基于模擬廣播信道的數字信息傳輸系統

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基于模擬廣播信道的數字信息傳輸系統

Digital communicationEarly warning system

0引言

城市、校園以及大多數鄉村都有可利用的調頻廣播資源[1]，然而，就目前來看，大部分現有廣播只能完成音頻信息的發送，許多公眾信息發布均利用移動通信網絡技術實現，廣播系統的利用率低。若能利用現有廣播進行公眾信息的發布，不僅可以擴展廣播系統的功能、節省無線信道資源和使用移動通信方式產生的流量費，還可在地震等突發情況發生時，避免因部分網絡通信設備的損壞而影響信息發布的及時性。

參考文獻[2]給出了一種基于廣播數據系統(radio data systems，RDS)的天氣預警系統設計，實現了數據的收發功能。該系統需要專用的RDS發射機，這改變了現有廣播發射系統結構，而沒有充分利用現有廣播資源。參考文獻[3]利用數字水印算法，實現了基于模擬廣播信道的文字發布系統，但其整個收發系統十分復雜，誤碼率高，難以實用化。

針對上述問題，本文基于HART調制解調技術和調頻接收器RDA5820，實現數字信號與模擬信號的可靠轉換和調頻信號的有效接收，降低了系統設計復雜度，并完全利用現有廣播發射系統資源，達到了提高廣播資源利用率的目的。

1系統方案設計

系統由發射部分和接收部分組成，其整體框圖如圖 1所示。

圖1　系統整體框圖

發射系統負責信息的發布：上位機將待發送信息及相應的控制參數(信息發送速率、次數等)通過串口發送給微處理器，微處理器提取信息并進行編碼、組幀等處理，然后通過HART調制器實現數字信號的模擬化。由于模擬化的信號幅度較低，必須進行幅值放大預處理，經過預處理后的信號通過音頻接口線送入現有調頻發射機進行調制并發送。

接收系統負責信息接收和恢復：FM解調器接收廣播信號并解調，對解調后的調制信號進行放大預處理，然后送入HART解調器完成模擬信號的數字化;該數字信號直接送入微處理器的串口進行信息提取，并由微處理器進行數據解碼，恢復發送系統上位機發送的原始信息；同時，將接收到的信息顯示在顯示終端上，并以txt文本形式存儲在SD卡中。

2硬件電路設計

2.1核心處理器及電源設計

系統采用ST公司的STM32F405處理器。該處理器采用Cortex-M4結構，具有32位的RISC內核，最高工作頻率為168 MHz；內部集成1 024 kB閃存和196 kB SRAM，具有很強的數字信號處理和并行計算功能；內部自帶看門狗，可有效減小系統因外部干擾產生的不穩定性；包含標準和先進的接口，分別是3個IIC和SPI、2個UART、2個CAN和1個SDIO接口，以方便與外設直接通信。

系統需用到的電壓包括3.3 V、5 V和-5 V。其中，±5 V電壓給幅值放大電路供電，3.3 V電壓用于給微處理器及板上其他數字IC供電。外部輸入直流電壓為6 V，經過電壓轉換芯片TPS62050，可以把電壓穩定在5 V；5 V電壓再經過TPS6735和ADP1710-3.3 V后，分別得到-5 V和3.3 V。

2.2HART調制解調器

HART協議物理層使用相位連續的頻移鍵控(frequency-shift keying，FSK)調制技術[4-5]，在4～20 mA模擬信號上疊加一個幅度為0.5 mA、均值為0的頻率信號，以1.2 kHz和2.2 kHz交流信號分別代替數字信號的“0”和“1”，可方便地實現數字信號與模擬信號的雙向轉換。HART調制波形如圖 2所示。

圖2　HART調制波形圖

輸入/輸出信號分別為FSK信號和UART信號，避免了傳統A/D和D/A轉換的復雜性和轉換誤差。UART信號輸入HART調制解調器的TXD引腳，在HART_OUT引腳即可輸出對應的FSK信號。對于HART解調，FSK信號輸入HART_IN引腳，在RXD引腳即可輸出對應的UART信號。

本文選用ADI公司的專用HART調制解調器AD5700，其內部自帶帶通濾波器，數據傳輸率為1.2 Mbit/s[6]，可直接通過標準的UART接口與STM32F405通信。部分電路圖如圖 3所示。

圖3　AD5700調制解調電路圖

AD5700調制時，一方面通過UART接口與STM32F405進行串行通信，另一方面將輸入的數字信號調制成頻率分別為1.2 kHz和2.2 kHz的FSK頻移鍵控信號，并由HART_OUT引腳輸出。AD5700解調時，FSK信號由HART_IN引腳輸入，將其轉換為標準串口數據格式，送入STM32F405進行處理。

