DRM短波通信設(shè)備的設(shè)計(jì)

楊曉波,夏 爽,張鵬泉

（天津光電集團(tuán),300000）

0 引言

短波AM廣播覆蓋范圍大、傳輸距離遠(yuǎn)、接收機(jī)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，一直被世界各國(guó)作為首選信息傳播的技術(shù)手段。由于技術(shù)的限制，傳統(tǒng)調(diào)幅廣播節(jié)目的單一性，易遭受由于電離層變化和頻率選擇性衰落而導(dǎo)致的固有傳輸干擾，收聽聲音質(zhì)量不高等缺點(diǎn)愈加突出。為了將AM波段的模擬調(diào)幅廣播數(shù)字化，DRM (世界數(shù)字廣播組織)與世界各國(guó)建立了世界通用的數(shù)字AM廣播標(biāo)準(zhǔn)，并推廣數(shù)字AM廣播技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

短波DRM通信系統(tǒng)包括4部分，人機(jī)交互界面、信源部分、信道部分部分和收發(fā)信機(jī)部分?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

1.1 人機(jī)界面部分

人機(jī)界面部分由液晶顯示器、按鍵組成。液晶顯示器旁邊設(shè)置一組按鍵，通過按鍵輸入相應(yīng)的參數(shù)。人機(jī)界面采用成本低廉且外圍簡(jiǎn)單的單片機(jī)完成屏幕控制和按鍵檢測(cè)，并將設(shè)置和改動(dòng)的結(jié)果發(fā)送給單板計(jì)算機(jī)。

1.2 信源接口部分

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖

信源接口部分支持綜合業(yè)務(wù)終端、計(jì)算機(jī)或音視頻編解碼設(shè)備等。為了適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的需要，DRM短波通信系統(tǒng)提供三種業(yè)務(wù)信源接口：

（1）數(shù)據(jù)通道——連接的數(shù)據(jù)終端可以是計(jì)算機(jī)、綜合業(yè)務(wù)終端（如802）、視頻或音頻壓縮編碼設(shè)備等。該通道提供最大的傳輸容量，以滿足數(shù)據(jù)通信的需求；

（2）聲碼通道——能夠連接各種聲碼設(shè)備。根據(jù)不同的聲碼器壓縮的音頻數(shù)據(jù)的流量，該通道能夠在4.8、3.6、2.4、1.2和0.6Kbps切換。該通道不使用時(shí)能夠關(guān)斷，以便為數(shù)據(jù)通道提供盡可能大的數(shù)據(jù)帶寬。

（3）字符通道——能夠連接各種字符收發(fā)設(shè)備（例如：在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行超級(jí)終端程序）。該通道只有100bps的速度，目的是為通信雙方提供一個(gè)能即時(shí)交流的信息通道。例如短信息服務(wù)。

所有的信源設(shè)備都復(fù)用一個(gè)LAN口。服務(wù)的區(qū)分在單板機(jī)上的網(wǎng)口控制程序中實(shí)現(xiàn)。信源接口部分負(fù)責(zé)和信源設(shè)備通信獲取信源設(shè)備的信息，并和它們進(jìn)行信息交互實(shí)現(xiàn)流控制，狀態(tài)控制功能。

1.3 信道部分

信道部分是本次研發(fā)的主體，主要由基帶部分和數(shù)字上下變頻部分組成。

1.3.1 數(shù)字基帶部分

數(shù)字基帶部分完成對(duì)信源信息的處理使得他們適合在無線信道上發(fā)送，具備一定的抗突發(fā)干擾、抗差錯(cuò)能力，并和無線信道的傳輸能力相匹配。將其劃分為如下3部分：

（1）復(fù)用過程和解復(fù)用過程：為了實(shí)現(xiàn)三種業(yè)務(wù)的同步發(fā)送，需要對(duì)3種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)復(fù)用到一個(gè)復(fù)用幀中。復(fù)用過程需要根據(jù)當(dāng)前的配置計(jì)算出復(fù)用幀的長(zhǎng)度，并根據(jù)這個(gè)長(zhǎng)度按照一定的優(yōu)先級(jí)為3個(gè)業(yè)務(wù)分配比特率；為了接收機(jī)能夠順利接收和解復(fù)用，在這個(gè)候還要生成FAC信道數(shù)據(jù)和SDC信道數(shù)據(jù)。

（2）信道編譯碼部分：對(duì)MSC、FAC和SDC通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理。對(duì)它們進(jìn)行能量擴(kuò)散減少連續(xù)的0或1出現(xiàn)的可能性；對(duì)MSC信道數(shù)據(jù)進(jìn)行碼流分區(qū)，以便對(duì)不同錯(cuò)誤保護(hù)要求的業(yè)務(wù)進(jìn)行分級(jí)保護(hù)、分級(jí)編譯碼按照碼流分區(qū)的結(jié)果進(jìn)行不同級(jí)別的卷積編譯碼；位交織操作是在分級(jí)編碼區(qū)域內(nèi)對(duì)位進(jìn)行交織，增加系統(tǒng)的抗突發(fā)錯(cuò)誤能力；根據(jù)用戶要求將比特按規(guī)定的星座圖進(jìn)行QAM映射；

