ＬＰＣ９１７在短波調制解調器中的應用

摘 要：分析短波調制解調器中使用的XR2206的工作方式，指出其生成的頻率不穩定的原因。這里用LPC917替代原系統調制端的XR2206和解調端的同步積分電路，詳細介紹完成4FSK和同步積分運算的方法和過程，給出程序流程圖和主要控制信號的時序示意圖，并指出LPC917與XR2206相比具有成本低、性能高及可編程等方面的優勢。經實踐證明，本方案完全可行。

關鍵詞：XR2206；LPC917；4FSK；同步積分

中圖分類號：TP368.1;TN919.72文獻標識碼：B文章編號：1004-373X(2008)22-178-03

Application of LPC917 in Shortwave Modem

LIU Genju1，HE Erchao2，XUE Weiwei1，WANG Haijun1，LI Yin1

(1.Xi′an Innovation College，Yan′an University，Xi′an，710100，China;2.College of Information，Yan′an University，Yan′an，716000，China)

Abstract：This paper analyzes the working of XR2206 used before in shortwave，and points out the cause of instability of frequency derived by it.Using LPC917 replaces XR2206 which islocated in modulation end and synchronous integrated circuit in demodulation end，introduces the method and process of completing the 4FSK and the synchronous integral operation，it gives the program flow chart and the main control signal timing diagram，and indicates the advantages of LPC917 compared with XR2206 in aspects of low cost，high performance and programmability and so on.Proved by the practice，this plan is feasible.

Keywords：XR2206;LPC917;4FSK;synchronous integral

1 引 言

短波通信是利用波長為100~10 m(3~30 GHz)的電磁波進行的無線電通信，由于發射功率小、傳輸距離遠、建站迅速、便于機動，至今仍是軍用無線電通信的主要方式之一。但由于短波是通過電離層的1次或多次反射傳播，而電離層的高度和電子密度隨晝夜、季節、年份的不同而變化，使得短波通信的可通率及通信質量受到了很大的限制，尤其是信道噪聲、干擾及衰落都比較大，因此需要使用具有抗強背景噪聲和抗強干擾的調制解調器，才能保證在信道已通的情況下基本可靠的傳輸數據。又由于短波通信使用單邊帶（SSB）方式，雖然SSB具有發信功率有效利用率高、占用頻帶窄、信噪比較高等顯著優點，但是SSB通信系統由于不發射載頻，接收端在恢復載頻時不可避免的產生頻差，這種缺陷直接引入解調頻率的差異，給數據解調帶來困難。針對其信道及制式的缺陷，目前比較常用的調制解調方案大多采用頻移鍵控(FSK)模式。因為FSK信號為恒包絡信號，其信息完全包含在信號的過零點上，抗噪聲與抗衰減的性能較好。雖然有頻差，但由于這種頻差對于移頻頻率而言是產生等距移頻，可以通過其他方式給予校正，因此在中低速數據傳輸中FSK得到了廣泛的應用。本文介紹的短波通信系統正是采用FSK調制方式。這里主要介紹對原來系統的改進部分。

2 原系統基本情況

原系統采用了經典XR2206(調制)和XR2211(解調)進行調制和解調，該芯片在我國得到了普遍應用。其中調制端的XR2206通過使用兩個不同阻值的電阻(R₁和R₂)和1個電容(C)來產生頻率，其頻率分別為(f₁=1/(R₁C)，f₂=1/(R₂C))，由于電阻和電容受溫度和濕度的影響較大，使頻率的穩定度大大降低，如果采用溫度穩定性好的精密電阻和電容，則導致成本成倍增加，更重要的是在調試時由于對頻率準確度要求高，其電阻需要精配帶來的工作量非常大。可見，此種方式對于生產控制、維護和升級十分不便。

解調端除了使用濾波器，還采用了鎖相環為基礎的XR2211，利用它的鑒相輸出來識別不同的調制頻率。為了防止隨機干擾影響，還在其后進行同步積分，即對在一個碼元內的鑒相值（電平）進行積分，這樣就可以更可靠的判決。這個積分電路采用運放和阻容器件來實現，同樣由于阻容器件的使用，環境溫度對積分結果有著直接的影響，調試的工作量也很大。所以，為了解決這些問題，根據技術的發展提出用LPC917來解決上述問題，改進短波調制解調器的性能，并降低成本和減少工作量。

3 解決方案

3.1 LPC917芯片簡介

LPC917是Philips公司900系列中一款只有16引腳的小型8位單片機，它采用高性能的處理器結構，指令執行時間只需2~4個時鐘周期，6倍于標準80C51器件;外部時鐘頻率可從0~18 MHz，封裝尺寸小，價格便宜，其資源包括：2 kB代碼FLASH，256 B數據RAM、定時器0/1、看門狗、I²C、UART、14個可配置I/O口等，尤其是集成了1個8位、4路逐次逼近式模數轉換（ADC）模塊和1個數模轉換（DAC）模塊，為解決該系統的問題提供了方便。

