一種無線數(shù)據(jù)傳輸設備底層設計與實現(xiàn)

陳迪樓

【摘要】 底層波形設計和數(shù)據(jù)的組織格式是無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟糠郑咝阅艿牟铄e控制編碼技術和高效調制技術是關鍵技術。本文簡述了無線數(shù)據(jù)傳輸設備的工作原理，并結合關鍵技術介紹了一種無線數(shù)據(jù)透明、高速傳輸?shù)牡讓拥脑O計，最后給出了收發(fā)功能的軟件實現(xiàn)流程。

【關鍵詞】 數(shù)據(jù)傳輸 幀結構 RS ISCP-DPSK

一、引言

無線通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)處理設備、無線數(shù)據(jù)傳輸設備及配套天線系統(tǒng)組成，其中無線數(shù)據(jù)傳輸設備扮演著重要角色，是信息交互的橋梁，承擔信息與數(shù)據(jù)的傳輸任務。如今軟件無線電技術的發(fā)展日新月異，基于超短波無線通信的傳輸設備也取得了長足的發(fā)展，一般由數(shù)字和模擬兩部分組成，模擬部分實現(xiàn)射頻信號的調制與解調、接收與發(fā)送，數(shù)字部分實現(xiàn)控制，接口和數(shù)據(jù)基帶處理功能。參照OSI協(xié)議體系結構模型，無線數(shù)據(jù)傳輸設備在數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)主要完成鏈絡控制層和物理層的功能，通信過程中的鏈路建立機制，差錯重傳機制，流量控制由上層協(xié)議完成，如圖1所示[1]。

二、工作原理

目前國內無線數(shù)據(jù)傳輸設備多種多樣，不管是民用還是軍用，但其工作原理基本一致，內部各單元按功能可分為整機控制、接口控制、音頻處理、基帶數(shù)字處理、加解密、中頻處理、發(fā)信機、接收機和天饋功等部分組成。

無線傳輸設備對所發(fā)送消息的信號處理流程圖如圖2所示，接收消息的信號處理為逆向過程。每條消息加密處理，消息包封裝，形成鏈路層波形。每組鏈路層波形經(jīng)信道糾錯編碼、信號成幀、信號調制處理，形成物理層波形。

無線傳輸設備屬于整個通信系統(tǒng)中的一部分，本文介紹的傳輸設備工作在UHF頻段，在統(tǒng)一的硬件環(huán)境下，基于軟件無線電思想，搭配不同的軟件實現(xiàn)不同的傳輸功能。抗干擾模式下采用跳頻和抗頻技術等技術實現(xiàn)可靠傳輸。鑒于應用場景的不同，這里只介紹常規(guī)模式下的數(shù)據(jù)底層傳輸設計[2]。

三、實現(xiàn)方案

3.1設備對外接口

無線數(shù)據(jù)傳輸設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸，數(shù)據(jù)內容無頭無尾，數(shù)據(jù)接口采用硬件流控方式提高可靠性，發(fā)送端接口如圖4所示：數(shù)據(jù)處理設備處理數(shù)據(jù)后，若需數(shù)據(jù)傳輸設備發(fā)送數(shù)據(jù)，則先向數(shù)據(jù)傳輸設備發(fā)請求信號，待正確響應后，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，撤銷發(fā)送包絡信號，同時數(shù)據(jù)傳輸設備也撤銷響應信號，一次數(shù)據(jù)傳輸結束。一次傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為1至4096個，傳輸速率3.125Mbps左右。

發(fā)送接口如下：

當數(shù)據(jù)傳輸設備需向數(shù)據(jù)處理設備上報接收數(shù)據(jù)時，則直接將數(shù)據(jù)送出，并置包絡信號。一次數(shù)據(jù)傳輸結束，如圖5所示。

3.2幀結構設計

數(shù)據(jù)透明傳輸，重點要設計好自定義格式的數(shù)據(jù)幀，將大數(shù)據(jù)幀分解成若干個小的數(shù)據(jù)幀，方便流處理，提高傳輸速率。本設計一次射頻傳輸，數(shù)據(jù)幀格式如表1所示：

3.2.1 載波段與幀同步段

數(shù)據(jù)傳輸中，接收端只有從所接收的碼元序列中正確識別幀的起止，才能保證所傳輸信息的復原。幀同步在位同步的基礎上識別出含有效數(shù)字信息幀的起止時刻，從而得到有效的數(shù)據(jù)信息，本設計采用插入式幀同步方法，利用特定的幀頭和幀尾表示數(shù)據(jù)起始幀的位置、結束幀位置。幀頭為127bit自相關、互相關良好的偽隨機碼；幀尾為63bit自相關、互相關良好的偽隨機碼， 載波段為0/1交替信號，用于功率的建立和接收端AGC的調整和同步[3]。

3.2.2 數(shù)據(jù)段組織：

由于一次傳輸設計的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)長度不固定，且無頭無尾之分。為了實現(xiàn)有效傳輸，必須插入自定義數(shù)據(jù)頭供接收端從數(shù)據(jù)序列中提取真實有效的數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)的開始與結束。表1中的數(shù)據(jù)段構成方式如圖6所示。

