基于FM的數(shù)字模擬混合通信系統(tǒng)的研究*

謝明楓，李明雪，王 驕

(東北大學信息科學與工程學院，沈陽110819)

XIE Mingfeng，LI Mingxue，WANGJiao*

(School of Information Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

自從手機等智能無線設(shè)備大范圍普及以來，人們已經(jīng)離不開無線通信系統(tǒng)所提供的便利的服務(wù)。通過藍牙［1］、WiFi［2］、NFC［3］等近距離無線通信技術(shù)，使用者可以快捷地分享設(shè)備中的文件，但是這些短距離通信技術(shù)的優(yōu)缺點是并存的。WiFi的特點是速度快，通信距離遠，但是需要移動熱點的支持，功耗較高且設(shè)備部署不方便;藍牙是一種較為成熟的無線通信技術(shù)，其功耗較低，同時具有較高的通信速度，但是在使用前需要配對，只能一對一通信，很難實現(xiàn)一對多通信;NFC的通信速度很快，但接觸式通信的通信距離非常的短，通常2cm以內(nèi)。而在實際的應用之中，人們往往追求設(shè)備的小型與低功耗、使用的便捷快速，而且在人員密集處盡量要范圍式的分享。FM通信雖然現(xiàn)階段盡顯老態(tài)，但是其有諸多優(yōu)點:通信距離遠、范圍廣、速度尚可，且設(shè)備簡單容易實現(xiàn)，此外，基于FM副載波的RDS協(xié)議具有一定的數(shù)字通信能力。下表描述了現(xiàn)在流行的幾種通信技術(shù)的比較。

由表1不難看出，F(xiàn)M具有的諸多優(yōu)點恰恰是現(xiàn)在人們在日常生活中所需要的，但是RDS技術(shù)由于引進時間較晚，在國內(nèi)的相關(guān)開發(fā)現(xiàn)在還非常少，技術(shù)尚未成熟。本文就是要利用FM的數(shù)字模擬混合通信能力來引入一種全新的通信理念，并設(shè)計相應的軟、硬件。

表1 主流短距通信方式對比

1 RDS技術(shù)介紹

Frequency Modulation(FM)意為調(diào)頻廣播，是生活中常用的一種廣播方式。我國的國家標準規(guī)定:調(diào)頻立體聲廣播的主載頻的調(diào)制信號是立體聲復合信號，由主信道信號(左信號和右信號)、副信道信號(由左信號和右信號的差信號對副載頻進行抑制載頻式調(diào)幅后所產(chǎn)生的上下邊帶波的合成信號)與導頻信號(立體聲廣播時為了接收需要而傳送的輔助信號)組成。

在進行立體聲廣播時基帶中還有較多的頻率空位可用作附加信息的傳輸。附加信息的傳輸不應造成對立體聲廣播節(jié)目的損害。而且附加信息的傳輸也不應受立體聲廣播節(jié)目的影響。雖然在基帶頻譜圖中有許多頻率空位可提供給傳輸附加信息用，但是實際上傳輸附加信息的副載頻并不能任意選取。當立體聲廣播時，在基帶的53 kHz以上的頻率范圍內(nèi)，在19 kHz的諧波處(57 kHz、76 kHz等)，干擾電平最低。此外，在66．5 kHz處也比較低。因此，如果傳輸附加信息的副載頻選用這幾個位置的頻率，可以獲得較高的傳輸信噪比。根據(jù)國際無線電咨詢委員會(CCIR)的建議:在基帶頻譜內(nèi)的53 kHz以上的57 kHz、67 kHz、76 kHz、92 kHz處可以傳輸附加信息，其中以57 kHz為副載波的數(shù)據(jù)通道稱為數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)(RDS)，以67 kHz、76 kHz、92 kHz為副載波的通道稱為輔助通信業(yè)務(wù)信道(SCA)。其基帶頻譜如圖1所示。