2.3放大電路

在發送系統中，由于HART調制解調器AD5700輸出的FSK信號的峰峰值大約在200 mV，所以必須對其進行幅值放大，以更好地滿足調頻發射機對調制信號的要求。同時，由于接收系統FM解調后的信號比較微弱，也必須對其進行幅值放大后再送入HART解調器中，以降低誤碼概率。

本設計中，均采用由TI公司的精密運算放大器OPA743構成的同相比例放大電路。該放大器具有很低的內部噪聲和很高的壓擺率，可以對信號進行有效的線性放大；同時，采用同相比例放大電路，利用其高輸入阻抗特性，起到了阻抗匹配的作用，減小了調頻發射機對調制信號的影響。

2.4FM接收解調

在接收系統中，設計了FM信號解調電路。該電路以調頻接收芯片RDA5820為核心，其工作頻段為65～108 MHz，內部集成了4 kB存儲器，在保存頻率信息和數據時具有獨特優勢。RDA5820內置高精度A/D及數字頻率合成器采用噪聲消除電路設計，具有非常高的接收靈敏度，噪聲小，抗干擾能力強[7]。其硬件電路設計如圖 4所示。圖4中，D1、D2為ESD二級保護管。

圖4　FM接收解調硬件電路圖

將MODE引腳拉低，RDA5820便通過IIC總線接口與STM32F405進行通信，并將FM解調后的FSK信號送入HART解調器的HART_IN端，進行HART信號解調，以恢復數字信號。

3軟件設計及實現

3.1軟件整體設計

本系統軟件由3部分組成：發送端上位機軟件、發送端下位機軟件和接收端下位機軟件。其設計流程圖如圖 5所示。

圖5　程序流程圖

發送端上位機軟件完成待發送信息的管理，包括信息編輯、信息發送次數以及發送速率的控制等，并通過串口與發送端下位機通信。發送端和接收端下位機軟件完成相應的硬件初始化和信息的編解碼等處理。

3.2通信協議

對于本數據傳輸系統，發送方和接收方需約定統一的通信協議，以便接收方判斷接收的數據是否有效，并對數據進行分類處理等。

本文通過二進制編碼的方式進行通信，通信協議幀結構如圖 6所示。

圖6　通信協議幀結構示意圖

該結構由起始字符、幀長度、信息類型、信息字段和結束字符組成。起始字符和結束字符分別由2個不同的字節數據構成，表示一幀數據的開始和結束；幀頭信息包含一個完整幀的字節長度，由4字節構成；信息類型表明該信息幀屬于哪類信息(如：科技類、財經類、體育類等)，由1個字節構成；信息字段包含上位機發送的數據和信息校驗位，通過該校驗位可完成數據的糾錯功能。

3.3混合糾錯編碼

循環冗余校驗(cyclic redundancy check，CRC)碼是一種在二進制通信系統中常用的差錯檢測方法[8]，通過在原始數據后加冗余校驗碼來檢測差錯，其生成原理參考文獻[9]。

文獻[10]給出證明：在典型的無線環境下(傳輸信道誤碼率p為10-3～10-5，幀長n=128～1 024 bit，np<1)，當p→0時，1bit錯誤幀在總的錯誤幀中的比率為R→1，表明當比特誤碼率p足夠小的情況下，絕大部分幀錯誤是每幀1bit錯誤，因此糾正每幀1bit錯誤有實際價值。

本文設計了一種基于CRC和偶校驗結合的混合糾錯算法，采用G(x)= x3+x+1的(7，4)循環碼。其包含4個信息位和3個校驗位，將信息字節拆開成高、低4位并和校驗位組成一個字節分別發送；在每字節的最后一位添加偶校驗位，以避免偶數位同時出錯情況下的糾錯。信息位的許用碼組如表 1所示。

表1　許用碼組表

續表1

由表 1可以看出，該碼組最小海明距離為3，所以可以檢測2位錯和糾正1位錯。對接收到的信息進行CRC校驗，根據其校驗所得的余數可檢測出錯位的具體位置，其對應關系如表 2所示。

表2　出錯位與校驗結果關系

編碼時，將表 1中所有許用碼字的后4位放入查找表中，根據待發送的字節數據的高4位和低4位進行查表，并對4位信息位加上對應的校驗信息，最后將編碼后的數據發送出去。解碼時，結合CRC校驗和偶校驗以及表 2給出的關系，對接收的字節數據進行糾錯,其糾錯流程如圖 7所示。

