞等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)對短波電臺進(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的系統軟、硬件。

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，本方案設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原始的數字信號。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。
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(shí)分多址(TDMA)方式，使得在某一時(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。在音頻調制方式上，選擇了多進(jìn)制頻率鍵控(MFSK)。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，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。本文利用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，再與本地序列作相關(guān)處理，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，作為碼元結束的時(shí)刻，并由此獲得位同步信息。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：無(wú)需增加額外的位同步提取電路，直接進(jìn)行數字處理即可。
 
系統硬件設計
系統硬件總體結構
系統硬件結構如圖1所示，主要包括五個(gè)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模塊是系統的核心，用來(lái)完成數字信號處理算法，本文采用TMS3201VC5402(簡(jiǎn)稱(chēng)C5402)；電源模塊利用了電臺提供的12V直流電壓，經(jīng)過(guò)兩級電源轉換，產(chǎn)生穩定的3.3V和1.8V的電壓輸出，分別提供給C5402 作為I/O電源和內核電源，同時(shí)，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(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模塊僅在用戶(hù)端使用，完成與信息錄入設備通信及保存用戶(hù)端的程序代碼 ,并在復位時(shí)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。
模擬接口模塊設計
系統采用10位并行A/D轉換器TLV1571，該芯片的采樣率最高可達1.25MSPS，功耗極低，具有兩個(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。采用雙路8位并行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=5V時(shí)的建立時(shí)間為100ns，傳輸延時(shí)為80ns，數據鎖存與D/A轉換同樣由觸發(fā)信號完全控制。它們與C5402的連接如圖2所示。
該模塊通過(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，把它配置成為使用內部時(shí)鐘、軟件啟動(dòng)采樣、二進(jìn)制輸出的模式。C5402將串口引腳FSX0設置為通用輸出引腳，控制TLV1571的讀信號/RD。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。
PCI接口模塊設計
PCI接口模塊采用了DSP-PCI橋芯片PCI2040，該芯片通過(guò)C5402上的8位并行主機接口(HPI)與DSP實(shí)現無(wú)縫連接，并且提供了標準的PCI總線(xiàn)目標接口。PCI2040與C5402的連接如圖3所示。
在設計PCI2040與C5402的接口電路時(shí)，除了連接相應的數據線(xiàn)、地址線(xiàn)和控制線(xiàn)，還要把PCI2040上的主機到DSP的復位信號引腳/HRST0連接到C5402的復位信號引腳/RS上，由用戶(hù)程序通過(guò)PCI2040控制C5402的復位，并且把C5402的/HINT引腳和/INT2引腳相連接，保證接收中心的DSP在復位時(shí)正確選擇HPI自舉加載的方式。
異步串行接口及EPROM模塊設計
異步串行通信接口模塊采用MAX232將C5402輸出的TTL電平轉換為符合RS-232標準的電平，可以與遵循該標準的器件進(jìn)行通信。本方案利用了C5402的緩沖串口McBSP0的兩個(gè)引腳——DR0和DX0作為通用的輸入和輸出引腳，用來(lái)模擬異步串口。
EPROM芯片采用了AT29C512，其存儲容量為。在用戶(hù)端要把DSP的復位信號/RS通過(guò)開(kāi)關(guān)和DVDD連接，手動(dòng)地產(chǎn)生復位信號，并斷開(kāi) /HINT和/INT2的連接，以便在復位時(shí)程序可以由EPROM正確地加載。

系統軟件設計
信號檢測算法流程
設采樣率為f，碼元速率為R，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)行數字化處理所得到的N點(diǎn)本地導頻序列，以及對MFSK信號進(jìn)行數字化處理所得到的本地MFSK序列，并開(kāi)辟N點(diǎn)的緩沖區，用來(lái)保存導頻檢測結果。
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)進(jìn)程。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、5所示。

實(shí)驗測試結果
根據組網(wǎng)方案和設計的軟、硬件，本文使用短波電臺組建了一個(gè)包含三個(gè)用戶(hù)、一個(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。
在進(jìn)行數據收發(fā)之前，使用短波電臺提供的自動(dòng)選頻功能，進(jìn)行實(shí)時(shí)選頻，建立各個(gè)用戶(hù)與接收中心之間較高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)短波信道。實(shí)驗設定碼元速率為100波特，采用4FSK信號調制方式，比特率達到了200bps；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。為了防止對于同步導頻的漏檢和虛警，在接收端采取連續檢測到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1s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)數據傳輸網(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。

結語(yǔ)
本文從短波信道和短波電臺的特性出發(fā)，通過(guò)仔細分析論證，提出了一種采用時(shí)分多址，時(shí)分雙工，多進(jìn)制頻率鍵控的組網(wǎng)方案，并根據該方案設計了基于DSP的軟、硬件。通過(guò)實(shí)驗，證明該方案完成了組網(wǎng)的功能?！?/P>

參考文獻
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