無線數(shù)據(jù)通信誤幀率測試儀的研發(fā)及應(yīng)用

馮菊香，盧上二，趙 利

（1.玉林師范學(xué)院 傳媒實(shí)驗(yàn)室，廣西 玉林 537000；2.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引言

數(shù)字信號在傳輸過程中由于衰變、干擾等各種原因不可避免地會產(chǎn)生差錯。隨著數(shù)據(jù)量的增大、傳輸速率的提高、通信距離的增加，系統(tǒng)在傳輸過程中出現(xiàn)的誤幀率也會增大[1]。對無線通信來說，誤幀率是測試系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前市場上有專門的誤幀測試儀，它既可以用于有線通信系統(tǒng)的測量，也可以用于無線通信系統(tǒng)的測量，但存在價格昂貴、針對性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。針對山區(qū)無線數(shù)據(jù)傳輸信道的特點(diǎn)，筆者結(jié)合異步串行通信規(guī)程設(shè)計了一款基于AT89S52單片機(jī)[2]的誤幀測試系統(tǒng)——無線數(shù)據(jù)通信誤幀率測試儀，它是測試無線數(shù)據(jù)傳輸性能的一種智能化儀器。

2 誤幀率測試系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

誤幀率測試系統(tǒng)方案如圖1所示。用到的設(shè)備包括誤幀儀、數(shù)傳電臺和天線等，誤幀儀由單片機(jī)、電平轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼管顯示模塊、按鍵、指示燈等部件組成，誤幀率的測試是將誤幀儀發(fā)射的數(shù)據(jù)不斷地發(fā)送到接收端，接收端接收該數(shù)據(jù)流后檢查收到的數(shù)據(jù)流中是否有傳錯或丟失的數(shù)據(jù)幀，傳輸過程中丟失與出錯的幀數(shù)和除以發(fā)送總幀數(shù)即可計算出通信信道的誤幀率。設(shè)計的該誤幀儀既可以發(fā)射數(shù)據(jù)也可以接收數(shù)據(jù)，因而箭頭是雙向的。

圖1 誤幀儀技術(shù)方案圖

2.2 組幀與檢錯規(guī)則設(shè)計

2.2.1 組幀設(shè)計

本設(shè)計所發(fā)送的幀數(shù)據(jù)包是由一系列BCD碼組成的，并對每個BCD碼進(jìn)行編號以便于誤幀測試，如a0，a1，a2，…，幀格式如圖2所示。數(shù)據(jù)包由102幀組成，起始為同步字，同步字設(shè)定為7EH，終了為結(jié)束字，結(jié)束字設(shè)定為 8FH，中間有 100 個數(shù)據(jù)幀。a0，a1，a2，…，a99分別用 00，01，02，…，99填入，傳輸時每個數(shù)據(jù)幀為10 byte異步幀格式。

圖2 串行通信幀格式

2.2.2 檢錯規(guī)則

幀檢錯流程如圖3所示。

發(fā)送端發(fā)出102個幀長的數(shù)據(jù)包，并對每一個幀數(shù)據(jù)包設(shè)置編號，即a0，a1，a2，…，a99，接收端用 1 個“誤幀計數(shù)器”來統(tǒng)計發(fā)錯或丟失的數(shù)據(jù)幀數(shù)目。發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，接收端處于接收狀態(tài)。當(dāng)接收端接收到同步字7EH時開始接收數(shù)據(jù)，如果收到的數(shù)據(jù)幀與預(yù)設(shè)的不同（即檢測接收的ai與預(yù)設(shè)的不同，i=0，1，2，…，99），或該數(shù)據(jù)幀丟失，則“誤幀計數(shù)器”加1，寄存在“誤幀計數(shù)器”中；當(dāng)收到結(jié)束字8FH時，表明此數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束。最后用誤幀計數(shù)器的值除以發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的總數(shù)，即得到誤幀率并用數(shù)碼管顯示出來。將測得的誤幀率與目標(biāo)誤幀率進(jìn)行比較，檢測是否達(dá)到數(shù)據(jù)通信的要求。

圖3 幀檢錯規(guī)則流程圖

3 硬件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

本誤幀儀硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 誤幀儀硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

圖4中，作為核心部件的單片機(jī)采用低功耗的AT89S52。其他相應(yīng)的外圍電路由7個主要部分組成：

1）按鍵，用于輸入操作，由2個電平按鍵組成，分別用來進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)操作和接收數(shù)據(jù)操作。

