短波探测系统中电台自动控制的实现

张曙霞 ，欧勇恒 ，刘月亮

（1. 海军工程大学, 武汉 430033；2. 海军东海舰队25分队，浙江宁波 315122）

0 引言

地面短波信道(电离层)探测方法主要包括斜向探测、斜向返回探测、垂直探测、相干散射探测和非相干散射探测等[1]。文献显示，国内外研究短波信道探测的学者很多，主要采取斜向探测[2-8]、斜向返回探测[9-15]和垂直探测[16]三种探测方式。其中，短波信道斜向探测是指高频无线电波入射方向与电离层的等电子浓度面法线成一非零角的传播探测方式，一般地说，它的接收点的地面距离是确定可知的[17]。斜向探测通常采用扫频方式工作，短波斜向探测电离图是电波斜向入射经短波信道反射到指定地点接收的回波记录。这种记录反映了发、收两站之间，斜投射短波信号的频率与信道反射回波的群路径之间的关系。电离层斜向探测可以对数千千米范围内的电离层进行探测与研究。

为了给短波信道传播特性的初步估计、短波无线电频率管理、短波信道可通状态初步评估等提供服务，特别是为现有短波通信服务，作者设计了一种成本较低、性能良好的短波信道斜向探测系统。短波信道斜向探测系统的设计基于软件无线电思想，发射端、接收端硬件电路完全相同，通过不同的软件分别实现发、收的功能。本文主要对HFCOSS中电台自动控制进行设计并用电路实现。

1 短波信道斜向探测系统及工作原理

短波信道斜向探测系统主要由数据发送与采集板、PLL、低噪声直流电源、计算机（PC）终端、短波电台和天线组成。数据发送与采集板包括数字信号处理器（DSP）模块、DSP扩展随机存储器（RAM）、CPLD时序控制模块、模数/数模转换器（ADC/DAC）模块、电台工作模式和频率控制模块、GPS接收机模块、GPS导航电文接收模块、高速通用串行总线（USB）模块、时钟模块。系统的收发同步由GPS秒脉冲触发实现，同步误差在 10-7秒数量级，系统结构框图如图 1所示。其中，DSP模块主要负责数据的处理和传输，包括探测发送数据、接收数据、GPS导航电文数据、电台控制命令等；CPLD时序控制模块主要负责DSP与USB模块、GPS导航电文接收模块、电台工作模式和频率控制模块之间通信的时序控制，以及分频等；ADC/DAC模块负责数据采集和数模转换；GPS接收机模块主要负责接收GPS导航电文，向DSP提供同步秒脉冲；GPS导航电文接收模块主要负责 GPS导航电文的接收、提取和传输，并在每分钟的00秒产生一个脉冲供收发同步用，主要由单片机组成；电台工作模式和频率控制模块主要由单片机组成，负责接收DSP传来的电台控制命令并转发给短波电台；USB模块负责PC和DSP之间的数据实时传输；时钟模块为DSP、单片机和USB提供工作时钟，主要有20 MHz、11.0592 MHz、24 MHz晶振和反相器组成；铷时钟和PLL模块为收发短波电台和ADC/DAC提供基准工作频率源，使接收端采集得到的信号中由收发系统引入的频差控制在0.0007 Hz以内；PC终端作为上位机，主要负责整个系统的启动操作、数据发送与保存、控制电台命令发送及状态显示等；短波电台负责数据的发送和接收；低噪声直流电源由开关电源和滤波器组成，给铷时钟、PLL和短波电台提供工作电源；DSP扩展RAM用于缓存探测数据。

短波信道斜向探测系统收发硬件电路完全相同，通过不同的软件实现发和收的功能，采用脉冲压缩技术和相干多普勒积分可以使发射功率比传统探测仪降低 1000多倍的情况下而在接收端具有相同的接收效果，大大降低了发射功率。系统可在 3～30 MHz频段对短波信道进行扫频探测，其频率步进可调，最小为电台的最小步进。系统启动前，待发送数据以 WAVE格式存储在PC中，系统启动以后，用户可根据需要选择发送数据，数据经USB模块实时传输给DSP，缓存在DSP的片外存储区，经 DAC后由短波电台经天线发射出去。每个频率点的散射波由天线接收后，从接收机串行输出到 ADC进行采样，并实时传输给DSP，缓存在DSP的片外存储区，再由DSP经 USB实时传输到 PC端进行显示和存储。在Matlab中，通过编程实现短波信道冲击响应的估计、散射函数的计算等工作。

图1 短波信道斜向探测系统框图

2 电台自动控制的设计

这里所讲的电台自动控制是指电台工作频率和工作模式的自动更换。电台工作频率和工作模式更换命令所经通路相同，都为：PC → DSP →电台工作模式和频率控制模块 →电台，只是命令字不同而已，二者的软件结构也完全相同。所以，在 2.2节只介绍电台工作频率更换的程序设计情况。

2.1 电台自动控制硬件的设计

2.1.1 电台工作频率和模式控制模块设计

电台工作频率和模式控制模块设计由STC89LE58RD+单片机、晶振、电容和电阻组成。11.0592 MHz晶振和两个20 pF的电容组成单片机的外部时钟；0 μF 电容和10k Ω 组成单片机的加电复位电路；P0口与CPLD的H_D0~H_D7相连接，用于接收CPLD传来的短波电台控制命令；和分别与 CPLD 的 WR51（引脚 55）、RD51（引脚54）相连，控制单片机的读写操作；TX_725（引脚7）通过音频口与短波电台的控制命令输入口相连接。