3.2 LPC917在系統中的接線圖

LPC917在系統中的接線圖如圖1所示。

相關引腳說明：

T/R:收發選擇，高電平收/低電平發；

H/L:接收時速率選擇；

DIS:接收時同步控制信號；

A3，B3:發送時移頻頻率選擇，可產生4種頻率；

ADC:接收時同步積分采樣端(來自XR2211檢相輸出)；

DAC:發送時FSK輸出/接收時積分輸出；

CLK：外接16 MHz時鐘輸入。

3.3 LPC917工作方式及原理

3.3.1 LPC917產生4FSK調制信號并保證相位連續的方法

利用單片機產生移頻信號，首先要解決的問題是產生頻率準確的正弦波，其次要求相鄰兩個移頻之間相位連續。這里采用一種新的方法，使得速度較低的單片機可以產生準確的頻率。其基本思路是：

一般在用單片機產生正弦波時，往往在一個周期中利用相等的時間間隔依次通過DAC輸出預先保存好的正弦波波形。一個完整的波形可以被劃分為64或128或256個間隔，這里采用128點。由于輸出時時間間隔相等，而每個時間間隔的分辨率受單片機機器周期的影響，不可能準確地設計成計算所需要的時間，于是產生了誤差，這個誤差經過128次累積就會使最終的正弦波周期和計算值差之甚遠，結果造成很大的頻率誤差。解決的辦法是根據產生的誤差采用間隔不同，在128個間隔中一部分比另一部分多出一個最小時間單位（單片機機器周期），使得整個周期內的總時間值等于計算出來的時間值，這樣在整個周期內的最大誤差只有1個機器周期，消除了累計誤差，所產生的正弦波比較準確，在所產生的頻率中其誤差不超過1 Hz。

解決了頻率問題，根據FSK信號的基本要求要使其相位連續，否則會出現信號突變、頻譜變寬，很不利于傳輸，更不利于解調。利用單片機的特性很方便地設計出相位連續的方案，將128個波形值重復2次存在1個256個單元中，該波形值正好占用1個字節（8位）所表示的地址空間，輸出時僅給地址自動加1就可以，任何時候波形都自動循環輸出。當需要改變頻率時并不改變當前波形輸出時序，僅根據頻率改變其時間間隔(已存好)，這樣從原來的頻率轉換成新頻率相位自然是連續的。通過觀察相位未發生突變，解調出來的波形非常規范，因此，使用這種方法完全可以替代原來的XR2206。

3.3.2 LPC917完成接收時的同步積分

由于短波信號在強背景噪聲下傳播，接收的信號信噪比很低，接收信號經過前級放大和濾波后進入XR2211，通過鎖相環技術進行4FSK解調，其鑒相輸出不同頻率對應不同的電平，然后經電壓跟隨器和分壓電路，變換成與LPC917端口（ADC）電氣特性匹配的電平。

盡管在此之前采用很多有效措施，但由于短波信道的干擾非常大，其解調出來的電平經常會出現隨機變化，如果采用普通的整形處理，由于波形不規則，輸出會帶有大量的上下隨機變化的毛刺，這時采樣判決就容易產生誤判，為此引入同步積分運算，這里積分其實就是對一個碼元內的電平進行統計和，這樣對于隨機的干擾就會排除掉。

同步保證每個積分結果（統計值）由一個碼元內的值所產生。在每個碼元周期開始時，根據同步信號產生一同步脈沖，先使積分結果清零，然后開始對本碼元進行積分，在本碼元周期結束時電平達到最大值，這時再采樣判決。在結束后，再同步清零進入下一個碼元的積分。

同步脈沖的產生和積分結果的判決由主CPU完成。LPC917主要通過ADC首先進行A/D轉換，再根據速率選擇參數進行積分（累加）運算，同時把運算結果通過DAC輸出，等到下一個同步信號到來之前DAC輸出達到最大值，這樣就可以非常可靠地實現解調。由于整個積分過程是數字計算完成的，所以不存在溫度及環境變化引起的誤差，尤其對生產過程非常方便。

3.3.3 LPC917工作流程

LPC917工作流程如圖2所示。

3.3.4 主要工作點波形

主要工作點波形如圖3所示。

4 LPC917與XR2206的比較優勢

(1) 頻率由程序產生，其穩定度依賴于單片機時鐘，而晶體振蕩器與電阻和電容構成的振蕩器相比，穩定度可以提高2個數量級，完全可以滿足該系統的環境需求。

(2) 成本低（市場價6元/片），僅是單片機本身的成本，體積也小，并且省了許多外圍器件；

(3) 軟件控制，解決了生產調試工作量大的問題，維護和升級方便。

(4) 數字化處理，實現了由模擬向數字的轉變，克服了模擬信號處理本身的種種缺陷，性能獲得提高。

5 結 語

本文提出的正弦波精確頻率產生辦法具有一定的普遍意義，可以應用在很多場所，如信號發生器或其他特殊波形的產生等。同步積分技術同樣適應波形變化的場所，尤其適應于具有計算要求的場所。總的來說擴展了單片機的應用范圍。本例已在LPC917實驗板上運行通過，并應用到原系統中，各項性能指標均好于前。但由于單片機工作對其他波形產生一定的幅度干擾，雖不影響系統正常工作，但還需要做進一步的改進。

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作者簡介 劉根據 男，1957年出生，陜西禮泉人，延安大學西安創新學院，高級工程師。主要從事數據通信和檢測方面的研究工作。