DRM短波通信設備的設計

楊曉波,夏 爽,張鵬泉

（天津光電集團,300000）

0 引言

短波AM廣播覆蓋范圍大、傳輸距離遠、接收機簡單、價格低廉，一直被世界各國作為首選信息傳播的技術手段。由于技術的限制，傳統調幅廣播節目的單一性，易遭受由于電離層變化和頻率選擇性衰落而導致的固有傳輸干擾，收聽聲音質量不高等缺點愈加突出。為了將AM波段的模擬調幅廣播數字化，DRM (世界數字廣播組織)與世界各國建立了世界通用的數字AM廣播標準，并推廣數字AM廣播技術。

1 系統總體設計

短波DRM通信系統包括4部分，人機交互界面、信源部分、信道部分部分和收發信機部分?？傮w設計框圖如圖1所示：

1.1 人機界面部分

人機界面部分由液晶顯示器、按鍵組成。液晶顯示器旁邊設置一組按鍵，通過按鍵輸入相應的參數。人機界面采用成本低廉且外圍簡單的單片機完成屏幕控制和按鍵檢測，并將設置和改動的結果發送給單板計算機。

1.2 信源接口部分

圖1 系統總體構成框圖

信源接口部分支持綜合業務終端、計算機或音視頻編解碼設備等。為了適應不同業務的需要，DRM短波通信系統提供三種業務信源接口：

（1）數據通道——連接的數據終端可以是計算機、綜合業務終端（如802）、視頻或音頻壓縮編碼設備等。該通道提供最大的傳輸容量，以滿足數據通信的需求；

（2）聲碼通道——能夠連接各種聲碼設備。根據不同的聲碼器壓縮的音頻數據的流量，該通道能夠在4.8、3.6、2.4、1.2和0.6Kbps切換。該通道不使用時能夠關斷，以便為數據通道提供盡可能大的數據帶寬。

（3）字符通道——能夠連接各種字符收發設備（例如：在計算機上運行超級終端程序）。該通道只有100bps的速度，目的是為通信雙方提供一個能即時交流的信息通道。例如短信息服務。

所有的信源設備都復用一個LAN口。服務的區分在單板機上的網口控制程序中實現。信源接口部分負責和信源設備通信獲取信源設備的信息，并和它們進行信息交互實現流控制，狀態控制功能。

1.3 信道部分

信道部分是本次研發的主體，主要由基帶部分和數字上下變頻部分組成。

1.3.1 數字基帶部分

數字基帶部分完成對信源信息的處理使得他們適合在無線信道上發送，具備一定的抗突發干擾、抗差錯能力，并和無線信道的傳輸能力相匹配。將其劃分為如下3部分：

（1）復用過程和解復用過程：為了實現三種業務的同步發送，需要對3種業務的數據復用到一個復用幀中。復用過程需要根據當前的配置計算出復用幀的長度，并根據這個長度按照一定的優先級為3個業務分配比特率；為了接收機能夠順利接收和解復用，在這個候還要生成FAC信道數據和SDC信道數據。

（2）信道編譯碼部分：對MSC、FAC和SDC通道的數據進行編碼處理。對它們進行能量擴散減少連續的0或1出現的可能性；對MSC信道數據進行碼流分區，以便對不同錯誤保護要求的業務進行分級保護、分級編譯碼按照碼流分區的結果進行不同級別的卷積編譯碼；位交織操作是在分級編碼區域內對位進行交織，增加系統的抗突發錯誤能力；根據用戶要求將比特按規定的星座圖進行QAM映射；

（3）OFDM調制解調：在這一部分生成導頻數據，組織傳輸超幀，并進行頻域到時域的變換操作。對于接收，還要做一個同步過程，重新獲得超幀。系統的同步過程應該是系統中最核心的技術

數字基帶通過USB2.0和數字中頻系統數據和控制傳輸。組織后的傳輸超幀和控制信息組織后傳輸到數字中頻，由數字中頻進行進一步處理。

1.3.2 數字中頻

數字基帶的核心器件是一塊FPGA。另外有一塊單片機實現USB2.0通信和控制功能。

（1）數字上變頻：將基帶信號變成適合發信機的射頻信號。為了能連接各種現役的短波無線電信道設備，DRM短波通信系統中頻輸出頻率范圍為0.1～5MHz，輸出幅度為-18～+1db；

（2）數字下變頻：將接收機的中頻信號轉變為適合數字基帶處理的基帶信號。為了能連接各種現役的短波無線電信道設備，DRM短波通信系統中頻輸入頻率范圍為12～500KHz ，輸入幅度為-35～-5dbm。

1.4 收發信機部分

收發信機可以使用各種型號的短波發信機和短波收信機。因為短波DRM通信系統提供的是帶寬為4.5～20KHz的正交頻分復用信號，無法通過收發信機的音頻接口（收發信機的音頻接口帶寬限制一般為300～3000Hz，只有2.7KHz的帶寬），只能通過收發信機的中頻口進行連接。為了保證中頻連接不受連接線路的影響，在發信機和收信機中安裝一個連接盒，對外部線路進行隔離。

2 硬件組成

DRM短波通信系統的硬件是由人機交互板、單板計算機和中頻合成單元和加密模塊四部分組成，如圖2所示。人機界面部分負責顯示狀態和接收控制輸入；單板機進行整個信道編解碼和調制解調處理；數字中頻合成單元，進行數字上下變頻和數字濾波，產生中頻信號。聲碼器是外購件，用于語音編碼；加密模塊用于特殊通信。

