（通信与信息系统专业论文）短波数据传输系统关键技术研究.pdf

摘要 短波通信由于具有通信距离远，机动性好，顽存性强等优点，在无线通信特 别是军事通信中占据重要地位，国内外对短波电台以及高速调制解调器的研究相 当多。本文主要研究了短波数据检测和3 9 音并行调制解调系统两部分：第一部分 主要研究了非线性块式数据直接检测d e ) 和判决反馈均衡( d f e ) 两种数据检测 方法，并介绍了数据检测中常用的r l s 等信道估值算法。基于美军标 m 几s t d1 8 81 1 0 a ，分析了n d d e 和d f e 方法的性能，并在t ic 6 4 1 6 定点d s p 上实现了快速的浮点运算以满足算法的高运算精度要求。第二部分主要研究了短 波3 9 音并行调制解调系统。基于国军标g j b 2 8 2 6 9 7 ，着重研究了其发端系统的原 理和相应实现方法，其收端系统的频率校正，码元同步，r s 软译码和信噪比估计 等算法，最后经测试，整个系统性能达到了军标要求。 关键字：判决反馈均衡平方根卡尔曼算法3 9 音调制解调 a b s t r a c t 耶c o m m u n i c a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ， e s p e c i a l l yi nt h em i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n s ，d u et oi t sa d v a n t a g e so fl o n gr a n g e ，g o o d f l e x i b i l i t y , a n ds t r o n gs u b s i s t e n c e ，s om u c hr e s e a r c hh a sb e e nm a d eo ni - i fr a d i oa n d 1 1 i g hs p e e dm o d e m i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hi sm a i n l ya b o u tt w oi t e m so nt h ei - i f c o m m u n i c a t i o n ，o n ei st h ed a t ae s t i m a t i o na n dt h eo t h e ri st h e39 一t o n e sp a r a l l e lm o d e m i nt h ef i r s ti t e r n ，t h en o n l i n e a rb l o c k d a t ad i r e c t e de s t i m a t i o n ( n d d e ) a n dt h ed e c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z a t i o n ( d f e ) a r es t u d i e d ，i na d d i t i o n ，t h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d s t h a ta r eu s u a l l yu s e di nt h ed a t ae s t i m a t i o n ，s u c ha sr l s ，a r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h e u s s t a n d a r dm i l - s t d 一18 8 110 a ，t h ep e r f o r m a n c e so ft h en d d ea n dd f ea r e a n a l y z e d ，a n dt h ef a s tf l o a t i n g - p o i n ta r i t h m e t i ci sc o m p l e t e dt om e e tt h eh i g h p r e c i s i o n r e q u i r e m e n to ft h ea l g o r i t h m so nt h ef i x e d - p o i n td s pp l a t f o r mo ft ic 6 416 i nt h e s e c o n di t e m ，t h e3 9 - t o n e s p a r a l l e lm o d e ms y s t e mi si n t r o d u c e d b a s e do nt h e g j b 2 8 2 6 - 9 7 ，t h ep r i n c i p l ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gi m p l e m e n tm e t h o d so ft h es e n d i n g s y s t e ma r eg i v e n ，a l s ot h ea l g o r i t h m so ff r e q u e n c yc o r r e c t i o n ，s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ， r ss o f t - d e c i s i o nd e c o d i n ga n ds n re s t i m a t