基于DSP組建短波電臺(tái)無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
利用短波信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具有傳輸距離遠(yuǎn)、受地形限制小、不易遭受人為破壞等優(yōu)點(diǎn)。本文通過對(duì)短波電臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種方案，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的系統(tǒng)軟、硬件。

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，本方案設(shè)計(jì)了與短波電臺(tái)音頻輸入/輸出的接口硬件。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)得到原始的數(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。
短波信道的特性直接影響組網(wǎng)方案的選擇。由于短波通信的傳輸距離較遠(yuǎn)，受到的噪聲干擾較強(qiáng)，所以本文采用了時(shí)分多址(TDMA)方式，使得在某一時(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。在音頻調(diào)制方式上，選擇了多進(jìn)制頻率鍵控(MFSK)。在接收端使用非相干解調(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。本文利用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，再與本地序列作相關(guān)處理，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，作為碼元結(jié)束的時(shí)刻，并由此獲得位同步信息。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：無需增加額外的位同步提取電路，直接進(jìn)行數(shù)字處理即可。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括五個(gè)模塊：DSP模塊、電源模塊、模擬接口模塊、異步串行接口及EPROM模塊和PCI接口模塊。DSP模塊是系統(tǒng)的核心，用來完成數(shù)字信號(hào)處理算法，本文采用TMS3201VC5402(簡(jiǎn)稱C5402)；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模塊僅在用戶端使用，完成與信息錄入設(shè)備通信及保存用戶端的程序代碼 ,并在復(fù)位時(shí)自舉加載；PCI接口模塊僅在接收中心端使用，完成與PC機(jī)通信及接收中心端程序的自舉加載。[!--empirenews.page--]
模擬接口模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用10位并行A/D轉(zhuǎn)換器TLV1571，該芯片的采樣率最高可達(dá)1.25MSPS，功耗極低，具有兩個(gè)軟件可配置的控制寄存器，由觸發(fā)信號(hào)控制所有的采樣、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出。采用雙路8位并行D/A轉(zhuǎn)換器TLC7528，該芯片設(shè)計(jì)成具有單獨(dú)的片內(nèi)數(shù)據(jù)鎖存器，VDD=5V時(shí)的建立時(shí)間為100ns，傳輸延時(shí)為80ns，數(shù)據(jù)鎖存與D/A轉(zhuǎn)換同樣由觸發(fā)信號(hào)完全控制。它們與C5402的連接如圖2所示。
該模塊通過地址譯碼把TLV1571和TLC7528分別映射到I/O空間的0x0002和0x0001，保證在C5402訪問數(shù)據(jù)總線時(shí)只有一個(gè)芯片處于選通狀態(tài)。在程序開始時(shí)，要對(duì)TLV1571的工作方式進(jìn)行初始化，通過寫入控制字0x00C0和0x0100，把它配置成為使用內(nèi)部時(shí)鐘、軟件啟動(dòng)采樣、二進(jìn)制輸出的模式。C5402將串口引腳FSX0設(shè)置為通用輸出引腳，控制TLV1571的讀信號(hào)/RD。在每次定時(shí)中斷中產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)D/A和A/D轉(zhuǎn)換，通過改變定時(shí)中斷的頻率就可以靈活地更改采樣率和D/A轉(zhuǎn)換頻率。
PCI接口模塊設(shè)計(jì)
PCI接口模塊采用了DSP-PCI橋芯片PCI2040，該芯片通過C5402上的8位并行主機(jī)接口(HPI)與DSP實(shí)現(xiàn)無縫連接，并且提供了標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線目標(biāo)接口。PCI2040與C5402的連接如圖3所示。
在設(shè)計(jì)PCI2040與C5402的接口電路時(shí)，除了連接相應(yīng)的數(shù)據(jù)線、地址線和控制線，還要把PCI2040上的主機(jī)到DSP的復(fù)位信號(hào)引腳/HRST0連接到C5402的復(fù)位信號(hào)引腳/RS上，由用戶程序通過PCI2040控制C5402的復(fù)位，并且把C5402的/HINT引腳和/INT2引腳相連接，保證接收中心的DSP在復(fù)位時(shí)正確選擇HPI自舉加載的方式。