圖1 FM基帶頻譜圖

其中的無線數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)Radio Data System(RDS)是英國BBC廣播公司開發(fā)的一種特殊的無線電廣播［4］。它是在調(diào)頻廣播發(fā)射信號中利用副載波把電臺名稱、節(jié)目類型、節(jié)目內(nèi)容及其他信息以數(shù)字形式發(fā)送出去。通過具有RDS功能的調(diào)諧器就可以識別這些數(shù)字信號，變成字符顯示在顯示屏上。

RDS從開始就是為車載移動設(shè)計，因此RDS的很多特點都和移動環(huán)境相關(guān)，如TA和AF功能。

RDS的數(shù)據(jù)信息分為兩種類型:顯示信息和控制信息。顯示信息有PS、RT、PTY、CT?？刂菩畔⒂蠥F、TA、TP、EON、PI。它們的功能如下［5］:

Program Service(PS)—提供8個字符的電臺名稱顯示;

Program Type(PTY)—提供電臺節(jié)目類型顯示;

Traffic Program(TP)—提供電臺是否為交通電臺指示信息;

Traffic Announcement(TA)—提供電臺是否正在播放交通消息指示信息;

Alternative Frequencies(AF)—提供某個電臺的發(fā)射頻率表;

Program Identification(PI)—提供電臺識別碼;

Enhanced Other Network(EON)—提供其他電臺的信息，如 PS，TA;

Radio Text(RT)—提供最多64個字符的廣播文本顯示信息;

Clock Time(CT)—提供當前時間校正信息。

RDS傳輸有兩個特點［6］，一是頻繁、重復傳送。由于電臺與接收機之間是單向通信，為保證電臺接收的數(shù)據(jù)的準確性，電臺會不停重復發(fā)送RDS信息，如PI、TP、PTY需要頻繁傳送以方便接收機操作，如TP、PTY搜索;二是分組、分時傳輸。RDS的信息被分割成固定長度的數(shù)據(jù)塊連續(xù)傳輸，其意義有二，一是固定的小數(shù)據(jù)塊有利于數(shù)據(jù)的可靠傳輸，接收出錯時可使用糾錯手段恢復數(shù)據(jù);二是數(shù)據(jù)分塊傳輸可使發(fā)射臺方便控制各種RDS信息輸送次數(shù)，如Traffic為突發(fā)性的數(shù)據(jù)，不必頻繁地重復傳送。

2 基于RDS的數(shù)字模擬混合通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

前文討論了RDS技術(shù)以及實現(xiàn)RDS功能的FM芯片Si4721芯片。盡管現(xiàn)在市面上的絕大多數(shù)智能手機都具有FM的接收芯片，也不乏使用Si4721芯片的設(shè)備［7］，但是由于設(shè)計產(chǎn)權(quán)、專利等問題，手機的底層硬件驅(qū)動往往是不會公開的，我們直接利用手機內(nèi)的FM芯片幾乎不可能實現(xiàn)。因此，我們需要設(shè)計一個手機的“附件(Accessory)”來實現(xiàn)這樣一種基于FM的通信系統(tǒng)［8］。

基于這種理念，我們構(gòu)建了一個數(shù)字系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由MSP430作為主控芯片［9］，F(xiàn)M部分采用兩塊Si4721芯片，以便實現(xiàn)全雙工通信。對于系統(tǒng)與手機之間的通信，為了保證接口的通用性，我們選用了3．5mm口徑的耳機接口，如圖3所示。由這些硬件，就可以搭建一套基于FM的數(shù)字模擬混合通信系統(tǒng)了。

圖3 耳機接口圖

系統(tǒng)整體由MSP430芯片控制。由于系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)較為復雜，這里我們采用Tiny OS嵌入式系統(tǒng)來保證系統(tǒng)的高效有序運行。MSP430通過耳機接口與手機進行通訊，分析手機端發(fā)出的指令，而后通過I2C協(xié)議驅(qū)動兩塊Si4721芯片進行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。同樣，從 Si4721接收到的指令通過MSP430進行分析，轉(zhuǎn)為手機端控制指令并通過耳機接口傳輸至手機端，由手機執(zhí)行相應操作。

