一種基于音頻信道傳輸數(shù)字定位數(shù)據(jù)的設(shè)計

徐 輝，張津舟，黃永輝，李咪咪

（1.中國科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京　100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京　100190）

一種基于音頻信道傳輸數(shù)字定位數(shù)據(jù)的設(shè)計

徐 輝1，2，張津舟1，黃永輝1，李咪咪1，2

（1.中國科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100190）

為了實現(xiàn)數(shù)字定位數(shù)據(jù)在模擬音頻信道中傳輸，提出一種可行的設(shè)計方案，并實現(xiàn)軟硬件設(shè)計。硬件部分包含定位數(shù)據(jù)接收器、信號處理模塊和無線通信模塊，其中信號處理模塊由單片機STM8L151G4、運放芯片OPA2277和穩(wěn)壓芯片SN74LS132N組成。軟件部分包含定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計和信號變換設(shè)計。數(shù)字信號在傳輸過程中會參入噪聲，導(dǎo)致傳輸出現(xiàn)誤碼。本設(shè)計從軟硬件兩方面入手解決此問題，以保證信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。經(jīng)過實驗證明，該設(shè)計可顯著地降低誤碼率，提高數(shù)字信號在模擬信道中傳輸?shù)耐ㄐ刨|(zhì)量。

數(shù)字信號；模擬通道；信號處理；誤碼率

一般的視頻傳輸模塊有視頻信號和音頻信號兩條模擬信道。為節(jié)約成本，避免購買數(shù)字通信機的額外開銷，考慮使用該模塊中音頻信號信道傳輸北斗衛(wèi)星數(shù)字定位數(shù)據(jù)。

數(shù)字信號在模擬信道中傳輸會遇到諸多問題，造成較高的誤碼率。提高數(shù)字信號在模擬信道中的通信質(zhì)量是一個技術(shù)難點。目前，有關(guān)采用簡單有效手段解決此類問題的文獻(xiàn)比較有限［1-5］。針對該難點，文中提出一種簡單可行的設(shè)計方案，旨在降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，提高通信質(zhì)量。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)分為兩大部分：數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊，如圖1所示。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊位于野外，主要功能是接收北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)公里之外的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)接收模塊位于數(shù)據(jù)中心，主要功能是接收數(shù)據(jù)發(fā)送模塊傳來的定位數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)處理并傳至上位機顯示。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊包括衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)接收器、信號處理模塊1和無線通信模塊發(fā)射端。數(shù)據(jù)接收模塊包括無線通信模塊接收端、信號處理模塊2和上位機。其中，無線通信模塊即視頻傳輸模塊。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)接收器主要實現(xiàn)北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)接收的功能，接收器以異步串口的通信方式將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給信號處理模塊1，每秒發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，每幀包含50個連續(xù)的字符，通信速率是115 200 Baud。信號處理模塊1的主要功能是降低數(shù)據(jù)接收器發(fā)出的數(shù)據(jù)的通信速率，并對信號進(jìn)行變換，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，降低誤碼率。

無線通信模塊分發(fā)送、接收兩部分，其調(diào)制載波頻率為400 MHz。發(fā)送端接入被信號處理模塊1處理過的數(shù)字信號，經(jīng)過調(diào)制后發(fā)送。接收端接收到波形失真的定位信號后經(jīng)過解調(diào)傳給信號處理模塊2進(jìn)行處理。信號處理模塊2的主要功能是對接收到的信號進(jìn)行去噪處理，使之恢復(fù)為無線傳輸前的原始波形，并對信號進(jìn)行提速處理，以適應(yīng)輸出接口的通信速率。

本文研究點放在信號處理模塊上，重點論述如何恢復(fù)經(jīng)模擬信道傳輸?shù)臄?shù)字信號，其它部分不再贅。

2　硬件設(shè)計

2.1信號處理模塊1

信號處理模塊1是以STM8L151G4單片機為核心的處理電路，模塊輸入端信號為衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)接收器傳來的數(shù)字信號，采用異步串口通信方式，每秒發(fā)送一幀，串口通信速率是115 200 Baud。單片機對接收到的信號進(jìn)行降速處理，并對信號進(jìn)行一定的變換，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給以O(shè)PA2277為核心的信號轉(zhuǎn)換電路。因為無線通信模塊傳輸?shù)男盘柌荒芎兄绷鞣至?，而單片機輸出數(shù)據(jù)帶直流成分，所以添設(shè)信號轉(zhuǎn)換電路，將單極性波轉(zhuǎn)換為無直流成分的雙極性波。最后，定位數(shù)據(jù)被傳給無線通信模塊。

