一種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備底層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳迪樓

【摘要】 底層波形設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的組織格式是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟糠?，高性能的差錯(cuò)控制編碼技術(shù)和高效調(diào)制技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。本文簡(jiǎn)述了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的工作原理，并結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)介紹了一種無(wú)線數(shù)據(jù)透明、高速傳輸?shù)牡讓拥脑O(shè)計(jì)，最后給出了收發(fā)功能的軟件實(shí)現(xiàn)流程。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)據(jù)傳輸 幀結(jié)構(gòu) RS ISCP-DPSK

一、引言

無(wú)線通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及配套天線系統(tǒng)組成，其中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備扮演著重要角色，是信息交互的橋梁，承擔(dān)信息與數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)。如今軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展日新月異，基于超短波無(wú)線通信的傳輸設(shè)備也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，一般由數(shù)字和模擬兩部分組成，模擬部分實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、接收與發(fā)送，數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)控制，接口和數(shù)據(jù)基帶處理功能。參照OSI協(xié)議體系結(jié)構(gòu)模型，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備在數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)主要完成鏈絡(luò)控制層和物理層的功能，通信過(guò)程中的鏈路建立機(jī)制，差錯(cuò)重傳機(jī)制，流量控制由上層協(xié)議完成，如圖1所示[1]。

二、工作原理

目前國(guó)內(nèi)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備多種多樣，不管是民用還是軍用，但其工作原理基本一致，內(nèi)部各單元按功能可分為整機(jī)控制、接口控制、音頻處理、基帶數(shù)字處理、加解密、中頻處理、發(fā)信機(jī)、接收機(jī)和天饋功等部分組成。

無(wú)線傳輸設(shè)備對(duì)所發(fā)送消息的信號(hào)處理流程圖如圖2所示，接收消息的信號(hào)處理為逆向過(guò)程。每條消息加密處理，消息包封裝，形成鏈路層波形。每組鏈路層波形經(jīng)信道糾錯(cuò)編碼、信號(hào)成幀、信號(hào)調(diào)制處理，形成物理層波形。

無(wú)線傳輸設(shè)備屬于整個(gè)通信系統(tǒng)中的一部分，本文介紹的傳輸設(shè)備工作在UHF頻段，在統(tǒng)一的硬件環(huán)境下，基于軟件無(wú)線電思想，搭配不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的傳輸功能?？垢蓴_模式下采用跳頻和抗頻技術(shù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。鑒于應(yīng)用場(chǎng)景的不同，這里只介紹常規(guī)模式下的數(shù)據(jù)底層傳輸設(shè)計(jì)[2]。

三、實(shí)現(xiàn)方案

3.1設(shè)備對(duì)外接口

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸，數(shù)據(jù)內(nèi)容無(wú)頭無(wú)尾，數(shù)據(jù)接口采用硬件流控方式提高可靠性，發(fā)送端接口如圖4所示：數(shù)據(jù)處理設(shè)備處理數(shù)據(jù)后，若需數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，則先向數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備發(fā)請(qǐng)求信號(hào)，待正確響應(yīng)后，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，撤銷發(fā)送包絡(luò)信號(hào)，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備也撤銷響應(yīng)信號(hào)，一次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。一次傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為1至4096個(gè)，傳輸速率3.125Mbps左右。

發(fā)送接口如下：

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備需向數(shù)據(jù)處理設(shè)備上報(bào)接收數(shù)據(jù)時(shí)，則直接將數(shù)據(jù)送出，并置包絡(luò)信號(hào)。一次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，如圖5所示。

3.2幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)透明傳輸，重點(diǎn)要設(shè)計(jì)好自定義格式的數(shù)據(jù)幀，將大數(shù)據(jù)幀分解成若干個(gè)小的數(shù)據(jù)幀，方便流處理，提高傳輸速率。本設(shè)計(jì)一次射頻傳輸，數(shù)據(jù)幀格式如表1所示：

3.2.1 載波段與幀同步段

數(shù)據(jù)傳輸中，接收端只有從所接收的碼元序列中正確識(shí)別幀的起止，才能保證所傳輸信息的復(fù)原。幀同步在位同步的基礎(chǔ)上識(shí)別出含有效數(shù)字信息幀的起止時(shí)刻，從而得到有效的數(shù)據(jù)信息，本設(shè)計(jì)采用插入式幀同步方法，利用特定的幀頭和幀尾表示數(shù)據(jù)起始幀的位置、結(jié)束幀位置。幀頭為127bit自相關(guān)、互相關(guān)良好的偽隨機(jī)碼；幀尾為63bit自相關(guān)、互相關(guān)良好的偽隨機(jī)碼， 載波段為0/1交替信號(hào)，用于功率的建立和接收端AGC的調(diào)整和同步[3]。

3.2.2 數(shù)據(jù)段組織：

由于一次傳輸設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不固定，且無(wú)頭無(wú)尾之分。為了實(shí)現(xiàn)有效傳輸，必須插入自定義數(shù)據(jù)頭供接收端從數(shù)據(jù)序列中提取真實(shí)有效的數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)的開始與結(jié)束。表1中的數(shù)據(jù)段構(gòu)成方式如圖6所示。

一個(gè)數(shù)據(jù)段由m個(gè)240bit的數(shù)據(jù)段組成，數(shù)據(jù)段最大值為1024， 因此m最大值為65，第一個(gè)240bit由6個(gè)字節(jié)經(jīng)兩級(jí)RS編碼后所得。 接收端解析6字節(jié)數(shù)據(jù)可提取一次有效射頻傳輸中數(shù)據(jù)段n的序號(hào)及最結(jié)束標(biāo)志，以及每個(gè)數(shù)據(jù)段含有240bit數(shù)據(jù)段的個(gè)數(shù)m和最后一個(gè)240bit數(shù)據(jù)段中實(shí)際傳輸?shù)淖止?jié)個(gè)數(shù)；