系統(tǒng)基于手機平臺開發(fā)自然不希望系統(tǒng)體積過大、功耗過高，這樣會給使用者帶來負擔。為了解決這個問題，我們選擇了低功耗的MSP430F117作為主控芯片;另一方面，我們不希望附件與手機之間通過額外的接口連接，所以我們利用耳機接口由手機對附件直接供電。

本設(shè)計采用了AMS1117直流電源轉(zhuǎn)換芯片，AMS1117是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩(wěn)壓電路［10］，最高輸出電流可達1 A，而且 AMS1117內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定。在本系統(tǒng)中，用外部直流5 V電源供電，使用了2個AMS1117芯片，一個輸出3．3 V電壓，供MSP430以及Si4721芯片使用，另一輸出1．8 V電壓，暫且保留用途。

3 曼徹斯特編碼

前文介紹的硬件平臺是利用耳機接口傳輸音頻信號實現(xiàn)手機與附件的通信。對傳輸?shù)囊纛l信號進行特定的編碼，可以進一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。曼徹斯特碼是一種雙極性二電平碼。曼徹斯特編碼用一個周期的正負對稱方波表示“0”，而用其反向波形表示“1”。其編碼規(guī)則是:“0”用“10”表示，“1”用“01”兩位碼表示。曼徹斯特碼只有極性相反的兩個點，因此在每個碼元周期的中心點都存在電平跳變，包含有豐富的定時信息［11］。由于曼徹斯特編碼實現(xiàn)較為簡單，并且在數(shù)字系統(tǒng)中經(jīng)常使用，本文選擇使用曼徹斯特進行數(shù)據(jù)編碼。

我們使用USART0模塊作為用戶應用開發(fā)和軟件調(diào)試的接口。當URXD0檢測到數(shù)據(jù)后，單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼。該數(shù)據(jù)由開始位、奇偶校驗位、停止位以及8 bit數(shù)據(jù)組成。經(jīng)過編碼后的數(shù)據(jù)通過連接到手機MIC的P40口輸出。TimerB0有4種工作模式:停止模式、增計數(shù)模式、連續(xù)模式以及增減計數(shù)模式。我們將其設(shè)置為連續(xù)輸出模式，在未發(fā)送數(shù)據(jù)的時候產(chǎn)生頻率可調(diào)節(jié)的方波。

圖4 曼徹斯特編碼原理圖

4 曼徹斯特解碼

從手機左聲道出來的數(shù)據(jù)經(jīng)過加法器消除負值，將P23口設(shè)置為輸入模式，并使用其第2功能D電壓比較器CA0。使能P24的電壓比較器CA1，比較器電壓可以設(shè)置為0．25 Vcc或者0．5 Vcc，本實驗將其設(shè)置為0．5 Vcc。CA0輸入的電壓與CA1內(nèi)部的0．5 Vcc電壓比較輸出數(shù)字信號。

通過使用捕捉模式的邊緣檢測，檢測經(jīng)過電壓比較器后的數(shù)字信號，當連續(xù)檢測到下降沿以及連續(xù)3個上升沿時，表示接下來接收到的為數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特解碼。解碼算法為當檢測到下降沿時將其置1，檢測到上升沿時將其置0。

圖5 曼徹斯特解碼原理圖

5 通信程序的實現(xiàn)

圖6為程序初始化流程圖，程序首先對硬件進行初始化，配置定時器比較器、電壓比較器、捕捉器并設(shè)置串口通信的波特率以及時鐘源。初始化完畢后定時器周期性產(chǎn)生中斷，在串口收到數(shù)據(jù)后出發(fā)串口硬件中斷，將接收到的數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼從MIC端口發(fā)出。在手機到從耳機的左聲道輸出的模擬信號通過電壓比較器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再通過曼徹斯特解碼獲得從耳機的左聲道發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

圖6 主程序執(zhí)行流程圖

6 系統(tǒng)測試

根據(jù)以上設(shè)計理念，我們設(shè)計了一款初步產(chǎn)品，現(xiàn)階段我們已經(jīng)完成了并制作了FM通信系統(tǒng)的硬件平臺。在手機端，我們基于Android平臺制作了四款演示軟件，利用這些軟件我們可以實現(xiàn)雙機之間的數(shù)據(jù)通信、音樂分享、游戲?qū)?zhàn)等等功能。