2.1.2 DSP与电台工作模式和频率控制模块连接电路的设计

DSP与电台工作模式和频率控制模块之间的数据传输是通过DSP的HPI口和单片机的P0口进行的。HPI的8位数据总线（HD0~HD7）和单片机的P00~P07连接，负责将控制命令传给单片机；HBIL和 P20连接，用于识别传输的是第 1个或第 2个字节；HCNTL0/1分别和单片机的P21、P22连接，用于选择内部寄存器，根据其电平高低，可以分别选择HPIC、HPIA、HPID；HR/W读写控制信号接 P23，用于读写控制；HCS、HDS1、HDS2分别接 P24、P37、P36，用于片选、读选通和写选通；HAS接高电平。单片机与HPI的具体连接框图如图2所示。当DSP与单片机交换数据时，HPI是单片机的一个外围设备。HPI的使用是通过对HPIA、HPIC和HPID三个寄存器赋值实现的。单片机通过外部引脚HCNTL0和HCNTL1选中不同的寄存器。在进行数据传输时，HPI能自动地将单片机传来的连续的8位数据组合成16位。

图2 DSP和频率控制模块连接电路的设计

2.2.1 PC端控制程序的设计

1）电台换频控制程序的设计

首先将当前接收的 GPS时间值与上一次比较用过的GPS时间值比较，如果二者相等，则退出本子程序；如果不等，则将返回的时间值赋给本子程序中的GPS时间变量，调用命令时间搜索程序函数查找命令数组中的时间与当前DGPS时间值相等的命令行， 将其返回赋给局部变量cmdstr，如果cmdstr为空字符，则退出本程序；如果cmdstr不为空字符，则调用函数取出与此时间相等的命令数组元素中在时间之后的两个字符，赋给局部变量 LFWord，判断 LFWord是否为“LF”。若为“LF”，则调用电台换频命令发送函数，更改电台工作频率，并将LFWord置为空并退出本子程序。若不是“LF”，则直接退出本子程序。工作流程如图3所示。

图3 电台换频控制算法流程图

2.1.3 DSP与USB之间连接电路的设计

DSP与 USB通过一个 16位的双向 I/O口D0~D15相连接，DSP端是引脚 99~104、113~119、121~123，USB 端是引脚 44~47、54~57、102~105、121~124，主要是作为DSP和 PC之间的双向数据传输通道。

2.2 电台自动控制软件的设计

电台自动控制软件程序包括PC端控制程序、DSP端命令传输程序和电台工作模式和频率控制模块命令传输程序。由于电台工作模式和频率控制模块命令传输程序只是负责转发控制命令，比较简单，其具体设计这里不作介绍，主要介绍PC端控制程序、DSP端命令传输程序的设计。

2）电台换频命令发送程序的设计

首先定义局部变量，初始化全局数组变量，调用函数将字符串cmdstr中的频率字符串取出赋给变量FreqStr，把DSP识别命令头0xAA、电台识别的命令头和命令尾赋给发送电台工作频率用全局数组，把字符串变量 FreqStr中的频率字逐个取出并合并成8bit填进全局数组中，将FreqStr中的频率字分割成以 MHz为单位并赋给频率显示全局变量用于频率的界面显示，调用写数据到USB的函数将频率发给DSP，并在ListBox中显示发送结果，其工作流程如图4所示。

图4 电台换频命令发送算法流程图

2.2.2 DSP端命令传输程序的设计

电台换频控制在PC中生成，根据预置的时间间隔发送。控制命令经过USB通道发给DSP，在DSP中首先要判断PC发来的是不是电台控制命令（因为还有其它的命令）。如果不是，则继续执行其它的程序；如果是，则接收PC发来的控制电台命令。然后判断发电台控制命令到电台的标志是否是允许，如果不是，则继续执行其它的程序；如果是，则将PC发来的电台控制命令合成电台能识别的格式。接着判断电台工作模式和频率控制模块是否准备好接收命令，如果不是，则继续执行其它的程序；如果是，则发电台控制命令到电台工作模式和频率控制模块。算法流程见图5。

图5 DSP端命令传输的算法流程图

3 电台自动控制的实现

系统的 PCB板的设计工作采用 VeriBest完成，VeriBest软件具有良好的自动推挤式布线功能和引脚自动互换功能（对 CPLD芯片）。PCB板的设计工作主要分两步[18]：第一步，在Design Capture中完成原理图设计；第二步，VeriBest PCB中进行元器件的布局和布线。如果VeriBest PCB的元器件封装库中没有某些元件的封装，应测量元器件的封装尺寸，自己画出封装并添加到VeriBest PCB的元器件封装库中。焊接好元器件的电路板如图6所示。电台工作模式和频率控制模块软件在Keil C51开发环境中用C语言和汇编语言混合编程开发。系统测试表明，所设计硬件和软件能实现电台工作频率和工作模式的自动更换。

4 结束语

本文介绍了短波信道斜向探测系统的组成与工作原理；对短波信道斜向探测系统中电台自动控制的硬件进行了设计，包括电台工作频率和模式控制模块设计、DSP与电台工作模式和频率控制模块连接电路的设计、DSP与USB之间连接电路的设计；设计了电台自动控制软件程序，包括PC端控制程序、DSP端命令传输程序和电台工作模式和频率控制模块命令传输程序；用电路实现了电台自动控制的硬件。测试结果表明，所设计电路和开发的程序能实现短波信道斜向探测系统中电台的自动控制。

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