（3）OFDM調(diào)制解調(diào)：在這一部分生成導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，組織傳輸超幀，并進(jìn)行頻域到時(shí)域的變換操作。對(duì)于接收，還要做一個(gè)同步過程，重新獲得超幀。系統(tǒng)的同步過程應(yīng)該是系統(tǒng)中最核心的技術(shù)

數(shù)字基帶通過USB2.0和數(shù)字中頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制傳輸。組織后的傳輸超幀和控制信息組織后傳輸?shù)綌?shù)字中頻，由數(shù)字中頻進(jìn)行進(jìn)一步處理。

1.3.2 數(shù)字中頻

數(shù)字基帶的核心器件是一塊FPGA。另外有一塊單片機(jī)實(shí)現(xiàn)USB2.0通信和控制功能。

（1）數(shù)字上變頻：將基帶信號(hào)變成適合發(fā)信機(jī)的射頻信號(hào)。為了能連接各種現(xiàn)役的短波無線電信道設(shè)備，DRM短波通信系統(tǒng)中頻輸出頻率范圍為0.1～5MHz，輸出幅度為-18～+1db；

（2）數(shù)字下變頻：將接收機(jī)的中頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合數(shù)字基帶處理的基帶信號(hào)。為了能連接各種現(xiàn)役的短波無線電信道設(shè)備，DRM短波通信系統(tǒng)中頻輸入頻率范圍為12～500KHz ，輸入幅度為-35～-5dbm。

1.4 收發(fā)信機(jī)部分

收發(fā)信機(jī)可以使用各種型號(hào)的短波發(fā)信機(jī)和短波收信機(jī)。因?yàn)槎滩―RM通信系統(tǒng)提供的是帶寬為4.5～20KHz的正交頻分復(fù)用信號(hào)，無法通過收發(fā)信機(jī)的音頻接口（收發(fā)信機(jī)的音頻接口帶寬限制一般為300～3000Hz，只有2.7KHz的帶寬），只能通過收發(fā)信機(jī)的中頻口進(jìn)行連接。為了保證中頻連接不受連接線路的影響，在發(fā)信機(jī)和收信機(jī)中安裝一個(gè)連接盒，對(duì)外部線路進(jìn)行隔離。

2 硬件組成

DRM短波通信系統(tǒng)的硬件是由人機(jī)交互板、單板計(jì)算機(jī)和中頻合成單元和加密模塊四部分組成，如圖2所示。人機(jī)界面部分負(fù)責(zé)顯示狀態(tài)和接收控制輸入；單板機(jī)進(jìn)行整個(gè)信道編解碼和調(diào)制解調(diào)處理；數(shù)字中頻合成單元，進(jìn)行數(shù)字上下變頻和數(shù)字濾波，產(chǎn)生中頻信號(hào)。聲碼器是外購件，用于語音編碼；加密模塊用于特殊通信。

2.1 人機(jī)交互設(shè)備

人機(jī)界面部分的作用是設(shè)定設(shè)備運(yùn)行方式，包括對(duì)帶寬、信道適應(yīng)模式、交織、QAM調(diào)制、信道編碼率及聲碼話復(fù)用等參數(shù)的控制，同時(shí)也顯示出當(dāng)前的狀態(tài)。人機(jī)界面設(shè)備是一塊印制板，屏幕、按鍵、蜂鳴器、單片機(jī)固定在一塊印制板上，印制板固定在機(jī)箱前面板。

圖2 DRM短波通信系統(tǒng)的主要構(gòu)成

2.2 單板計(jì)算機(jī)

選擇使用Intel/英特爾的D2500HN，用于實(shí)現(xiàn)基帶部分功能，主要包括信源處理、信道編譯碼和OFDM調(diào)制解調(diào)三個(gè)部分，它還要完成和人機(jī)界面的通信功能，實(shí)際是一個(gè)功能強(qiáng)大的小型化PC，其接口能夠滿足各種內(nèi)外板卡連接需求，通過專門的調(diào)制軟件即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和信道編碼等功能。

2.3 中頻合成單元構(gòu)成和主要器件

中頻合成單元基于軟件無線電技術(shù)，采用大規(guī)?？删幊唐骷约案咚贁?shù)模轉(zhuǎn)換器件，產(chǎn)生低雜散、低相噪的高性能中頻信號(hào)，其輸出中頻范圍為0.1～5MHz，輸入中頻信號(hào)范圍為12～500KHz；可與目前大多數(shù)在役通信發(fā)射機(jī)和接收機(jī)匹配。此外，為實(shí)現(xiàn)與原有通信系統(tǒng)兼容，中頻合成模塊還為發(fā)信機(jī)連接盒提供中頻切換指令。

