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基于一种DRM短波通信设备的应用研究

作者:时间:2017-10-27来源:网络

  0引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/368552.htm

  短波All广播覆盖范围大、传输距离远、接收机简单、价格低廉,一直被世界各国作为首选信息传播的技术手段。由于技术的限制,传统调幅广播节目的单一性,易遭受由于电离层变化和频率选择性衰落而导致的固有传输干扰,收听声音质量不高等缺点愈加突出。为了将AM波段的模拟调幅广播数字化,(世界数字广播组织)与世界各国建立了世界通用的数字AM广播标准,并推广数字AM广播技术。

  1系统总体设计

  短波通信系统包括4部分,人机交互界面、信源部分、信道部分部分和收发信机部分。总体设计框图如图1所示:

  

  1.1人机界面部分

  人机界面部分由液晶显示器、按键组成。液晶显示器旁边设置一组按键,通过按键输入相应的参数。人机界面采用成本低廉且外围简单的单片机完成屏幕控制和按键检测,并将设置和改动的结果发送给单板计算机。

  1.2信源接口部分

  信源接口部分支持综合业务终端、计算机或音视频编解码设备等。为了适应不同业务的需要,短波通信系统提供三种业务信源接口:

  (1)数据通道一一连接的数据终端可以是计算机、综合业务终端(如802)、视频或音频压缩编码设备等。该通道提供最大的传输容量,以满足数据通信的需求。

  (2)声码通道一一能够连接各种声码设备。根据不同的声码器压缩的音频数据的流量,该通道能够在4.8、3.6、2.4、1.2和0.6Kbps切换。该通道不使用时能够关断,以便为数据通道提供尽可能大的数据带宽。

  (3)字符通道一~能够连接各种字符收发设备(例如:在计算机上运行超级终端程序)。该通道只有lOObps的速度,目的是为通信双方提供一个能即时交流的信息通道。例如短信息服务。

  所有的信源设备都复用一个LAN口。服务的区分在单板机上的网口控制程序中实现。信源接口部分负责和信源设备通信获取信源设备的信息,并和它们进行信息交互实现流控制,状态控制功能。

  1.3信道部分

  信道部分是本次研发的主体,主要由基带部分和数字上下变频部分组成。

  1.3.1数字基带部分

  数字基带部分完成对信源信息的处理使得他们适合在无线信道上发送,具备一定的抗突发干扰、抗差错能力,并和无线信道的传输能力相匹配。将其划分为如下3部分:

  (1)复用过程和解复用过程:为了实现三种业务的同步发送,需要对3种业务的数据复用到一个复用帧中。复用过程需要根据当前的配置计算出复用帧的长度,并根据这个长度按照一定的优先级为3个业务分配比特率;为了接收机能够顺利接收和解复用,在这个候还要生成FAC信道数据和SDC信道数据。

  (2)信道编译码部分:对MSC、FAC和SDC通道的数据进行编码处理。对它们进行能量扩散减少连续的O或l出现的可能性;对MSC信道数据进行码流分区,以便对不同错误保护要求的业务进行分级保护、分级编译码按照码流分区的结果进行不同级别的卷积编译码;位交织操作是在分级编码区域内对位进行交织,增加系统的抗突发错误能力;根据用户要求将比特按规定的星座图进行QAM映射;(3)OFDM调制解调:在这一部分生成导频数据,组织传输超帧,并进行频域到时域的变换操作。对于接收,还要做一个同步过程,重新获得超帧。系统的同步过程应该是系统中最核心的技术数字基带通过USB2.0和数字中频系统数据和控制传输。组织后的传输超帧和控制信息组织后传输到数字中频,由数字中频进行进一步处理。

  1.3.2数字中频

  数字基带的核心器件是一块FPGA.另外有一块单片机实现USB2.O通信和控制功能。

  (1)数字上变频:将基带信号变成适合发信机的射频信号。

  为了能连接各种现役的短波无线电信道设备,DRM短波通信系统中频输出频率范围为0.1‘5MHz,输出幅度为-18’+ldb;(2)数字下变频:将接收机的中频信号转变为适合数字基带处理的基带信号。为了能连接各种现役的短波无线电信道设备,DRM短波通信系统中频输入频率范围为12‘500KHz,输入幅度为-35~|5dbm.

  1.4收发信机部分

  收发信机可以使用各种型号的短波发信机和短波收信机。

  因为短波DRM通信系统提供的是带宽为4.5’20KHz的正交频分复用信号,无法通过收发信机的音频接口(收发信机的音频接口带宽限制一般为300‘3000Hz,只有2.7KHz的带宽),只能通过收发信机的中频口进行连接。为了保证中频连接不受连接线路的影响,在发信机和收信机中安装一个连接盒,对外部线路进行隔离。

  2硬件组成

  DRM短波通信系统的硬件是由人机交互板、单板计算机和中频合成单元和加密模块四部分组成,如图2所示。人机界面部分负责显示状态和接收控制输入;单板机进行整个信道编解码和调制解调处理;数字中频合成单元,进行数字上下变频和数字滤波,产生中频信号。声码器是外购件,用于语音编码;加密模块用于特殊通信。

