論短波電臺(tái)電子數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高金丹

【摘要】無線數(shù)傳電臺(tái)由于是無線傳播，相對(duì)有線傳播機(jī)器更容易保養(yǎng)和維護(hù)，但是對(duì)于工作環(huán)境、操作技巧和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)也有一定的要求，按照合理的方式處理不僅可以延長機(jī)器使用壽命，還能準(zhǔn)確高效地工作。

【關(guān)鍵詞】短波 電臺(tái) 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

一、短波電臺(tái)的特性

（一）短波的界定

無線電短波是指波長為10～100m的電磁波，其頻率為3～30MHz。利用短波信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具有傳輸距離遠(yuǎn)、受地形限制較小、不易遭受人為破壞等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

（二）短波電臺(tái)的主要用途

短波電臺(tái)一般用于傳送話音、等幅報(bào)和移頻報(bào)。在傳送電話信號(hào)時(shí)，短波電臺(tái)主要采用振幅調(diào)制和單邊帶調(diào)制。振幅調(diào)制是使高頻信號(hào)的振幅隨被傳遞的信號(hào)而變化。調(diào)幅波的頻譜是由載頻、卜邊帶和下邊帶三部分組成。被傳遞的信息僅包含在兩個(gè)邊帶之中，而且每一個(gè)邊帶都包含了完整的被傳遞的信息。若僅發(fā)射一個(gè)邊帶，即稱為單邊帶調(diào)制。傳遞電報(bào)信號(hào)時(shí)，主要采用振幅鍵控或移頻鍵控。

（三）短波電臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸途徑

主要有兩種傳播途徑，一是地波，沿地球表面?zhèn)鞑?，其傳播距離取決于地表介質(zhì)特性。海面介質(zhì)的電導(dǎo)特性對(duì)于電波傳播最為有利，短波地波信號(hào)可以沿海面?zhèn)鞑?000公里左右；陸地表面介質(zhì)電導(dǎo)特性差，對(duì)電波衰耗大，而且不同的陸地表面介質(zhì)對(duì)電波的衰耗程度不一樣（潮濕土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大）。短波信號(hào)沿地面最多只能傳播幾十公里。地波傳播不需要經(jīng)常改變工作頻率，但要考慮障礙物的阻擋，這與天波傳播是不同的。二是天波，這也是短波的主要傳播途徑。短波信號(hào)由天線發(fā)出后，經(jīng)電離層反射回地面，又由地面反射回電離層，可以反射多次，因而傳播距離很遠(yuǎn)（幾百至上萬公里），而且不受地面障礙物阻擋。但天波是很不穩(wěn)定的。在天波傳播過程中，路徑衰耗、時(shí)間延遲、大氣噪聲、多徑效應(yīng)、電離層衰落等因素，都會(huì)造成信號(hào)的弱化和畸變，影響短波通信的效果。

二、設(shè)計(jì)思想

本文在對(duì)短波信道的特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過對(duì)短波通信的主要工具短波電臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種方案，用于組建一個(gè)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，并根據(jù)此方案設(shè)計(jì)了基于DSP芯片的系統(tǒng)軟、硬件。

三、傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)方案

在設(shè)計(jì)組網(wǎng)方案時(shí)需要對(duì)短波電臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，為了不影響電臺(tái)原有的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)了與短波電臺(tái)的音頻輸入輸出口相接口的硬件，在發(fā)送端先對(duì)數(shù)字信號(hào)做音頻調(diào)制，再由電臺(tái)進(jìn)行二次調(diào)制到短波頻段上發(fā)送，在接收端經(jīng)過短波解調(diào)和音頻解調(diào)得到數(shù)字信號(hào)。這種改進(jìn)方法適用于大多數(shù)具有語音通信功能的電臺(tái)，易于移植，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和通用性。采用時(shí)分多址（TDMA）的方式，在某一時(shí)刻只有一個(gè)用戶發(fā)送信號(hào)，以獲得較好的信噪比性能。采用多進(jìn)制頻率鍵控（MFSK）的音頻調(diào)制，這種方式適合于在缺乏相位穩(wěn)定性的信道及衰落信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且充分利用了傳輸帶寬，提高了傳輸速率。在接收端采用非相干解調(diào)和平方率檢波的方法對(duì)MFSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，這種方法不需要估計(jì)載波的相位，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。發(fā)送端在發(fā)送MFSK信號(hào)之前插入時(shí)域位同步導(dǎo)頻，用來幫助接收端獲取抽樣判決的位同步信息。利用m序列的自相關(guān)函數(shù)近似于沖擊函數(shù)的特性，使用與碼元等周期的m序列音頻調(diào)制信號(hào)作為位同步導(dǎo)頻。接收端在進(jìn)行導(dǎo)頻檢測(cè)時(shí)，先對(duì)采樣得到的信號(hào)進(jìn)行順序移位，再與本地序列做相關(guān)，在一個(gè)碼元周期內(nèi)，找到最大的相關(guān)結(jié)果與對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，認(rèn)為此時(shí)刻為碼元結(jié)束的時(shí)刻，并由此獲得位同步信息。