一個數(shù)據(jù)段由m個240bit的數(shù)據(jù)段組成，數(shù)據(jù)段最大值為1024， 因此m最大值為65，第一個240bit由6個字節(jié)經(jīng)兩級RS編碼后所得。 接收端解析6字節(jié)數(shù)據(jù)可提取一次有效射頻傳輸中數(shù)據(jù)段n的序號及最結束標志，以及每個數(shù)據(jù)段含有240bit數(shù)據(jù)段的個數(shù)m和最后一個240bit數(shù)據(jù)段中實際傳輸?shù)淖止?jié)個數(shù)；

如果數(shù)據(jù)源一次性傳輸有效字節(jié)數(shù)不是16的整數(shù)倍，則補充隨機數(shù)為16的整數(shù)倍；如果數(shù)據(jù)源一次性傳輸大于1024個字節(jié)，則分割成1024個字節(jié)組織傳輸。因此一次傳輸表1中n最大值為4。

3.2.3 糾錯編碼

無線通信采用差錯控制編碼的提高可靠性，在3G通信中，采用了券積碼和Turbo碼，在軍事通信中，如LINK16，LINK22采用了RS碼。RS碼簡單，構造方便，是糾錯能力強的多進制BCH碼，在數(shù)字通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。該設計采用RS（255，241）的縮短碼RS（30，16）的編碼方式，符號數(shù)為8，伽羅華域為G（256），能夠檢驗的符號數(shù)為7。分組碼的糾錯能力與信道特性和碼型有關，使用BSC信道和AWGN信道模型，譯碼的后誤碼率可近似為：

其中n為碼組長度，t為糾錯個數(shù)。按上式，在信道誤碼率Pe=10-3的條件下，采用RS（30，16），RS（16，6）的編碼方式，RS（30，16）譯碼后誤碼率為：

實際信道中產生的錯誤往往是突發(fā)錯誤或突發(fā)錯誤與隨機錯誤并存， 雖然RS碼已具備強大的抵御突發(fā)差錯能力，但若對數(shù)據(jù)進行交織處理，改變數(shù)據(jù)碼字傳輸順序的方法，將比較長的突發(fā)錯誤或多個突發(fā)錯誤作離散化處理，則可進一步提高RS碼在傳輸過程中的抗突發(fā)誤碼能力[4]。

3.3信號調制

無線數(shù)據(jù)傳輸設備調制波形常用的是BPSK、MSK、QPSK、GMSK等，本設計調制方式采用ISCP-DPSK方式，其原理框圖如圖7所示，基帶信號由信號選擇邏輯根據(jù)輸入比特符號和當前相位狀態(tài)在基帶信號集合中選擇一個基帶信號作為調制信號輸出[5]。

相對于BPSK調制，這種調制有如下優(yōu)點：符號間相位連續(xù)，信號具有良好的功率譜，發(fā)射信號為準恒包絡，避免了初相，多普勒頻移等引起的符號間相位變化時對解調的影響，適合于高速運動平臺的突發(fā)通信。

四、收發(fā)軟件實現(xiàn)流程

CPU通過接口接收數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行加密，分割等處理后，分為報頭和報文，報頭為6個字節(jié)，通過FIFO1_txin緩存，經(jīng)過報頭編碼交織送到CPU， 報文則通過FIFO2_txin緩存經(jīng)過報文編碼交織后送到CPU，CPU對報頭，報文進行組合并插入幀同步頭和幀尾，最后插入載波完成信號的調制。

接收端是發(fā)送端的逆過程，即接收機收到信號經(jīng)解調后，通過FPGA對同步頭捕獲，經(jīng)解密，解交織后將數(shù)據(jù)分發(fā)。前240bit報頭編碼字節(jié)到FIFO1_rx_in緩存，經(jīng)報頭解碼后通過FIFO1_rx_out送至CPU，30字節(jié)之后的報文編碼字節(jié)送到FIFO2_rx_in緩存，經(jīng)報文解碼模塊最后通過FIFO2_rx_ out輸出到CPU。 最后通過CPU處理并完成解密后送給上層數(shù)據(jù)處理設備。

五、結束語

采用該底層設計技術，可有效解決無線傳輸設備透明傳輸問題，采取的ISCP-DPSK的調制方式，相對于BPSK提高頻譜利用率，準恒包絡方式降低了功放要求，兩級糾錯碼的設計進一步提高了突發(fā)通信的糾錯能力。另外，該設計在實際項目中得到了成功應用，滿足性能指標，工作穩(wěn)定可靠。

參 考 文 獻

[1] 張帆，超短波無線通信系統(tǒng)鏈路層的設計與實現(xiàn)[D] .北京：北京郵電大學碩士學位論文.2011

[2] 王本龍，機載超短波抗干擾電臺設計[D].成都：電子科技大學碩士學位論文.2011

[3] 夏曉巍，方旭明，黃巍，陳遠.幀同步技術的研究與展望[J].信息安全與通信保密[J].，2006（07）：140-143

[4] 王新梅.肖國鎮(zhèn).糾錯碼一原理與方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006

[5] 張劍.符號內連續(xù)相位差分相移鍵控調制方法[J].電訊技術，2010，50（8）：63-66