具有信道編碼功能的氣象探空數據發射機※
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周駿鶴, 姚振東

(成都信息工程學院 中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，成都 610225)

具有信道編碼功能的氣象探空數據發射機※
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周駿鶴, 姚振東

(成都信息工程學院 中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，成都 610225)

探空數據通過無線電傳輸至地面，需要解決頻道窄和干擾強的問題，采用低功耗單片集成發射機芯片ADF7012和超低功耗高性能單片機MSP430F2132，設計了一個具有4×4數據交織和CRC校驗功能、載波頻率可設置的探空數據發射機。測試結果表明，發射信號的頻譜特性、發射功率和信道編碼功能，符合設計要求，能滿足探空數據傳送的需要。

無線傳輸；高斯頻移鍵控；ADF7012

引 言

本文介紹了一種基于ADF7012芯片所設計的GFSK調制系統，根據設置可以提供75 MHz～1 GHz頻道選擇，可編程輸出功率為-16～14 dBm，并實現了數據的CRC校驗、數據4×4交織功能，提高了數據的準確性并改善移動通信的傳輸特性，解決了頻道窄和干擾強等傳統問題。

1 系統硬件設計

系統硬件框架如圖1所示。

圖1 硬件框架圖

發射機系統采用了TI公司的MSP430F2132單片機[1]，它是一種16位超低功耗單片機，具有較高的處理速度，工作電壓為1.8～3.6 V；在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片電流在200～400 μA左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有0.1 μA。考慮到超低功耗的特性，選擇此芯片作為主控制器可以有效提高發射機效率。 MSP430F2132單片機最小系統原理圖如圖2所示。

調制芯片采用了ADI公司的ADF7012[2]，它是一款低功耗ASK/FSK/GFSK的UHF發射機，用于短程無線設備(SRD)。輸出功率、輸出通道、偏移頻率和調制類型均可通過4個32位寄存器編程設置，利用小數N分頻和帶有外部電感的VCO,用戶可以選擇50 MHz～1 GHz頻段內的任何頻率，具體方法是對寄存器R REGISTER的R1～R4位和寄存器N-COUNTER LATCH中的M1～N8位賦值。本設計中選擇的工作頻率為400 MHz。小數N分頻PLL具有快速鎖定時間特性，因此ADF7012適合快速跳頻系統，精密頻率偏移和PLL相位噪聲性能也有助于窄帶操作，其工作電壓為2.3～3.6 V，可編程的輸出功率-16～+14 dBm，步進為0.4 dB。

ADF7012外圍電路原理圖如圖3所示。

圖2 MSP430F2132單片機最小系統原理圖

圖3 ADF7012外圍電路原理圖

1.1 生成載波

鎖相環是頻率合成技術的基礎,是載波頻率生成的核心。鎖相環基本原理如圖4所示。

圖4 鎖相環基本原理

圖4中，輸入信號為Vi(t)，輸出信號為Vout(t)。將Vout(t)直接反饋到輸入端，即可看成反饋網絡傳輸系數為1，這種反饋系統叫做單位反饋系統。經環路的自動反饋控制后，輸出信號的角頻率等于輸入信號的角頻率；輸入、輸出信號的相位差達到一個穩定值(即相當小的穩態相差0)，環路達到“鎖定”(即保持相位同步1)。鑒相器是進行相位比較的裝置，它把壓控振蕩器的輸出信號Vout(t)與輸入信號Vi(t)的相位進行比較，產生對應于兩信號相位差的誤差電壓Vd(t)。環路濾波器的作用是，濾除誤差電壓Vd(t)中的高頻分量和噪聲，以保證系統所要求的性能，增強系統的穩定性；在ADF7012芯片中，鎖相環路對高穩定度的參考振蕩器(晶體振蕩器)鎖定,環路串接可編程的程序分頻器,通過編程對寄存器進行操作，可以改變程序分頻器的分頻比R與N ,從而獲得參考頻率的穩定輸出。所以輸出載波的中心頻率可以通過對ADF7012的寄存器進行配置。經過PLL輸出 FOUT，通過配置ADF7012的寄存器R REGISTER可以選擇輸出頻率FOUT的分頻數, FOUT=Fvco/2a，未使用分頻功能時，a=0。

頻率合成器輸出頻率FOUT與晶體振蕩器參考頻率FCRYSTAL的關系如下：

(1)

其中，FCRYSTAL為晶振頻率，它的值為9.830 4 MHz；N=NINT+NFRAC/212，由寄存器N-COUNTER LATCH決定，分為整數部分和分數部分，因為寄存器中分數部分是12位二進制數，需轉換為十進制的小數，所以作了除法運算。