四、系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件以DSP芯片為核心，對(duì)信號(hào)主要進(jìn)行數(shù)字處理，把固定的硬件結(jié)構(gòu)和靈活的軟件算法相結(jié)合，只通過修改軟件就可以實(shí)現(xiàn)方案的改進(jìn)和系統(tǒng)的升級(jí)，靈活簡(jiǎn)單、方便易行。系統(tǒng)使用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320 VC5402（簡(jiǎn)稱C5402），是一款低功耗、高性價(jià)比的16b字長定點(diǎn)DSP芯片，運(yùn)算速率可達(dá)100MI/s，具有高度靈活的可操作性和高速的處理能力，在實(shí)時(shí)嵌人語音通信等方面得到了廣泛的應(yīng)用。統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括4個(gè)模塊：DSP模塊、電源模塊、模擬接口模塊和異步串行接口及EPROM模塊。DSP模塊用來完成數(shù)字信號(hào)處理算法；電源模塊利用了電臺(tái)提供的12V直流電壓，經(jīng)過兩級(jí)電源轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生穩(wěn)定的3.3V和1.8V的電壓輸出，分別提供給C5402作為I/O電源和內(nèi)核電源，同時(shí)5V的直流電壓也給電路板上的其他芯片供電；模擬接口模塊和電臺(tái)音頻口連接，用來采樣音頻輸出信號(hào)和產(chǎn)生音頻模擬輸入信號(hào)，控制電臺(tái)音頻輸入輸出轉(zhuǎn)換鍵控信號(hào)PTT；異步串行接口及EPROM模塊完成與信息錄人設(shè)備通信，以及保存程序代碼并在復(fù)位時(shí)自行加載。

五、通信引用軟件的設(shè)計(jì)

通信應(yīng)用軟件與短波Modem通過串口以包的形式交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分為2種類型：AT指令幀和用戶信息幀。短波Modem自動(dòng)識(shí)別2種幀結(jié)構(gòu)：對(duì)于AT指令幀，短波Modem執(zhí)行相應(yīng)的控制命令；對(duì)于用戶數(shù)據(jù)信息幀，短波Modem自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)到信道上。短波Modem對(duì)計(jì)算機(jī)通過串口送來的用戶信息數(shù)據(jù)采用透明方式，即不需了解用戶數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)。短波Modem將計(jì)算機(jī)串口送來的數(shù)據(jù)流封裝成數(shù)據(jù)包，再發(fā)送到信道上；接收端的短波Modem將接收到的數(shù)據(jù)包還原恢復(fù)后，將數(shù)據(jù)包從串口送出，從這個(gè)角度而言，通信應(yīng)用軟件可以將無線建立的通信鏈路看成根串行電纜。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式中，發(fā)送端的短波Modem將通過計(jì)算機(jī)串口向高層通信軟件報(bào)告發(fā)送結(jié)果，該結(jié)果被封裝成幀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。短波Modem根據(jù)計(jì)算機(jī)串口輸出的數(shù)據(jù)幀長度自動(dòng)打包，最大包長與信道速率有關(guān)。高層通信軟件每次發(fā)送給短波Modem的數(shù)據(jù)幀不能超過最大包長。