2.1.1STM8L151G4單片機

STM8L151G4是由意法半導(dǎo)體公司推出的一款高性能低功耗8位微控制器。在此設(shè)計中，采用單片機的USART接口進(jìn)行異步串口通信。測試發(fā)現(xiàn)，在此視頻模塊傳輸?shù)拇a元長度越短越容易淹沒于噪聲中，而碼元長度與波特率成反比關(guān)系［6］。所以，必須使定位數(shù)據(jù)傳輸速率盡量低。另一方面，定位數(shù)據(jù)每秒傳送一幀，每幀含50個連續(xù)的字符，若通信速率過低，將難以保證在一秒內(nèi)將全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完畢。經(jīng)計算，通信速率須大于500 Baud。原始定位數(shù)據(jù)的通信速率很高，波特率是115 200 Baud。綜合考慮，此處利用單片機將定位數(shù)據(jù)的波特率降至600 Baud。單片機對信號的變換處理將在軟件設(shè)計中詳細(xì)介紹。

2.1.2單極性波轉(zhuǎn)雙極性波電路

單片機和無線通信模塊之間設(shè)置單極性波轉(zhuǎn)雙極性波電路，如圖2所示。電路采用芯片OPA2277，這款芯片集成兩個放大器，在本設(shè)計中用到其中一個。圖中電阻被用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和輸出信號的電壓值，所以可以根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)阻值大小。

設(shè)輸入信號電平X，輸出信號電平Y(jié)，則輸出端信號電平計算公式如下所示：

通過上式可知，當(dāng)輸入信號為低電平時，即X=0，則輸出信號電平Y(jié)=1.65；當(dāng)輸入信號電平為高電平時，即X=3.3，則輸出信號電平Y(jié)=-1.65。

圖2　單極性波轉(zhuǎn)雙極性波電路圖

2.2信號處理模塊2

信號處理模塊2是由SN74LS132N和STM8L151G4單片機組成的信號處理電路，模塊的輸入信號來自無線通信模塊接收端輸出的參噪信號，而模塊輸出接上位機，在屏幕顯示。定位信號在無線傳輸?shù)倪^程中受環(huán)境影響，波形有所失真，如圖3所示，所以需對已經(jīng)嚴(yán)重形變的信號進(jìn)行整形處理。

圖3　原始波形

采用施密特觸發(fā)器結(jié)構(gòu)的芯片SN74LS132N內(nèi)部集成4 個2輸入與非門電路，其負(fù)向閥值電壓在0.6 V至1.1 V之間，正向閥值電壓在1.5 V至2.0 V之間。信號先經(jīng)過整流二極管去除負(fù)向成分，然后進(jìn)入該芯片進(jìn)行兩次穩(wěn)壓處理，使信號盡可能恢復(fù)至原始信號。

此外，單片機對信號進(jìn)行提速處理，目的是為了配合上位機接收，上位機的串口通信速率為115 200 Baud。所以，必須利用單片機將數(shù)據(jù)通信速率提高至115 200 Baud。

3　軟件設(shè)計

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，僅僅依靠硬件解決還是不夠的。經(jīng)過實際測試發(fā)現(xiàn)兩個問題，第一個問題是無線傳輸后的波形存在一些誤碼，有些高位被誤傳為低位，有些低位被誤傳為高位，這說明芯片SN74LS132N對波形的整形存在誤差。

第二個問題是每一幀數(shù)據(jù)經(jīng)無線模擬信道傳輸后，第一個字符的起始位無法被串口識別出，導(dǎo)致8個數(shù)據(jù)位中第一個低位被串口判定為字符的起始位，這樣整幀信息會被完全讀錯。

串口通信協(xié)議中規(guī)定，每個被傳輸?shù)淖址钠鹗嘉粸榈碗娖?。在?shù)據(jù)發(fā)送模塊中，無數(shù)據(jù)時串口的數(shù)據(jù)線保持高電平，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)第一個字符的起始位出現(xiàn)在下降沿之后，這樣起始位可以被串口識別。

