基于FM的數字模擬混合通信系統的研究*

謝明楓，李明雪，王 驕

(東北大學信息科學與工程學院，沈陽110819)

XIE Mingfeng，LI Mingxue，WANGJiao*

(School of Information Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

自從手機等智能無線設備大范圍普及以來，人們已經離不開無線通信系統所提供的便利的服務。通過藍牙［1］、WiFi［2］、NFC［3］等近距離無線通信技術，使用者可以快捷地分享設備中的文件，但是這些短距離通信技術的優缺點是并存的。WiFi的特點是速度快，通信距離遠，但是需要移動熱點的支持，功耗較高且設備部署不方便;藍牙是一種較為成熟的無線通信技術，其功耗較低，同時具有較高的通信速度，但是在使用前需要配對，只能一對一通信，很難實現一對多通信;NFC的通信速度很快，但接觸式通信的通信距離非常的短，通常2cm以內。而在實際的應用之中，人們往往追求設備的小型與低功耗、使用的便捷快速，而且在人員密集處盡量要范圍式的分享。FM通信雖然現階段盡顯老態，但是其有諸多優點:通信距離遠、范圍廣、速度尚可，且設備簡單容易實現，此外，基于FM副載波的RDS協議具有一定的數字通信能力。下表描述了現在流行的幾種通信技術的比較。

由表1不難看出，FM具有的諸多優點恰恰是現在人們在日常生活中所需要的，但是RDS技術由于引進時間較晚，在國內的相關開發現在還非常少，技術尚未成熟。本文就是要利用FM的數字模擬混合通信能力來引入一種全新的通信理念，并設計相應的軟、硬件。

表1 主流短距通信方式對比

1 RDS技術介紹

Frequency Modulation(FM)意為調頻廣播，是生活中常用的一種廣播方式。我國的國家標準規定:調頻立體聲廣播的主載頻的調制信號是立體聲復合信號，由主信道信號(左信號和右信號)、副信道信號(由左信號和右信號的差信號對副載頻進行抑制載頻式調幅后所產生的上下邊帶波的合成信號)與導頻信號(立體聲廣播時為了接收需要而傳送的輔助信號)組成。

在進行立體聲廣播時基帶中還有較多的頻率空位可用作附加信息的傳輸。附加信息的傳輸不應造成對立體聲廣播節目的損害。而且附加信息的傳輸也不應受立體聲廣播節目的影響。雖然在基帶頻譜圖中有許多頻率空位可提供給傳輸附加信息用，但是實際上傳輸附加信息的副載頻并不能任意選取。當立體聲廣播時，在基帶的53 kHz以上的頻率范圍內，在19 kHz的諧波處(57 kHz、76 kHz等)，干擾電平最低。此外，在66．5 kHz處也比較低。因此，如果傳輸附加信息的副載頻選用這幾個位置的頻率，可以獲得較高的傳輸信噪比。根據國際無線電咨詢委員會(CCIR)的建議:在基帶頻譜內的53 kHz以上的57 kHz、67 kHz、76 kHz、92 kHz處可以傳輸附加信息，其中以57 kHz為副載波的數據通道稱為數據廣播系統(RDS)，以67 kHz、76 kHz、92 kHz為副載波的通道稱為輔助通信業務信道(SCA)。其基帶頻譜如圖1所示。

圖1 FM基帶頻譜圖

其中的無線數據廣播系統Radio Data System(RDS)是英國BBC廣播公司開發的一種特殊的無線電廣播［4］。它是在調頻廣播發射信號中利用副載波把電臺名稱、節目類型、節目內容及其他信息以數字形式發送出去。通過具有RDS功能的調諧器就可以識別這些數字信號，變成字符顯示在顯示屏上。

RDS從開始就是為車載移動設計，因此RDS的很多特點都和移動環境相關，如TA和AF功能。

RDS的數據信息分為兩種類型:顯示信息和控制信息。顯示信息有PS、RT、PTY、CT。控制信息有AF、TA、TP、EON、PI。它們的功能如下［5］:

Program Service(PS)—提供8個字符的電臺名稱顯示;

Program Type(PTY)—提供電臺節目類型顯示;

Traffic Program(TP)—提供電臺是否為交通電臺指示信息;