2）指示燈，用于輸出，指示發(fā)送和接收的信息，發(fā)送數(shù)據(jù)時紅燈亮，接收數(shù)據(jù)時綠燈亮。

3）晶振電路，由1個11.0592 MHz的晶振和2個30 pF的小電容組成，決定了單片機(jī)的工作時間精度為1 μs。

4）復(fù)位電路，采用的是按鍵復(fù)位，由200 Ω，1 kΩ的電阻以及22 μF的電容和1個4腳復(fù)位開關(guān)組成。

5）電源變換電路，為整個電路提供+5 V的工作電壓。此電路有濾波功能，濾掉了高頻和低頻，從而使電源更加純正，系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定的三端穩(wěn)壓芯片7805。

6）LED數(shù)碼顯示器，用于顯示測試結(jié)果。

7）RS-232電平轉(zhuǎn)換電路，用于提供RS-232的標(biāo)準(zhǔn)接口方式，與數(shù)傳電臺ND889A的標(biāo)準(zhǔn)接口相對應(yīng)。

4 軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[3]

4.1 軟件流程設(shè)計

發(fā)送程序流程圖如圖5所示。

圖5 發(fā)送程序流程圖

接收程序流程圖如圖6所示。

圖6 接收程序流程圖

本系統(tǒng)的軟件主要由以下5個部分組成：

1）總控主程序，控制整個系統(tǒng)的軟件運(yùn)行。首先對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后對串口、數(shù)碼管、按鍵等進(jìn)行管理和控制。

2）按鍵管理程序，用來進(jìn)行鍵功能管理。首先判斷是否有鍵被按下，并完成對鍵的消抖動功能、然后識別按下的鍵是發(fā)送鍵還是接收鍵，若是發(fā)送鍵，程序轉(zhuǎn)向發(fā)送鍵處理，若是接收鍵，程序轉(zhuǎn)向接收鍵處理。

3）顯示子程序，通過數(shù)碼管顯示誤幀測試結(jié)果，包括數(shù)碼管初始化、接收顯示指令、接收顯示數(shù)據(jù)等部分。4）串口中斷程序，用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的中斷數(shù)據(jù)接收。5）發(fā)送/接收子程序，用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行串行發(fā)送和接收。

4.2 主要軟件模塊

軟件主要分為數(shù)碼管顯示模塊、發(fā)送數(shù)據(jù)模塊和接收數(shù)據(jù)模塊。

1）系統(tǒng)初始化程序

系統(tǒng)初始化程序如下：

2）數(shù)碼管顯示模塊

數(shù)碼管顯示模塊的驅(qū)動程序如下：

3）發(fā)送數(shù)據(jù)模塊

系統(tǒng)初始化，準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包存入發(fā)送緩沖器SBUF，設(shè)置好單片機(jī)定時器及波特率，將誤幀儀與PC機(jī)用串口線連接，用串口調(diào)試工具終端檢測PC是否接收到發(fā)送的數(shù)據(jù)包，如果串口調(diào)試工具終端能接收到誤幀儀發(fā)送的數(shù)據(jù)，則發(fā)送模塊調(diào)試成功，其代碼為：

4）接收數(shù)據(jù)模塊

系統(tǒng)初始化，設(shè)置好單片機(jī)定時器及波特率，并使誤幀儀處于接收狀態(tài)，將誤幀儀與PC機(jī)用串口線連接，用串口調(diào)試工具終端向誤幀儀發(fā)送數(shù)據(jù)，如果誤幀儀數(shù)碼管顯示模塊能顯示出串口調(diào)試工具終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，則接收模塊調(diào)試成功，其代碼為：

5 誤幀測試儀的調(diào)試與測試

5.1 硬件與軟件的調(diào)試

5.1.1 硬件調(diào)試

硬件的好壞直接影響到測試的結(jié)果，也影響程序調(diào)試的進(jìn)度。硬件調(diào)試是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)硬件由兩塊電路板組成，電路較為復(fù)雜，模塊較多，每個模塊都要經(jīng)歷硬件調(diào)試的各個步驟，具體調(diào)試可分為靜態(tài)檢查和加電檢查。靜態(tài)檢查主要檢查整個電路板是否有虛焊、脫焊、短路、斷路情況，觀察元件安裝是否正確，特別是芯片座及一些有極性元件是否裝反。加電檢查包括不安裝重要芯片情況下的通電檢查、裝上芯片后的檢查和后期檢查。不安裝重要芯片情況下的通電檢查，主要是防止電路設(shè)計中疏忽的細(xì)節(jié)問題造成重要芯片的損壞。安裝上芯片后，主要檢查芯片安裝是否正確，確認(rèn)無誤后，通電檢查芯片和外圍元件等是否正常。