無線通信模塊接收端的輸出端口并未按照嚴(yán)格的串口通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，無數(shù)據(jù)時串口的數(shù)據(jù)線保持低電平，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)第一個字符的起始位同樣為低電平，這樣被串口判定為無信號狀態(tài)的一部分，無法被讀取。

3.1數(shù)據(jù)輸出引腳置高

針對無線傳輸導(dǎo)致起始位無法識別的問題，在軟件上可以解決。信號處理模塊1在發(fā)送數(shù)據(jù)前，通過編程使單片機數(shù)據(jù)輸出引腳置高一定時間，即在每幀數(shù)據(jù)頭部添加一段高電平信號。該高電平信號被無線通信模塊當(dāng)作一幀內(nèi)部的數(shù)據(jù)發(fā)送，在接收端該高電平信號不被信號處理模塊2讀取。但該高電平之后為每幀數(shù)據(jù)第一個字符，字符的起始位為低電平，位于高電平下降沿之后，這樣起始位可以被串口識別，整幀數(shù)據(jù)可以被正確讀取。

3.2設(shè)置替換字符

在實測中我們發(fā)現(xiàn)，信號在無線傳輸?shù)倪^程中會參入一定噪聲。信號經(jīng)過接收端的整形電路處理之后，大部分碼元都可以恢復(fù)，但仍然有部分無法恢復(fù)，即信號出現(xiàn)誤碼。

后經(jīng)大量測試發(fā)現(xiàn)，若一類字符對應(yīng)的二進(jìn)制形式中有連續(xù)的高位（如01101110），那么該類字符極易被傳錯。相反，另一類字符對應(yīng)的二進(jìn)制形式中無連續(xù)的高位（如01010101），那么該類字符不易被傳錯。造成此現(xiàn)象的原因是，經(jīng)無線傳輸?shù)男盘柺艿皆肼晣?yán)重干擾，信號波形中高位越寬，末端衰降的幅度越大，電平衰減至一定程度后會被整形電路判為低位。

針對此問題，本文提出使用第二類的字符替換第一類字符來傳輸，在接收端相應(yīng)替換回來，此方法可有效降低誤碼率。

圖4　處理前的波形

圖6　上位機顯示的定位數(shù)據(jù)

4　系統(tǒng)測試結(jié)果

經(jīng)過大量測試，本文測試結(jié)果如圖3、4、5、6所示。圖4為衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)接收器發(fā)出的原始信號波形，圖3為無線通信模塊接收端接收到的參入噪聲的信號波形，圖5為信號處理模塊2處理后的信號波形，圖6為上位機顯示的具體北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)。

5　結(jié)　論

從實測結(jié)果可以看出，經(jīng)無線傳輸?shù)臄?shù)字信號被參入噪聲，使其波形出現(xiàn)一定的失真。本設(shè)計從硬件和軟件兩方面對信號進(jìn)行處理，以保證信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。經(jīng)過大量實測表明，本設(shè)計可以實現(xiàn)數(shù)字信號在無線模擬音頻信道的傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率達(dá)到一定要求。

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A design based on audio channel to send digital positioning data

XU Hui1，2，ZHANG Jin-zhou1，HUANG Yong-hui1，LI Mi-mi1，2
（1.Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China）

In order to satisfy the requirement of transmission of digital positioning data via the analog audio channel，a feasible design is introduced in this paper，including software design and hardware design.The hardware design includes positioning data receiver，signal processing module and wireless communication module.The signal processing module is composed of microcontroller unit STM8L151G4，operational amplifier chip OPA2277 and voltage regulator chip SN74LS132N.The software design includes the design of forwarding positioning data and the design of signal transformation.In the transmission process，the noise can cause error codes.The design tries to solve this problem from hardware and software，to ensure the accuracy of signal transmission.The experiment shows that the design can reduce the error rate significantly，and improve the communication quality of transmission of digital signal in the analog channel.

digital signal；analog channel；signal processing；error rate

TN919.6+4

A

1674－6236（2016）06-0089-03

2015-04-14稿件編號：201504142

徐 輝（1989—），男，山東濰坊人，碩士。研究方向：信息獲取與處理技術(shù)。