基于SDR的短波數(shù)傳裝置設(shè)計(jì)①

舒賢宇 李鑒洋 朱浩楠 梁家和 李琪 王金聰

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150040)

在數(shù)傳方面，目前使用最廣泛的幾種方案有低成本的LoRa、Zigbee，但傳輸距離非常有限；有高速、穩(wěn)定的GSM、NB-LoT，但需要投入建設(shè)和運(yùn)營中繼基站，成本不菲。而成本低且傳輸距離極遠(yuǎn)（＞100km）的數(shù)傳設(shè)備暫時(shí)屬于空白，并且遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸主要依賴光纖網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信，其造價(jià)和運(yùn)營成本都非常高，在一些特殊需求上無法建設(shè)并投入運(yùn)營。因此短波數(shù)傳方案在跨洲、跨洋等遠(yuǎn)距離數(shù)傳需求上有很大應(yīng)用空間，其成本低、傳播距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)方便，可應(yīng)用于森林防火監(jiān)控系統(tǒng)、野生動(dòng)物動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、輸油管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)等特殊領(lǐng)域。

圖1 發(fā)射機(jī)-接收機(jī)傳輸示意圖

圖2 短波數(shù)傳裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 短波數(shù)傳裝置防護(hù)罩結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 單片機(jī)部分結(jié)構(gòu)示意圖

1 設(shè)計(jì)理念

本文設(shè)計(jì)介紹了一款基于SDR的短波數(shù)傳裝置，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分。

如圖1發(fā)射機(jī)基于單片機(jī)軟件開發(fā)，主要負(fù)責(zé)從傳感器采集數(shù)據(jù)并調(diào)制信號(hào)，以短波作為載波發(fā)射，利用電離層對短波信號(hào)的反射實(shí)現(xiàn)跨數(shù)百公里的直接數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 超外差電路示意圖

圖7 位同步原理圖

接收機(jī)由超外差電路和FPGA模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)解調(diào)接收到的多路模擬信號(hào)，將解調(diào)所得數(shù)字信號(hào)輸出到計(jì)算機(jī)。

此外，本裝置還同時(shí)利用FPGA多陣列分頻工作組建星型工作網(wǎng)絡(luò)，以低成本的方式實(shí)現(xiàn)對廣闊區(qū)域的覆蓋和建立通信鏈路。

2 基于SDR的短波數(shù)傳裝置設(shè)計(jì)

2.1 短波數(shù)傳裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置主要由短波數(shù)傳裝置本體、單片機(jī)、射頻發(fā)射電路板和防護(hù)罩等部分組成，具體見圖2和圖3。

2.2 短波數(shù)傳裝置單片機(jī)部分設(shè)計(jì)

本裝置采用STM32單片機(jī)，在短波數(shù)傳裝置本體的內(nèi)部安裝單片機(jī)，在單片機(jī)的一側(cè)安裝有射頻發(fā)射電路板，在射頻發(fā)射電路板的一側(cè)安裝有天線，具體示意圖見圖4。

2.3 短波數(shù)傳裝置軟件部分設(shè)計(jì)

（1）電路結(jié)構(gòu)。

發(fā)射端由STM32單片機(jī)、射頻發(fā)射電路和天線構(gòu)成，單片機(jī)負(fù)責(zé)采集信號(hào)和調(diào)制；接收端由超外差電路、FPGA模塊和天線構(gòu)成，負(fù)責(zé)對信號(hào)的解調(diào)，并輸出解調(diào)信號(hào)給計(jì)算機(jī)，見圖5。

（2）超外差接收電路。

天線接收到的高頻信號(hào)經(jīng)過濾波和放大，送入混頻器與本地振蕩器產(chǎn)生的高頻信號(hào)差頻后獲得一個(gè)中頻信號(hào)，經(jīng)過放大，完成對信號(hào)的變頻，最后將中頻信號(hào)送入解調(diào)器，見圖6。

（3）位同步。

采用數(shù)字鎖相環(huán)位同步，由可編程的FPGA來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)提取位同步基準(zhǔn)脈沖后，鎖相環(huán)讀取表示位同步脈沖分頻器的相位計(jì)數(shù)值，若相位差為零，則處于位同步狀態(tài)；若為某一差值，則加大或減小分頻器模值存儲(chǔ)器的值，見圖7。

3 基于SDR的短波數(shù)傳裝置有益效果

（1）遠(yuǎn)距離：以短波為載波，利用電離層對短波的反射，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百公里遠(yuǎn)距離的點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)字通信；

（2）成本低：無需中繼基站、無運(yùn)營成本，可解決特殊應(yīng)用領(lǐng)域的遠(yuǎn)程通信需求，填補(bǔ)空白市場；

（3）可組網(wǎng)：接收端采用FPGA可編程門陣列，可多路接收，易于組建星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)；

（4）SDR：采用軟件無線電(Software Defined Radio)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，SDR是當(dāng)今無線電技術(shù)的發(fā)展方向，其具有技術(shù)前瞻性、可編程、通用性高、低功耗、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語

本裝置通過利用SDR等技術(shù)，綜合考慮了成本和傳輸距離等各種因素，設(shè)計(jì)了一款基于SDR的短波數(shù)傳裝置，不僅保證了成本，還能在使用的過程中方便組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多路接收，并增加了有效通信距離，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，對于短波數(shù)傳的應(yīng)用等方面具有一定的參考價(jià)值。