论短波电台电子数据无线传输系统的设计

高金丹

【摘要】无线数传电台由于是无线传播，相对有线传播机器更容易保养和维护，但是对于工作环境、操作技巧和数据传输系统设计也有一定的要求，按照合理的方式处理不仅可以延长机器使用寿命，还能准确高效地工作。

【关键词】短波 电台 无线数据传输系统

一、短波电台的特性

（一）短波的界定

无线电短波是指波长为10～100m的电磁波，其频率为3～30MHz。利用短波信道进行数据通信，具有传输距离远、受地形限制较小、不易遭受人为破坏等优点，有着广阔的应用前景。

（二）短波电台的主要用途

短波电台一般用于传送话音、等幅报和移频报。在传送电话信号时，短波电台主要采用振幅调制和单边带调制。振幅调制是使高频信号的振幅随被传递的信号而变化。调幅波的频谱是由载频、卜边带和下边带三部分组成。被传递的信息仅包含在两个边带之中，而且每一个边带都包含了完整的被传递的信息。若仅发射一个边带，即称为单边带调制。传递电报信号时，主要采用振幅键控或移频键控。

（三）短波电台的数据传输途径

主要有两种传播途径，一是地波，沿地球表面传播，其传播距离取决于地表介质特性。海面介质的电导特性对于电波传播最为有利，短波地波信号可以沿海面传播1000公里左右；陆地表面介质电导特性差，对电波衰耗大，而且不同的陆地表面介质对电波的衰耗程度不一样（潮湿土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大）。短波信号沿地面最多只能传播几十公里。地波传播不需要经常改变工作频率，但要考虑障碍物的阻挡，这与天波传播是不同的。二是天波，这也是短波的主要传播途径。短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，可以反射多次，因而传播距离很远（几百至上万公里），而且不受地面障碍物阻挡。但天波是很不稳定的。在天波传播过程中，路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等因素，都会造成信号的弱化和畸变，影响短波通信的效果。

二、设计思想

本文在对短波信道的特性进行分析的基础上，通过对短波通信的主要工具短波电台进行改进，提出一种方案，用于组建一个一点对多点的星型拓扑结构无线网络，进行远距离数据传输，并根据此方案设计了基于DSP芯片的系统软、硬件。

三、传输系统组网方案

在设计组网方案时需要对短波电台进行改进，为了不影响电台原有的内部硬件结构和功能，设计了与短波电台的音频输入输出口相接口的硬件，在发送端先对数字信号做音频调制，再由电台进行二次调制到短波频段上发送，在接收端经过短波解调和音频解调得到数字信号。这种改进方法适用于大多数具有语音通信功能的电台，易于移植，具有良好的经济性和通用性。采用时分多址（TDMA）的方式，在某一时刻只有一个用户发送信号，以获得较好的信噪比性能。采用多进制频率键控（MFSK）的音频调制，这种方式适合于在缺乏相位稳定性的信道及衰落信道上进行数据传输，而且充分利用了传输带宽，提高了传输速率。在接收端采用非相干解调和平方率检波的方法对MFSK信号进行解调，这种方法不需要估计载波的相位，大大降低了系统的复杂度。发送端在发送MFSK信号之前插入时域位同步导频，用来帮助接收端获取抽样判决的位同步信息。利用m序列的自相关函数近似于冲击函数的特性，使用与码元等周期的m序列音频调制信号作为位同步导频。接收端在进行导频检测时，先对采样得到的信号进行顺序移位，再与本地序列做相关，在一个码元周期内，找到最大的相关结果与对应的时刻，认为此时刻为码元结束的时刻，并由此获得位同步信息。

四、系统硬件总体结构

系统硬件以DSP芯片为核心，对信号主要进行数字处理，把固定的硬件结构和灵活的软件算法相结合，只通過修改软件就可以实现方案的改进和系统的升级，灵活简单、方便易行。系统使用TI公司生产的DSP芯片TMS320 VC5402（简称C5402），是一款低功耗、高性价比的16b字长定点DSP芯片，运算速率可达100MI/s，具有高度灵活的可操作性和高速的处理能力，在实时嵌人语音通信等方面得到了广泛的应用。统硬件结构主要包括4个模块：DSP模块、电源模块、模拟接口模块和异步串行接口及EPROM模块。DSP模块用来完成数字信号处理算法；电源模块利用了电台提供的12V直流电压，经过两级电源转换，产生稳定的3.3V和1.8V的电压输出，分别提供给C5402作为I/O电源和内核电源，同时5V的直流电压也给电路板上的其他芯片供电；模拟接口模块和电台音频口连接，用来采样音频输出信号和产生音频模拟输入信号，控制电台音频输入输出转换键控信号PTT；异步串行接口及EPROM模块完成与信息录人设备通信，以及保存程序代码并在复位时自行加载。

五、通信引用软件的设计

通信应用软件与短波Modem通过串口以包的形式交换数据。数据分为2种类型：AT指令帧和用户信息帧。短波Modem自动识别2种帧结构：对于AT指令帧，短波Modem执行相应的控制命令；对于用户数据信息帧，短波Modem自动转发到信道上。短波Modem对计算机通过串口送来的用户信息数据采用透明方式，即不需了解用户数据的帧结构。短波Modem将计算机串口送来的数据流封装成数据包，再发送到信道上；接收端的短波Modem将接收到的数据包还原恢复后，将数据包从串口送出，从这个角度而言，通信应用软件可以将无线建立的通信链路看成根串行电缆。在点对点的通信方式中，发送端的短波Modem将通过计算机串口向高层通信软件报告发送结果，该结果被封装成帧结构，如图3所示。短波Modem根据计算机串口输出的数据帧长度自动打包，最大包长与信道速率有关。高层通信软件每次发送给短波Modem的数据帧不能超过最大包长。