  

  2.1人机交互设备

  人机界面部分的作用是设定设备运行方式,包括对带宽、信道适应模式、交织、QAM调制、信道编码率及声码话复用等参数的控制,同时也显示出当前的状态。人机界面设备是一块印制板i屏幕、按键、蜂鸣器、单片机固定在一块印制板上,印制板固定在机箱前面板。

  2.2单板计算机

  选择使用Intel/英特尔的D2500HN,用于实现基带部分功能,主要包括信源处理、信道编译码和OFDM调制解调三个部分,它还要完成和人机界面的通信功能,实际是一个功能强大的小型化PC,其接口能够满足各种内外板卡连接需求,通过专门的调制软件即可实现信号处理和信道编码等功能。

  2.3中频合成单元构成和主要器件

  中频合成单元基于软件无线电技术,采用大规模可编程器件以及高速数模转换器件,产生低杂散、低相噪的高性能中频信号,其输出中频范围为0.1’5MHz,输入中频信号范围为12‘500KHz:可与目前大多数在役通信发射机和接收机匹配。此外,为实现与原有通信系统兼容,中频合成模块还为发信机连接盒提供中频切换指令。

  中频合成单元主要由MCU、FPGA、高速A/D、D/A和输出滤波器组成,如图3所示。

  

  3软件主要组成

  3.1 人机交互

  人机交互部分主要功能是完成对信道参数的控制管理。全部参数管理分为:带宽选择、信号适应模式选择、交织周期选择、QAM调制选择、码比选择和话路状态选择六个模块。除了对参数的设置管理,人机交互还将显示系统的各种状态。

  3.2 DRM短波通信系统基带软件

  基带部分的功能依靠运行于单板计算机的软件实现。经过对DRM体系标准的研究,将软件分为发送过程和接收过程,每个过程又分接口、信道编译码、OFDM处理和过程控制4个部分。

  它们协同工作共同构成一个完整的DRM收发系统。

  3.2.1发送过程主要处理

  下面描述一个完整的发送过程:

  (1)接口处理:接口处理部分要对信源的数据进行分类和预处理。

  (2)复用帧构造处理:这部分将接口部分的数据进行整合,组成一个可以用于后期进行分级编码的复用帧。它由一系列的自功能构成。

  (3)信道编码:将复用帧、FAC、SDC数据进行信道编码,它包括如下部分。

  1)能量扩散:使用一个51l位周期的伪随机序列和原始数据进行模二加,防止位之间的连续出现。

  2)码流分区:根据UEP保护的要求,对服用帧中重位进行分区,这些不同分区的位将被进行不同级别的编码。

  3)卷积编码:根据DRM标准的要求对码流进行卷积编码。

  4)编码压缩:根据编码等级和DRM要求的压缩矩阵,对己编码的数据流进行压缩5)位交织:对于压缩后的数据进行位交织,分散系统的突发错误敏感度。

  (4)QAM映射处理:编码之后将码流进行QAM映射并通道帧。

  (5)超帧构成处理,对于MSC、FAC和SDC的QAM符号放置到合适的位置,构成一个真正的传输超帧。

  由于Intel Atom系列处理器均支持超线程技术,每一个部分编制独立的线程,提高系统的并行运行能力,提高系统的响应速度。

  3.2.2接收过程主要处理

  接收过程是发送过程的逆过程,在程序实现上并不是完全和发送相反,它的顺序和发送并不完全对应。

  (1)同步和OFDM解调,该部分内容是整个DRM短波通信系统的最关键部分,它包含了如下子功能:

  1)采样频率校正:由于A/D转换会产生采样频率的偏移,它会对接收机的性能产生影响,需要对变换后的数字信号进行采样频率估计。

  2)同步捕获阶段:完成频率粗同步、时间粗同步、模式检测和帧同步。

  3)同步跟踪阶段:完成频率细同步、时间细同步和采样率偏移估计。

  4)OFDM解调:对除去保护间隔的DRM码元信号进行FFT,完成信号从时域到频域的转换。

  5)信道估计:基础是信道本身具有的时域、频域相关性,并基于统计信号处理的最优化准则。DRM系统的信道估计是利用均匀分布存时域和频域的增益导频通过不同的插值方法得到每个子载波上的信道冲击响应,据此完成信道估计。信道估计中用的插值方法有线性插值、DFT插值和维纳插值等。

  (2)超帧解构处理,从解调后的超帧中提取出三个通道的相关信息。

  (3)QAM去映射,把QAM分量变换成比特流。

  (4)信道译码处理:主要完成信道的分级译码工作。

  (5)复用帧解构:对复用帧进行解构,恢复到服务。

  (6)接口处理:接口处理根据SDC的信息,将码流分配给合适的信源。

  4结论

  DRM短波通信产品能够广泛应用于各种舰船和陆地通信站,具有良好的前景,还可推广到其它应用领域,将会产生较大的经济效益。



关键词: DRM 通信设备

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