i o no ft h er e c e i v i n gs y s t e ma r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mp e r f o r m a n c ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f t h eg 旭2 8 2 6 9 7 k e y w o r d ：d f es q u a r e r o o tk a l m a n3 9 - t o n e sm o d e m 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：塑丝型 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：垒垄圭丝型 导师躲雒 醐孚上且 第一章绪论 第一章绪论 1 1 短波通信 短波通信，又称高频通信，是指在2 3 0 m h z 频段范围内，通过天波( 电离层反 射传播) 来进行远距离通信或通过地波( 沿着地表面传播) 进行近距离通信的一种通 信手段。与其他通信手段相比，短波通信有着通信距离远，机动性好，顽存性强 及具有多种通信能力等不容忽视的独特优点。由于这些优点，长期以来短波通信 在远距离通信方面一直占据重要地位，被认为是有效而经济的远程军用和民用通 信手段。 6 0 年代中期，卫星通信的出现，曾一度导致许多人认为短波通信已经过时。 跨入8 0 年代以来，过去由于卫星通信技术的迅速发展而一度被冷落的短波通信， 又作为重要的通信手段之一而受到人们的重视。出现这种变化的主要原因，可以 归纳为： 1 随着大规模集成电路技术、计算机技术、数字信号处理技术、高速数字信 号处理器的迅猛发展，短波通信在实时信道估算、自适应收发信机、自适应调制 解调器、自适应均衡及检测、自适应天线阵列等一系列技术上获得了进展，使短 波通信有可能克服高干扰电平、衰落和多径传播等信道时变色散特性方面的困难， 向实现数字化、低误码率、高速率和通信自动化的目标迈进。 2 一旦战争爆发，通信卫星是极易被摧毁的主要军事目标之一，且损坏后难 以紧急修复。而短波通信目标较小，不易被摧毁，即便遭到破坏也容易修复。因 此在战争状态下，短波通信的安全可靠度要高于卫星通信。鉴于这一点，人们对 短波通信的军事价值有了新的认识。 3 卫星通信技术要求高，造价昂贵，而短波通信技术相对简单，造价比较低， 故一般国家都能部署使用。 4 短波通信设备体积小，便于移动，灵活机动，更适合于军事上使用，如车 载、舰载、机载等。相应地，作为小容量的商业电台、业余电台、驻外使馆电台 以及极区科学考察电台，它也是一种合适的通信手段。 5 在使用范围上，短波通信和卫星通信一样，可以实现全球通信。特别在低 纬度地区，短波通信的可用频段变宽，最高可用频率较高，受到粒子沉陷事件和 地磁爆事件的影响较小。而卫星通信在低纬度地区受电离层或对流层的闪烁影响 较大，加之发展中国家在低纬度地区占多数，短波通信对他们更实用。 短波数据传输系统关键技术研究 1 2 短波通信中的信道估值和均衡技术 众所周知，电离层是时变色散信道，其传输特性随昼夜和季节而随机的变化， 这会导致信道衰落比较严重。信号传输中的衰落、多径传输引起的时间色散、多 普勒效应引起的频域色散、其它噪声和人为干扰等各种因素的影响，使短波通信 与其它通信方式相比，信号质量明显降低，故改善信道条件，提高信号传输质量 和速率，降低误码率，一直是短波数字通信所要解决的主要问题。由于短波通信 的性能很大程度上取决于系统设计对信道传输的补偿效果，因此采用什么样的自 适应实时信道估值和数据检测方法，就成为一个急需解决的问题。 根据实际情况，本文主要研究了两种比较实用的数据检测技术：非线性块式 数据直接检测删d d e ) 和判决反馈自适应均衡器( d f e ) 。n d d e 是一种基于信道估 值的检测技术，其要求在一个数据块内信道系数保持恒定。在美军标 m 几s t d1 8 8l l o a 描述的串行m o d e m 中，数据块较小，训练码和未知数据的比 例为1 6 ：3 2 ( 2 4 0 0 b i t s ) 或2 0 ：2 0 ( 1 2 0 0 b i t s 及以下) ，因此在一块数据中，信道系数可 以被认为是固定的，n d d e 方法可以达到很好的检测性能。但是较小的数据块也 限制了数据传输速率，如果要提高数据传输速率，必须扩大数据块的尺度，这样 由于一个数据块所持续时间变长，信道系数不变的假设就不再成立，n d d e 的性 能就会有所下降。正是基于n d d e 的这种局限性，本文研究了判决反馈自适应均 衡技术。判决反馈均衡器采用自适应滤波算法调整其系数，不仅可以很好地跟踪 信道的变化，而且可以在不需要插入训练序列的情况下连续的对数据进行检测。 正是基于判决反馈均衡的这些优点，本文对其性能进行了评估。 1 3 短波高速调制解调器 在短波高速数据传输系统中，高速调制解调器是一项关键技术，其作用就是 采用各种技术措施来充分利用短波通信系统的信道容量，克服或减少短波信道造 成的严重码间干扰，提高信息传输速率和增强数据传输的可靠性。近年来，国内 外对短波高速调制解调器的理论研究和产品开发都是按照多音并行和单音串行两 种体制进行的，下面将分别介绍。 多音并行体制的思想是将高速短波信道分成若干低速并行子信道，在每个子 信道上传输一个副载波，其通过采用正交频分调制，即多个正交副载波同时调制 的方法来提高传输速率，通过加大码元宽度，使其远大于多径时延，来消除多径 衰落的影响。 