中頻合成單元主要由MCU、FPGA、高速A/D、D/A和輸出濾波器組成，如圖3所示。

3 軟件主要組成

3.1 人機(jī)交互

人機(jī)交互部分主要功能是完成對(duì)信道參數(shù)的控制管理。全部參數(shù)管理分為：帶寬選擇、信號(hào)適應(yīng)模式選擇、交織周期選擇、QAM調(diào)制選擇、碼比選擇和話路狀態(tài)選擇六個(gè)模塊。除了對(duì)參數(shù)的設(shè)置管理，人機(jī)交互還將顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)。

3.2 DRM短波通信系統(tǒng)基帶軟件

基帶部分的功能依靠運(yùn)行于單板計(jì)算機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過對(duì)DRM體系標(biāo)準(zhǔn)的研究，將軟件分為發(fā)送過程和接收過程，每個(gè)過程又分接口、信道編譯碼、OFDM處理和過程控制4個(gè)部分。它們協(xié)同工作共同構(gòu)成一個(gè)完整的DRM收發(fā)系統(tǒng)。

3.2.1 發(fā)送過程主要處理

下面描述一個(gè)完整的發(fā)送過程：

（1）接口處理：接口處理部分要對(duì)信源的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和預(yù)處理。

（2）復(fù)用幀構(gòu)造處理：這部分將接口部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，組成一個(gè)可以用于后期進(jìn)行分級(jí)編碼的復(fù)用幀。它由一系列的自功能構(gòu)成。

（3）信道編碼：將復(fù)用幀、FAC、SDC數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，它包括如下部分。

1）能量擴(kuò)散：使用一個(gè)511位周期的偽隨機(jī)序列和原始數(shù)據(jù)進(jìn)行模二加，防止位之間的連續(xù)出現(xiàn)。

2）碼流分區(qū)：根據(jù)UEP保護(hù)的要求，對(duì)服用幀中重位進(jìn)行分區(qū)，這些不同分區(qū)的位將被進(jìn)行不同級(jí)別的編碼。

3）卷積編碼：根據(jù)DRM標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)碼流進(jìn)行卷積編碼。

4）編碼壓縮：根據(jù)編碼等級(jí)和DRM要求的壓縮矩陣，對(duì)已編碼的數(shù)據(jù)流進(jìn)行壓縮

5）位交織：對(duì)于壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行位交織，分散系統(tǒng)的突發(fā)錯(cuò)誤敏感度。

（4）QAM映射處理：編碼之后將碼流進(jìn)行QAM映射并通道幀。

（5）超幀構(gòu)成處理，對(duì)于MSC、FAC和SDC的QAM符號(hào)放置到合適的位置，構(gòu)成一個(gè)真正的傳輸超幀。

由于Intel Atom系列處理器均支持超線程技術(shù)，每一個(gè)部分編制獨(dú)立的線程，提高系統(tǒng)的并行運(yùn)行能力，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.2.2 接收過程主要處理

接收過程是發(fā)送過程的逆過程，在程序?qū)崿F(xiàn)上并不是完全和發(fā)送相反，它的順序和發(fā)送并不完全對(duì)應(yīng)。

（1）同步和OFDM解調(diào)，該部分內(nèi)容是整個(gè)DRM短波通信系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，它包含了如下子功能：

1）采樣頻率校正：由于A/D轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生采樣頻率的偏移，它會(huì)對(duì)接收機(jī)的性能產(chǎn)生影響，需要對(duì)變換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣頻率估計(jì)。

2）同步捕獲階段：完成頻率粗同步、時(shí)間粗同步、模式檢測(cè)和幀同步。

3)同步跟蹤階段：完成頻率細(xì)同步、時(shí)間細(xì)同步和采樣率偏移估計(jì)。

4)OFDM解調(diào)：對(duì)除去保護(hù)間隔的DRM碼元信號(hào)進(jìn)行FFT，完成信號(hào)從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換。

5)信道估計(jì)：基礎(chǔ)是信道本身具有的時(shí)域、頻域相關(guān)性，并基于統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理的最優(yōu)化準(zhǔn)則。DRM系統(tǒng)的信道估計(jì)是利用均勻分布存時(shí)域和頻域的增益導(dǎo)頻通過不同的插值方法得到每個(gè)子載波上的信道沖擊響應(yīng)據(jù)此完成信道估計(jì)。信道估計(jì)中用的插值方法有線性插值、DFT插值和維納插值等。

(2)超幀解構(gòu)處理，從解調(diào)后的超幀中提取出三個(gè)通道的相關(guān)信息。

(3)QAM去映射，把QAM分量變換成比特流。

(4)信道譯碼處理：主要完成信道的分級(jí)譯碼工作。

(5)復(fù)用幀解構(gòu)：對(duì)復(fù)用幀進(jìn)行解構(gòu)，恢復(fù)到服務(wù)。

(6)接口處理：接口處理根據(jù)SDC的信息，將碼流分配給合適的信源。

4 結(jié)論

DRM短波通信產(chǎn)品能夠廣泛應(yīng)用于各種艦船和陸地通信站，具有良好的前景，還可推廣到其它應(yīng)用領(lǐng)域，將會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 中頻合成單元硬件組成原理