根據上述推導可得：

(2)

且

(3)

其中,R是分頻系數，可以通過寄存器配置,這里設置的是R=6，則FPFD=1.638 4 MHz。

根據式(2)可以得到NINT=244，NFRAC=576。將十進制換算成二進制，就可以寫入寄存器N-COUNTER LATCH中進行配置。

1.2 調 制

在頻移鍵控調制模式下，除了確定中心頻率外，還需要設置跳變頻率，這里設置為50 kHz的頻偏FDEVIATION。

介紹兩種頻偏設置方式，分別在GFSK和FSK模式下進行。在GFSK模式下，需要對寄存器Moudulation REGISTER中的MC1～MC3位進行設置，對應的是m系數的取值，本設計中取m=7，可得：

(4)

FSK模式下設置頻偏的原理框圖見圖5。TXDATA在每一個1/FPFD周期內進行采樣，根據+FDEV和-FDEV的值決定鎖相環鎖定到的新頻率是(FCENTER+FDEV)還是(FCENTER-FDEV)，FCENTER是載頻中心頻率，設置為FCENTER=400 MHz。

圖5 頻偏原理框圖

需要計算出頻偏的步進：

(5)

可以求得頻偏：

(6)

其中,MoudulationNumber是調制步長的計數，計算得到MoudulationNumber=600，轉換成相應的二進制后寫入寄存器Moudulation REGISTER中的D1～D9位，即完成了對頻偏的設置。相關的參數還有頻偏修正FOFFSET，同樣是在寄存器中進行配置。

1.3 環路濾波器

硬件電路中有兩個比較重要的濾波器模塊，分別是鎖相環環路濾波器與輸出的匹配濾波器。這里僅介紹環路濾波器的設計，首先環路濾波器是頻率合成器中重要組成部分，頻率合成器的框圖略——編者注。

本設計選用的環路濾波器為無源濾波器, 電路形式為CPP_3C。由于環路濾波器受影響因素多、需滿足的參數指標高, 所以, 其設計難度較大。ADISimPLLVer2 模擬軟件的推出, 有效地解決了環路濾波器的設計問題。在運行ADISimPLLVer2 之后, 新建一個設計界面, 并按提示順序, 輸入相應的參數。

模擬出來的PLL相位噪聲結果如圖6所示。

圖6 相位噪聲的模擬結果

可見在測試頻率為400 MHz時，偏離載頻1 kHz、10 kHz、100 kHz時的相位噪聲分別為-83.58 dBc、-72.05dBc、-86.99dBc。

2 系統軟件設計

控制芯片MSP430F2132是超低功耗MCU，編程語言采用C語言。在主程序中，先對MSP430F2132單片機進行了程序的初始化，包括關閉開門狗、定義I/O口功能、并對ADF7012的寄存器進行配置，根據芯片資料，選擇了調制模式為GFSK，并提供400～406 MHz的頻率選擇，實現了數據的CRC校驗、4×4交織功能，PC機可通過串口向MSP430F2132發送重置發送頻率的命令，溫濕傳感器將數據通過MSP430F2132的內部A/D轉換并存儲至單片機中，經過處理后發送給ADF7012。

2.1 主程序

發射模塊軟件設計系統流程如圖7所示。發送數據模塊具體見圖8。

圖7 發射機軟件主流程圖

圖8 發送數據模塊

2.2 信道編碼

在實際的通信中,由于各種噪聲及其他不可預知的因素,不可避免地造成傳輸的信息錯誤。這種錯誤的特性與信道及系統特性有關，糾正此類錯誤,可使用CRC校驗碼。

2.2.1 數據交織

為了改善移動通信的傳輸特性,運用了交織編碼技術。但不可避免的，交織編碼處理時間越長，數據傳輸時延也越大，交織編碼是以時間為代價的。

2.2.2 循環冗余校驗碼

接收及解碼方式，將接收到的碼元除以G(x)得到一個數，如果這個余數為0，則判定無錯誤發生，否則說明傳輸有誤。關于G(x)的選擇，多見于美國所采樣的一種循環冗余校驗碼，標準選定略、具體實現程序略——編者注。

3 綜合與測試

通過PC機把程序植入硬件板，則通過銅絲全向天線發射出經過GFSK調制后的數據，通過頻譜分析儀接收到發射的數據并顯示，載波頻率為400 kHz。頻譜分析儀上的顯示略——編者注。這里顯示的數據是直接將SAM頭焊接在輸出端并與儀器連接測試所得，所以是無天線增益的數據，可以看到信號頻率為400.06 MHz，發射功率為4.22 dBm。