圖7 Demo測試平臺實物圖

將我們設(shè)計模塊上的耳機插頭插入Android平臺的智能手機上，啟動手機安裝的相應軟件，便可以實現(xiàn)兩部手機之間的通訊功能，如圖8所示。

圖8 雙機通訊實物圖

在手機端設(shè)計了Android平臺的FM信號檢測軟件，用于檢測FM信號的RSSI與SNR。FM信號在手機的接收端會有接收強度的差別，利用信號的SNR(信噪比)的不同，我們便可以利用一些算法實現(xiàn)FM信號發(fā)射源的位置，也可以借此實現(xiàn)基于FM信號的室內(nèi)無線定位［12］。另外，對于不同強度的信號，我們還可以利用信號檢測軟件來做很多FM通信的測試，例如:信號穿透性、信號傳輸?shù)姆€(wěn)定程度、信號傳輸?shù)木嚯x等等。

為了滿足手機的娛樂需要，我們還基于無線通信模塊編寫了一款中國象棋的軟件，如圖9所示，充分地展現(xiàn)了RDS協(xié)議的數(shù)字通信能力。利用這款應用，我們可以實現(xiàn)中國象棋的手機無線對戰(zhàn)，而不需要接入無線網(wǎng)絡(luò)。

圖9 三款手機端測試軟件

為了方便調(diào)試硬件設(shè)備，我們設(shè)計了一款模塊系統(tǒng)測試軟件，用于檢測模塊的工作情況。在軟件中，可以設(shè)定發(fā)送信息的內(nèi)容，然后重復發(fā)送，接收得到的反饋信息。

我們進行了平臺功耗測試及性能測試。如表2和表3所示，可以看出平臺的整體功耗非常低，接收距離比較理想，達到了設(shè)計的目標。

表2 平臺功耗測試結(jié)果 單位:mW

表3 平臺性能測試結(jié)果

7 結(jié)論

基于我們設(shè)計的Demo平臺以及相關(guān)手機端軟件，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)利用手機對平臺進行控制、發(fā)送接收FM數(shù)字模擬混合信號。經(jīng)過測試，我們發(fā)現(xiàn)這種基于FM的數(shù)字模擬混合短距離通信技術(shù)在25 m的范圍內(nèi)性能是可以接受的，但是在超過25 m時信號的強度以及可辨識度大大下降。就日常應用而言，25 m對于一種短距離通信技術(shù)是完全足夠的。重要的是，平臺的整體功耗維持在65 mW左右，達到了一個較低的功耗標準，可以供移動設(shè)備使用。

［1］ An Introduction to Bluetooth［EB/OL］．http://goo．gl/sKNmo．

［2］ Introduction to 802．11 Wireless［EB/OL］． http://goo．gl/Zw4P2．

［3］ Introduction to NFC［EB/OL］．http://goo．gl/5p0Hd．

［4］ 胡錦，李湘春，馮炳軍．基于FM接收機的可變帶寬頻率綜合器設(shè)計［J］．電子器件，2007，30(2):526－529．

［5］ Wildar R J．FM Plus RDS will Have a Long Future［J］．Radio Word International Edition，2008:12 －15．

［6］ 余華，劉冬生．基于SAA6588解碼器的RDS接收系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．自動化儀器儀表，2005(2):18－21．

［7］ 李靜，應自爐，李德鋒，等．基于SI473X的RDS功能設(shè)計與實現(xiàn)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(21):175－177，182．

［8］ 莊逸眾，田野．一種基于RDS單向廣播信道的文件分發(fā)方法［J］．軟件，2012，33(12):197 －200．

［9］ 胡大可．MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2000:39．

［10］楊平，王威．MSP430系列超低功耗單片機及應用［J］．國外電子測量技術(shù)，2008，27(12):48 －50．

［11］肖景和，趙健．初學無線電——電子電路分析［M］．北京:人民郵電出版社，2006:41－50．

［12］于寧，萬江文，吳銀鋒．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法研究［J］．傳感技術(shù)學報，2007，20(1):187 －192．