異步串行接口及EPROM模塊設(shè)計(jì)
異步串行通信接口模塊采用MAX232將C5402輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電平，可以與遵循該標(biāo)準(zhǔn)的器件進(jìn)行通信。本方案利用了C5402的緩沖串口McBSP0的兩個(gè)引腳——DR0和DX0作為通用的輸入和輸出引腳，用來模擬異步串口。
EPROM芯片采用了AT29C512，其存儲(chǔ)容量為。在用戶端要把DSP的復(fù)位信號(hào)/RS通過開關(guān)和DVDD連接，手動(dòng)地產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，并斷開 /HINT和/INT2的連接，以便在復(fù)位時(shí)程序可以由EPROM正確地加載。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
信號(hào)檢測(cè)算法流程
設(shè)采樣率為f，碼元速率為R，則對(duì)每個(gè)碼元采樣得到的點(diǎn)數(shù)為：N=f/R。在DSP的RAM中設(shè)置一個(gè)滑窗，其長(zhǎng)度為N，用來保存采樣結(jié)果，每次采樣后用新樣本覆蓋滑窗中最老的樣本，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。在RAM中預(yù)先保存了對(duì)導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理所得到的N點(diǎn)本地導(dǎo)頻序列，以及對(duì)MFSK信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理所得到的本地MFSK序列，并開辟N點(diǎn)的緩沖區(qū)，用來保存導(dǎo)頻檢測(cè)結(jié)果。[!--empirenews.page--]
系統(tǒng)軟件總體流程
程序開始時(shí)，先要進(jìn)行初始化，對(duì)一些初始值和硬件狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，之后就進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)進(jìn)程。接收中心首先發(fā)送一個(gè)“查詢”信號(hào)，開始一次數(shù)據(jù)接收，并為整個(gè)通信網(wǎng)提供定時(shí)的基準(zhǔn)。用戶檢測(cè)到“查詢”信號(hào)后，如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則在屬于自己的時(shí)間段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。接收中心以一定的時(shí)間間隔不斷發(fā)送“查詢”信號(hào)，由此實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)傳輸。軟件流程分別如圖4、5所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
根據(jù)組網(wǎng)方案和設(shè)計(jì)的軟、硬件，本文使用短波電臺(tái)組建了一個(gè)包含三個(gè)用戶、一個(gè)接收中心的星型網(wǎng)絡(luò)，并在此網(wǎng)絡(luò)上測(cè)試組網(wǎng)方案。
在進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)之前，使用短波電臺(tái)提供的自動(dòng)選頻功能，進(jìn)行實(shí)時(shí)選頻，建立各個(gè)用戶與接收中心之間較高質(zhì)量的無線短波信道。實(shí)驗(yàn)設(shè)定碼元速率為100波特，采用4FSK信號(hào)調(diào)制方式，比特率達(dá)到了200bps；選擇m序列的長(zhǎng)度為15，在每段數(shù)據(jù)信號(hào)之前，插入20個(gè)周期的位同步導(dǎo)頻。為了防止對(duì)于同步導(dǎo)頻的漏檢和虛警，在接收端采取連續(xù)檢測(cè)到8個(gè)周期的導(dǎo)頻信號(hào)后，開始對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行非相干解調(diào)的方法，并根據(jù)平方率檢測(cè)器輸出的平方和結(jié)果的大小，判斷數(shù)據(jù)信號(hào)是否已經(jīng)起始。根據(jù)用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，每個(gè)用戶分配1s的定時(shí)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)多用戶的組網(wǎng)。
測(cè)試結(jié)果表明，所組建的短波電臺(tái)無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以準(zhǔn)確地完成信息的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)的功能。

結(jié)語
本文從短波信道和短波電臺(tái)的特性出發(fā)，通過仔細(xì)分析論證，提出了一種采用時(shí)分多址，時(shí)分雙工，多進(jìn)制頻率鍵控的組網(wǎng)方案，并根據(jù)該方案設(shè)計(jì)了基于DSP的軟、硬件。通過實(shí)驗(yàn)，證明該方案完成了組網(wǎng)的功能