自由空間傳播時的無線通信距離的計算方法如下：

Los=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)

(7)

所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，即理想傳播條件。電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產生反射或散射。

假設接收機靈敏度為-100 dBm，那么根據已知的發射功率4.22 dBm,發射頻率400.06 MHz，可以計算出理想情況下的傳輸距離，計算如下：

Los=4-(-100)=104dB

104=32.44+20lgd(km)+20lg400.02(MHz)

d=10 km

得出結論,在理想情況下的傳輸距離約為10 km，考慮到實際數字接收機設立在室內，因此需要對真實傳輸距離進行估算，這里設定大氣以及阻擋物等造成的損耗為20 dB，可以得到：

84=32.44+20lgd(km)+20lg400.02(MHz)

d=946 m

使用了接收機來對此系統的傳輸數據可靠性進行測試，測試環境在室外，經無線接收天線將無線電波引入室內，室內接收機對接收信號進行處理，以獲取更大增益的發射機調制信號。實驗地點在成都信息工程學院氣象觀測場，實驗測試5組數據。

實驗測試條件：室溫，測試距離約500 m，發射機發送功率4 dBm，安裝接收天線。無誤碼發生。

結 語

本文介紹了基于ADF7012設計的發射機系統,該系統工作在400～406 MHz頻帶內，調制模式為GFSK，頻偏為50 kHz，發射功率可設置范圍為-16～14 dBm;在發射功率為10 dBm時即可以滿足探空20 km的要求，后續可以加入功率驅動的改進，以達到240 km的探空距離標準。該發射機性能穩定，實現了所有設計功能，符合設計要求。

[1] 安效君，楊迎新.基于FPGA的2FSK解調的優化設計和實現[J].計算機與網絡，2009(11)：35-36.

[2] Analog Devices. Integrated Synthesizer and VCOADF4360-7 datasheet， 2004.

[3] 沈建華,楊艷琴,翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004:103-210.

[4] Nezhad-Ahmadi M R,Weale G,El-Agha A,et al.A 2 mW 400 MHz RF transceiver SoC in 0.18μm CMOS technology for wireless medical applications[C]//IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 2008.

[5] 雷振亞.射頻/微波電路導論[M].西安： 西安電子科技大學出版社, 2005:68-88.

[6] Chunyu Xin,Bo Xia,Wenjun Sheng,et al. A mixed-mode IF GFSK demodulator for Bluetooth[J].IEEE Circuits and Systerns,2002:457-460.

[7] B Xia.A GFSK Demodulator for Low-IF Bluetooth Receiver[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2003(8):1397-1400.

[8] Maxin Corporation.Receiver Sensitivity Equation for Spread Spectrum Systems,2003.

[9] 王新梅,肖國鎮. 糾錯碼——原理與方法[M].西安:西安電子科技大學出版社,2001:123-153.

[10] Wolf J K,Blackeney R D.An Exact Evaluation of the Probability of Undetected Error for Certain Shortened Binary CRC Codes[C]//Military Communications Conference, San Diego,1988:1521-1526.

[11] Chun D,Keil J.Special Hardware for Computing the Probability of Undetected Error for Certain Binary CRC Codes and Test Results[J].IEEE Transactions on Communications,1994(10):2769-2772.

[12] Rice M,Harris F. Polyphase filterbanks for symbol timing synchronization in sampled data receivers[J].MILCOM 2002Proceedings, 2002(10):982-986.

[13] 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電技術與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2010:53-68.

周駿鶴(碩士研究生),研究方向為大氣探測信息處理；姚振東(教授)，研究方向為雷達系統與信號處理。

(責任編輯：楊迪娜 收修改稿日期：2015-02-14)

Meteorological Sounding Data Transmitter with Channel Coding Function※

Zhou Junhe,Yao Zhendong

(CMA Key Laboratory of Atmospheric Sounding,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)

The sounding data is transmitted to the ground through the wireless network,which needs to solve the problems of channel narrow and strong interference.A sounding data transmitter which carrier frequency can be set is designed using the low power integrated transmitter chip ADF7012 and ultra low power and high performance microcontroller MSP430F2132,which has 4×4 data interleaving and CRC checksum function.The test results show that the functions such as spectrum characteristic,transmitter power and channel coding function,comply with the design requirements,the system meets the need of the sounding data transmission.

wireless transmission;gauss frequency shift keying;ADF7012

基準探空儀系統及觀測方法研究(公益性行業(氣象)科研專項經費項目)(項目編號：GYHY201306072)。

TN98

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