如果數(shù)據(jù)源一次性傳輸有效字節(jié)數(shù)不是16的整數(shù)倍，則補(bǔ)充隨機(jī)數(shù)為16的整數(shù)倍；如果數(shù)據(jù)源一次性傳輸大于1024個(gè)字節(jié)，則分割成1024個(gè)字節(jié)組織傳輸。因此一次傳輸表1中n最大值為4。

3.2.3 糾錯(cuò)編碼

無(wú)線通信采用差錯(cuò)控制編碼的提高可靠性，在3G通信中，采用了券積碼和Turbo碼，在軍事通信中，如LINK16，LINK22采用了RS碼。RS碼簡(jiǎn)單，構(gòu)造方便，是糾錯(cuò)能力強(qiáng)的多進(jìn)制BCH碼，在數(shù)字通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。該設(shè)計(jì)采用RS（255，241）的縮短碼RS（30，16）的編碼方式，符號(hào)數(shù)為8，伽羅華域?yàn)镚（256），能夠檢驗(yàn)的符號(hào)數(shù)為7。分組碼的糾錯(cuò)能力與信道特性和碼型有關(guān)，使用BSC信道和AWGN信道模型，譯碼的后誤碼率可近似為：

其中n為碼組長(zhǎng)度，t為糾錯(cuò)個(gè)數(shù)。按上式，在信道誤碼率Pe=10-3的條件下，采用RS（30，16），RS（16，6）的編碼方式，RS（30，16）譯碼后誤碼率為：

實(shí)際信道中產(chǎn)生的錯(cuò)誤往往是突發(fā)錯(cuò)誤或突發(fā)錯(cuò)誤與隨機(jī)錯(cuò)誤并存， 雖然RS碼已具備強(qiáng)大的抵御突發(fā)差錯(cuò)能力，但若對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交織處理，改變數(shù)據(jù)碼字傳輸順序的方法，將比較長(zhǎng)的突發(fā)錯(cuò)誤或多個(gè)突發(fā)錯(cuò)誤作離散化處理，則可進(jìn)一步提高RS碼在傳輸過(guò)程中的抗突發(fā)誤碼能力[4]。

3.3信號(hào)調(diào)制

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備調(diào)制波形常用的是BPSK、MSK、QPSK、GMSK等，本設(shè)計(jì)調(diào)制方式采用ISCP-DPSK方式，其原理框圖如圖7所示，基帶信號(hào)由信號(hào)選擇邏輯根據(jù)輸入比特符號(hào)和當(dāng)前相位狀態(tài)在基帶信號(hào)集合中選擇一個(gè)基帶信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)輸出[5]。

相對(duì)于BPSK調(diào)制，這種調(diào)制有如下優(yōu)點(diǎn)：符號(hào)間相位連續(xù)，信號(hào)具有良好的功率譜，發(fā)射信號(hào)為準(zhǔn)恒包絡(luò)，避免了初相，多普勒頻移等引起的符號(hào)間相位變化時(shí)對(duì)解調(diào)的影響，適合于高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的突發(fā)通信。

四、收發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)流程

CPU通過(guò)接口接收數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，分割等處理后，分為報(bào)頭和報(bào)文，報(bào)頭為6個(gè)字節(jié)，通過(guò)FIFO1_txin緩存，經(jīng)過(guò)報(bào)頭編碼交織送到CPU， 報(bào)文則通過(guò)FIFO2_txin緩存經(jīng)過(guò)報(bào)文編碼交織后送到CPU，CPU對(duì)報(bào)頭，報(bào)文進(jìn)行組合并插入幀同步頭和幀尾，最后插入載波完成信號(hào)的調(diào)制。

接收端是發(fā)送端的逆過(guò)程，即接收機(jī)收到信號(hào)經(jīng)解調(diào)后，通過(guò)FPGA對(duì)同步頭捕獲，經(jīng)解密，解交織后將數(shù)據(jù)分發(fā)。前240bit報(bào)頭編碼字節(jié)到FIFO1_rx_in緩存，經(jīng)報(bào)頭解碼后通過(guò)FIFO1_rx_out送至CPU，30字節(jié)之后的報(bào)文編碼字節(jié)送到FIFO2_rx_in緩存，經(jīng)報(bào)文解碼模塊最后通過(guò)FIFO2_rx_ out輸出到CPU。 最后通過(guò)CPU處理并完成解密后送給上層數(shù)據(jù)處理設(shè)備。

五、結(jié)束語(yǔ)

采用該底層設(shè)計(jì)技術(shù)，可有效解決無(wú)線傳輸設(shè)備透明傳輸問(wèn)題，采取的ISCP-DPSK的調(diào)制方式，相對(duì)于BPSK提高頻譜利用率，準(zhǔn)恒包絡(luò)方式降低了功放要求，兩級(jí)糾錯(cuò)碼的設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了突發(fā)通信的糾錯(cuò)能力。另外，該設(shè)計(jì)在實(shí)際項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用，滿足性能指標(biāo)，工作穩(wěn)定可靠。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張帆，超短波無(wú)線通信系統(tǒng)鏈路層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D] .北京：北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文.2011

[2] 王本龍，機(jī)載超短波抗干擾電臺(tái)設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2011

[3] 夏曉巍，方旭明，黃巍，陳遠(yuǎn).幀同步技術(shù)的研究與展望[J].信息安全與通信保密[J].，2006（07）：140-143

[4] 王新梅.肖國(guó)鎮(zhèn).糾錯(cuò)碼一原理與方法[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006

[5] 張劍.符號(hào)內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控調(diào)制方法[J].電訊技術(shù)，2010，50（8）：63-66