Traffic Announcement(TA)—提供電臺是否正在播放交通消息指示信息;

Alternative Frequencies(AF)—提供某個電臺的發射頻率表;

Program Identification(PI)—提供電臺識別碼;

Enhanced Other Network(EON)—提供其他電臺的信息，如 PS，TA;

Radio Text(RT)—提供最多64個字符的廣播文本顯示信息;

Clock Time(CT)—提供當前時間校正信息。

RDS傳輸有兩個特點［6］，一是頻繁、重復傳送。由于電臺與接收機之間是單向通信，為保證電臺接收的數據的準確性，電臺會不停重復發送RDS信息，如PI、TP、PTY需要頻繁傳送以方便接收機操作，如TP、PTY搜索;二是分組、分時傳輸。RDS的信息被分割成固定長度的數據塊連續傳輸，其意義有二，一是固定的小數據塊有利于數據的可靠傳輸，接收出錯時可使用糾錯手段恢復數據;二是數據分塊傳輸可使發射臺方便控制各種RDS信息輸送次數，如Traffic為突發性的數據，不必頻繁地重復傳送。

2 基于RDS的數字模擬混合通信系統的實現

前文討論了RDS技術以及實現RDS功能的FM芯片Si4721芯片。盡管現在市面上的絕大多數智能手機都具有FM的接收芯片，也不乏使用Si4721芯片的設備［7］，但是由于設計產權、專利等問題，手機的底層硬件驅動往往是不會公開的，我們直接利用手機內的FM芯片幾乎不可能實現。因此，我們需要設計一個手機的“附件(Accessory)”來實現這樣一種基于FM的通信系統［8］。

基于這種理念，我們構建了一個數字系統，其結構組成如圖2所示。

圖2 系統結構圖

系統由MSP430作為主控芯片［9］，FM部分采用兩塊Si4721芯片，以便實現全雙工通信。對于系統與手機之間的通信，為了保證接口的通用性，我們選用了3．5mm口徑的耳機接口，如圖3所示。由這些硬件，就可以搭建一套基于FM的數字模擬混合通信系統了。

圖3 耳機接口圖

系統整體由MSP430芯片控制。由于系統執行任務較為復雜，這里我們采用Tiny OS嵌入式系統來保證系統的高效有序運行。MSP430通過耳機接口與手機進行通訊，分析手機端發出的指令，而后通過I2C協議驅動兩塊Si4721芯片進行數據的發送或接收。同樣，從 Si4721接收到的指令通過MSP430進行分析，轉為手機端控制指令并通過耳機接口傳輸至手機端，由手機執行相應操作。

系統基于手機平臺開發自然不希望系統體積過大、功耗過高，這樣會給使用者帶來負擔。為了解決這個問題，我們選擇了低功耗的MSP430F117作為主控芯片;另一方面，我們不希望附件與手機之間通過額外的接口連接，所以我們利用耳機接口由手機對附件直接供電。

本設計采用了AMS1117直流電源轉換芯片，AMS1117是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩壓電路［10］，最高輸出電流可達1 A，而且 AMS1117內部集成過熱保護和限流電路，確保芯片和電源系統的穩定。在本系統中，用外部直流5 V電源供電，使用了2個AMS1117芯片，一個輸出3．3 V電壓，供MSP430以及Si4721芯片使用，另一輸出1．8 V電壓，暫且保留用途。

3 曼徹斯特編碼

前文介紹的硬件平臺是利用耳機接口傳輸音頻信號實現手機與附件的通信。對傳輸的音頻信號進行特定的編碼，可以進一步提高數據傳輸的準確性。曼徹斯特碼是一種雙極性二電平碼。曼徹斯特編碼用一個周期的正負對稱方波表示“0”，而用其反向波形表示“1”。其編碼規則是:“0”用“10”表示，“1”用“01”兩位碼表示。曼徹斯特碼只有極性相反的兩個點，因此在每個碼元周期的中心點都存在電平跳變，包含有豐富的定時信息［11］。由于曼徹斯特編碼實現較為簡單，并且在數字系統中經常使用，本文選擇使用曼徹斯特進行數據編碼。