2.1 人機交互設備

人機界面部分的作用是設定設備運行方式，包括對帶寬、信道適應模式、交織、QAM調制、信道編碼率及聲碼話復用等參數的控制，同時也顯示出當前的狀態。人機界面設備是一塊印制板，屏幕、按鍵、蜂鳴器、單片機固定在一塊印制板上，印制板固定在機箱前面板。

圖2 DRM短波通信系統的主要構成

2.2 單板計算機

選擇使用Intel/英特爾的D2500HN，用于實現基帶部分功能，主要包括信源處理、信道編譯碼和OFDM調制解調三個部分，它還要完成和人機界面的通信功能，實際是一個功能強大的小型化PC，其接口能夠滿足各種內外板卡連接需求，通過專門的調制軟件即可實現信號處理和信道編碼等功能。

2.3 中頻合成單元構成和主要器件

中頻合成單元基于軟件無線電技術，采用大規模可編程器件以及高速數模轉換器件，產生低雜散、低相噪的高性能中頻信號，其輸出中頻范圍為0.1～5MHz，輸入中頻信號范圍為12～500KHz；可與目前大多數在役通信發射機和接收機匹配。此外，為實現與原有通信系統兼容，中頻合成模塊還為發信機連接盒提供中頻切換指令。

中頻合成單元主要由MCU、FPGA、高速A/D、D/A和輸出濾波器組成，如圖3所示。

3 軟件主要組成

3.1 人機交互

人機交互部分主要功能是完成對信道參數的控制管理。全部參數管理分為：帶寬選擇、信號適應模式選擇、交織周期選擇、QAM調制選擇、碼比選擇和話路狀態選擇六個模塊。除了對參數的設置管理，人機交互還將顯示系統的各種狀態。

3.2 DRM短波通信系統基帶軟件

基帶部分的功能依靠運行于單板計算機的軟件實現。經過對DRM體系標準的研究，將軟件分為發送過程和接收過程，每個過程又分接口、信道編譯碼、OFDM處理和過程控制4個部分。它們協同工作共同構成一個完整的DRM收發系統。

3.2.1 發送過程主要處理

下面描述一個完整的發送過程：

（1）接口處理：接口處理部分要對信源的數據進行分類和預處理。

（2）復用幀構造處理：這部分將接口部分的數據進行整合，組成一個可以用于后期進行分級編碼的復用幀。它由一系列的自功能構成。

（3）信道編碼：將復用幀、FAC、SDC數據進行信道編碼，它包括如下部分。

1）能量擴散：使用一個511位周期的偽隨機序列和原始數據進行模二加，防止位之間的連續出現。

2）碼流分區：根據UEP保護的要求，對服用幀中重位進行分區，這些不同分區的位將被進行不同級別的編碼。

3）卷積編碼：根據DRM標準的要求對碼流進行卷積編碼。

4）編碼壓縮：根據編碼等級和DRM要求的壓縮矩陣，對已編碼的數據流進行壓縮

5）位交織：對于壓縮后的數據進行位交織，分散系統的突發錯誤敏感度。

（4）QAM映射處理：編碼之后將碼流進行QAM映射并通道幀。

（5）超幀構成處理，對于MSC、FAC和SDC的QAM符號放置到合適的位置，構成一個真正的傳輸超幀。

由于Intel Atom系列處理器均支持超線程技術，每一個部分編制獨立的線程，提高系統的并行運行能力，提高系統的響應速度。

3.2.2 接收過程主要處理

接收過程是發送過程的逆過程，在程序實現上并不是完全和發送相反，它的順序和發送并不完全對應。

（1）同步和OFDM解調，該部分內容是整個DRM短波通信系統的最關鍵部分，它包含了如下子功能：

1）采樣頻率校正：由于A/D轉換會產生采樣頻率的偏移，它會對接收機的性能產生影響，需要對變換后的數字信號進行采樣頻率估計。

2）同步捕獲階段：完成頻率粗同步、時間粗同步、模式檢測和幀同步。

3)同步跟蹤階段：完成頻率細同步、時間細同步和采樣率偏移估計。

4)OFDM解調：對除去保護間隔的DRM碼元信號進行FFT，完成信號從時域到頻域的轉換。

5)信道估計：基礎是信道本身具有的時域、頻域相關性，并基于統計信號處理的最優化準則。DRM系統的信道估計是利用均勻分布存時域和頻域的增益導頻通過不同的插值方法得到每個子載波上的信道沖擊響應據此完成信道估計。信道估計中用的插值方法有線性插值、DFT插值和維納插值等。

(2)超幀解構處理，從解調后的超幀中提取出三個通道的相關信息。

(3)QAM去映射，把QAM分量變換成比特流。

(4)信道譯碼處理：主要完成信道的分級譯碼工作。

(5)復用幀解構：對復用幀進行解構，恢復到服務。

(6)接口處理：接口處理根據SDC的信息，將碼流分配給合適的信源。

4 結論

DRM短波通信產品能夠廣泛應用于各種艦船和陸地通信站，具有良好的前景，還可推廣到其它應用領域，將會產生較大的經濟效益。

圖3 中頻合成單元硬件組成原理