5.1.2 軟件調(diào)試

后期檢查指的是在程序調(diào)試過程中遇到問題所進(jìn)行的檢查。軟件調(diào)試的大部分都是建立在硬件調(diào)試的基礎(chǔ)上，而且在中后期也是和硬件調(diào)試混合在一起。在軟件的編寫上，采用了模塊化的設(shè)計，將各個模塊的程序單獨(dú)調(diào)試成功之后，再連接在一起調(diào)試[4]。

5.2 誤幀測試儀的測試[5]

5.2.1 測試方案一

在沒有電臺的條件下，誤幀儀的測試方案如圖7所示。

圖7 誤幀測試方案圖

將兩臺誤幀儀按圖7進(jìn)行連接，由于誤幀儀本身可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，以上測試方案是可行的。將兩個誤幀儀用一根交叉串口線連接進(jìn)行測試。測試分為兩步：發(fā)送的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)相同，檢測此時的誤幀率；發(fā)送的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)不同，人為地設(shè)定錯誤，如將數(shù)據(jù)幀06改為07，檢測此時的誤幀率。

5.2.2 測試方案二

在接電臺的條件下，誤幀儀的測試方案如圖8所示。

圖8 誤幀率測試方案圖

方案中采用日本日精公司ND889A專業(yè)數(shù)傳電臺兩臺、由單片機(jī)構(gòu)成的誤幀測試儀2臺、佛山市健博通電訊實(shí)業(yè)有限公司TQJ-230c全向天線、定向天線及饋線等。其中ND889A數(shù)傳電臺工作在UHF頻段上，收發(fā)機(jī)均采用最先進(jìn)的FET低噪聲放大電路，發(fā)射功率大，接收靈敏度高，數(shù)傳誤碼率低，帶有RSSI電平指示輸出。

發(fā)端發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過誤幀測試儀檢測后通過RS-232接口從數(shù)傳電臺的TXD腳輸入，通過電臺內(nèi)置的Modem進(jìn)行調(diào)制后發(fā)送到空中。在收端，數(shù)傳電臺接收到信號后，內(nèi)置的Modem把解調(diào)出來的數(shù)據(jù)信號從RXD腳輸出，通過RS-232接口傳至誤幀測試儀進(jìn)行檢測。

5.2.3 測試結(jié)果分析

兩次測試的結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果比較

實(shí)測時，波特率設(shè)為2400 baud，循環(huán)周期為100次，即發(fā)送10200幀數(shù)據(jù)，發(fā)送碼元總數(shù)為102000個碼元，測試用時42.5 s，可測量的誤碼率環(huán)境為10-5。測試結(jié)果表明系統(tǒng)正常工作時間內(nèi)無誤碼出現(xiàn)，設(shè)備可用，較好地體現(xiàn)了異步串行方式傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。測試結(jié)果證明，誤幀測試儀系統(tǒng)性能良好，可以用于實(shí)際工程中。

6 小結(jié)

異步串行通信是無線數(shù)據(jù)通信采用的主要傳輸方式，針對無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)勘察設(shè)計的實(shí)際要求，開發(fā)設(shè)計出的無線數(shù)據(jù)通信誤幀率測試儀具有體積小、成本低、穩(wěn)定可靠、高性價比等優(yōu)點(diǎn)，可極大拓寬嵌入式視頻監(jiān)控的應(yīng)用范圍。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展以及人們對無線信道低誤幀率等指標(biāo)的要求也越來越高，誤幀測試儀將有廣泛的市場。

[1]郭梯云，鄔國揚(yáng)，李建東.移動通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[2]Atmel.8-bit microcontroller with 8K bytes in-system programmable flash-AT89S52[EB/OL].[2010-01-01].http：//www.datasheetcatalog.org/datasheet/atmel/doc1919.pdf.

[3]袁蘭英，蔣湘，黃繼武.異步數(shù)據(jù)通道誤碼測試儀的研制[J].武漢大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1997（10）：677-680.

[4]蔣海明，張劍英，趙二濤，等.PPLive網(wǎng)絡(luò)電視通信機(jī)制研究[J].電視技術(shù)，2009，33（12）：61-63.

[5]李劍雄.CDMA移動臺誤幀率的測試[J].中國無線電管理，2000（10）：24.