圖7　糾錯程序流程圖

4測試結果及結論

本文選用CZE-15B型調頻發射機和CZH車載天線驗證系統功能，設定發送功率和頻率分別為0.3 W和88 MHz，天線增益為3 dBi，固定收發系統直線距離為50 m，顯示設備為TFT彩屏(實際應用時可根據具體環境更換顯示設備)。由發送端上位機發送文字“Hello，歡迎來到這座城市！”，接收端液晶屏上顯示文字“Hello，歡迎來到這座城市！”。結果表明，本系統具有穩定可靠的數據傳輸功能。

為進一步測試系統誤碼率，將系統置于空曠環境下，固定發射機位置并設定功率為0.3 W，單次發送字節數據為1×107個，調整接收系統與發射機的直線距離，并在同一接收位置進行10次實驗，觀察數據接收情況，統計傳輸誤碼率。通過實驗，得到10次實驗的平均誤碼率與距離關系如表 3所示。

表3　平均誤碼率與傳輸距離關系

由表 3可以看出，在200 m內，數據丟包數極少，誤碼率低于10-6，但隨著距離增加，信道中電磁波減弱使誤碼上升。當傳輸距離超過500 m時，其誤碼率超過97%，基本失去通信能力。

5結束語

本文細述了一種基于模擬廣播信道的數字信息傳輸系統的設計方法及其實現過程，通過HART調制解調器完成數字信號與模擬信號的轉換，實現了在現有廣播平臺上的數字信息的發布和接收。本系統數據傳輸可靠，可用于校園、城市、企業單位等公眾信息的發布，具有很好的推廣價值和經濟潛力，為數字通信手段提供參考。

[1] 陳澤虎,倪林,嚴杰.一種調頻廣播數據接收顯示系統的設計[J].電視技術,2014,38(15): 114-117.

[2] 李丹.基于FM-RDS技術的災害性天氣預警系統的設計[D].鄭州: 鄭州大學,2013.

[3] 周紅燕.基于模擬廣播信道的文字信息發布系統[D].蘇州: 蘇州大學,2011.

[4] Hu F Z,Chen G L.Design and implementation of HART physical layer for smart transmitters[J].Applied Mechanics and Materials,2014: 530-531,1130-1133.

[5] Johnson T.HART communication networks are improved by small,flexible,low-power modem ICs [J].Analog Dialogue,2012,46(4): 21-23.

[6] 張燕,沈昱明.基于AD5700的HART協議通信接口設計[J].火控雷達技術,2015(1): 188-190.

[7] 王曉峰,王素香,武曉威,等.基于STC12LE5A16S2和RDA5820的校園調頻無線廣播系統的設計[J].電力學報,2013,28(5): 433-437.

[8] 周建紅,劉曉斌,張超.ADS-B系統應答的一種糾錯算法設計與實現[J].火控雷達技術,2011,40(3): 91-95.

[9] 蒲朝飛,張超.一種改進的循環冗余校驗糾錯技術[J].微電子學與計算機,2014,31(4): 83-86.

[10]楊杰,朱建鋒,安建平.無線傳輸中的循環冗余校驗碼糾錯應用擴展[J].北京理工大學學報,2005,25(8): 726-729.

Digital Information Transmission System Based on Analog Broadcast Channel

楊俊江虹張秋云

(西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽621010)

摘要：針對部分廣播信道資源利用率低的缺點，提出了一套基于模擬廣播信道的數字信息傳輸系統，并設計一種CRC校驗和偶校驗相結合的前向糾錯算法，以降低系統誤碼率。系統以STM32F405為核心處理器，基于HART調制解調器AD5700實現數字信號的調制解調；利用現有廣播發射臺，完成數字信息的收發。實驗表明，系統數據傳輸可靠，具有誤碼率低、實用性強等特點，推廣價值高，為數字通信提供了一種有效途徑。

關鍵詞：廣播信道HART調制解調器前向糾錯算法誤碼率循環冗余檢驗數字通信預警系統

Abstract：Aiming at the disadvantage of low resource utilization in some of the broadcast channels, a digital information transmission system based on analog broadcast channel is proposed, and a forward error correction algorithm combining CRC and even-parity check is designed to reduce the error bit rate (BER) of the system. With STM32F405 as the core processor, and using HART modem AD5700, the modulation and demodulation of digital signals are implemented. The system realizes transceiving of digital information based on existing radio transmitting station. Experimental results show that the system features reliable data transmission, low bit error rate, strong practicability, and high popularization value, and provides an effective way for digital communication.

Keywords:Broadcast channelHART modemForward error correction algorithmBit error rate(BER)Cyclic redundancy check(CRC)

中圖分類號：TP302+.1;TH89

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604010

中國工程物理研究院委托基金資助項目(編號：15zh0012)。

修改稿收到日期：2015-08-25。

第一作者楊俊(1991-)，男，現為西南科技大學信息與通信工程專業在讀碩士研究生；主要從事通信與信息處理方向的研究。