我們使用USART0模塊作為用戶應用開發和軟件調試的接口。當URXD0檢測到數據后，單片機對接收到的數據進行曼徹斯特編碼。該數據由開始位、奇偶校驗位、停止位以及8 bit數據組成。經過編碼后的數據通過連接到手機MIC的P40口輸出。TimerB0有4種工作模式:停止模式、增計數模式、連續模式以及增減計數模式。我們將其設置為連續輸出模式，在未發送數據的時候產生頻率可調節的方波。

圖4 曼徹斯特編碼原理圖

4 曼徹斯特解碼

從手機左聲道出來的數據經過加法器消除負值，將P23口設置為輸入模式，并使用其第2功能D電壓比較器CA0。使能P24的電壓比較器CA1，比較器電壓可以設置為0．25 Vcc或者0．5 Vcc，本實驗將其設置為0．5 Vcc。CA0輸入的電壓與CA1內部的0．5 Vcc電壓比較輸出數字信號。

通過使用捕捉模式的邊緣檢測，檢測經過電壓比較器后的數字信號，當連續檢測到下降沿以及連續3個上升沿時，表示接下來接收到的為數據，對數據進行曼徹斯特解碼。解碼算法為當檢測到下降沿時將其置1，檢測到上升沿時將其置0。

圖5 曼徹斯特解碼原理圖

5 通信程序的實現

圖6為程序初始化流程圖，程序首先對硬件進行初始化，配置定時器比較器、電壓比較器、捕捉器并設置串口通信的波特率以及時鐘源。初始化完畢后定時器周期性產生中斷，在串口收到數據后出發串口硬件中斷，將接收到的數據進行曼徹斯特編碼從MIC端口發出。在手機到從耳機的左聲道輸出的模擬信號通過電壓比較器轉換為數字信號再通過曼徹斯特解碼獲得從耳機的左聲道發送來的數據。

圖6 主程序執行流程圖

6 系統測試

根據以上設計理念，我們設計了一款初步產品，現階段我們已經完成了并制作了FM通信系統的硬件平臺。在手機端，我們基于Android平臺制作了四款演示軟件，利用這些軟件我們可以實現雙機之間的數據通信、音樂分享、游戲對戰等等功能。

圖7 Demo測試平臺實物圖

將我們設計模塊上的耳機插頭插入Android平臺的智能手機上，啟動手機安裝的相應軟件，便可以實現兩部手機之間的通訊功能，如圖8所示。

圖8 雙機通訊實物圖

在手機端設計了Android平臺的FM信號檢測軟件，用于檢測FM信號的RSSI與SNR。FM信號在手機的接收端會有接收強度的差別，利用信號的SNR(信噪比)的不同，我們便可以利用一些算法實現FM信號發射源的位置，也可以借此實現基于FM信號的室內無線定位［12］。另外，對于不同強度的信號，我們還可以利用信號檢測軟件來做很多FM通信的測試，例如:信號穿透性、信號傳輸的穩定程度、信號傳輸的距離等等。

為了滿足手機的娛樂需要，我們還基于無線通信模塊編寫了一款中國象棋的軟件，如圖9所示，充分地展現了RDS協議的數字通信能力。利用這款應用，我們可以實現中國象棋的手機無線對戰，而不需要接入無線網絡。

圖9 三款手機端測試軟件

為了方便調試硬件設備，我們設計了一款模塊系統測試軟件，用于檢測模塊的工作情況。在軟件中，可以設定發送信息的內容，然后重復發送，接收得到的反饋信息。

我們進行了平臺功耗測試及性能測試。如表2和表3所示，可以看出平臺的整體功耗非常低，接收距離比較理想，達到了設計的目標。

表2 平臺功耗測試結果 單位:mW

表3 平臺性能測試結果

7 結論

基于我們設計的Demo平臺以及相關手機端軟件，已經能夠實現利用手機對平臺進行控制、發送接收FM數字模擬混合信號。經過測試，我們發現這種基于FM的數字模擬混合短距離通信技術在25 m的范圍內性能是可以接受的，但是在超過25 m時信號的強度以及可辨識度大大下降。就日常應用而言，25 m對于一種短距離通信技術是完全足夠的。重要的是，平臺的整體功耗維持在65 mW左右，達到了一個較低的功耗標準，可以供移動設備使用。

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