单音串行体制的思想是采用单个载波来串行发送数据信号，由于单音信号占 据了整个频谱，故其受多径引起的频率选择性衰落的影响比较小，但由于其码元 宽度比较窄，串行体制的码间串扰十分的严重，实际中可采用适当的自适应均衡 第一章绪论 技术跟踪时变信道来消除多径带来的码间串扰。 串行体制和并行体制各有优缺点。相比较并行体制，串行体制频带利用率较 高，峰平比低( 即峰值平均功率) ，对频率选择性衰落不敏感，但是并行体制技术 更成熟，成本较低，具有较高的性价比，因此本文主要研究了并行体制。 1 4 本文工作内容和章节安排 本文主要内容包括两部分：1 ) 短波信道估值和均衡；2 ) 短波并行调制解调 系统及其实现。第一部分针对短波信道的特点，介绍了信道估值的原理和算法， 主要研究了非线性块式数据直接检测q d d e ) 和平方根卡尔曼判决反馈均衡( d f e ) 两种数据检测方法，基于美军标m i ls t d1 8 81 1 0 a ，在m a t l a b 中对两种方法进 行了性能分析，并在t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 定点d s p 硬件平台上实现了快速浮点运算， 以满足实际信道估计和均衡算法中对高精度运算的要求。第二部分主要研究了短 波3 9 音并行调制解调系统及其实现。 各章节安排： 第二章介绍了短波串行和并行通信体制标准及调制解调器硬件平台。 第三章主要讨论了短波信道的具体特性及其估值算法。 第四章研究了块式数据检测和判决反馈均衡算法及性能差异。 第五章研究了短波3 9 音并行调制解调系统的原理和具体实现。 第二章短波调制解调器 5 第二章短波调制解调器 短波调制解调器由于其固有的优点，无论是在军用还是在民用方面都得到了 广泛的应用，随之也产生了很多通信协议标准。例如：美国军用短波数传标准 m 几s t d1 8 81 1 0 x 系列，中国军用短波数传标准g j b 2 8 2 6 9 7 等。在军用标准方 面，国内外产品大多以美军标m i ls t d1 8 81 1 0 a 为标准，速率不高于2 4 0 0 b i t s 的1 1 0 a 已成为公认的标准。本文是在相同的硬件平台上，基于软件无线电的思想， 把不同的标准做到了一起，通过调用不同的软件模块函数，来达到不同的功能要 求。在短波调制解调器中，串行m o d e m 采用美军标m i ls t d1 8 81 1 0 a ，并行 m o d e m 采用国军标g j b 2 8 2 6 9 7 ，希望通过它们来说明整个短波调制解调器系统。 2 1 美军标m i ls t d18 811 0 a 简介 在美军标m 几s t d1 8 81 1 0 a t l l 】中信号带宽为3 0 0 - - 3 3 0 0 h z ，调制采用8 p s k ， 单一载波频率为18 0 0 h z 。无论信息速率为多少，波特率均为2 4 0 0 b a u d 。要求能实 现的信息速率为：4 8 0 0 b i t s ( 不加编码) 、2 4 0 0 b i t s 、1 2 0 0 b i t s 、6 0 0 b i t s 、3 0 0 b i t s 、 1 5 0 b i t s 、7 5 b i t s 。下面简要介绍军标具体要求。 2 2 1 同步前导序列 在串行m o d e m 中首先发送同步前导序列。同步前导序列的作用有三个方面： 一是信号的捕获，知道空中是否有数据要接收；二是使收、发双方保持同步，包 括帧同步和位同步；三是发送速率信息和交织信息。在1 1 0 a 中，发送的同步序列 为o ，1 ，3 ，0 ，1 ，3 ，1 ，2 ，0 ，d 。，d ：，q ，c ：，c 3o 。其中d 。d ：这4 比特用来表征交织和速率信息， 不同的交织和速率对应着不同的d 。，d ，。c 1c ，c ，用来表征同步序列发送的次数信 息。对于无交织或短交织，同步序列发送3 次，对于长交织，同步序列发送2 4 次。 2 2 2 调制方式 由于加入的扰码都是8 p s k 形式，所以最后各种速率的数据都是以8 p s k 的调 制方式发送出去，在实际去掉扰码的调制和解调过程中，不同的信息传输速率采 取不同的调制方式。4 8 0 0 b i t s 、2 4 0 0 b i t s 采用的是8 p s k 调制，1 2 0 0 b i t s 采用的是 4 p s k ( 臣pq p s k ) 调制方式，6 0 0 b i t s 及以下采用的都是2 p s k ( 且pb p s k ) 调制方式。 2 4 0 0 b i t s 、1 2 0 0 b i t s 、6 0 0 b i t s 之间的速率相互切换都是通过改变调制方式来达到目 地的，而6 0 0 b i t s 、3 0 0 b i t s 、1 5 0 b i t s 之间的速率切换都是通过改变卷积码的编码 方式来实现的。 6 短波数据传输系统关键技术研究 2 2 3 数据格式 为了使收端能及时跟踪信道的变化，在发送数据序列阶段，在未知数据中周 期性地插入训练序列。插入比例分两种情况：对4 8 0 0 b i t s 和2 4 0 0 b i t s 速率，插入 比例为训练数据= 1 6 3 2 ；对1 2 0 0 b i t s 及以下速率，插入比例为训练数据= 2 0 2 0 。 2 2 4 卷积编码和交织 4 8 0 0 b i t s 速率不加编码，7 5 2 4 0 0 b i t s 各种速率采用前向纠错编码( f e c ) 。其 中2 4 0 0 b i t s 、1 2 0 0 b i t s 和6 0 0 b i t s 采用的是1 2 卷积编码，其编码框图如图2 1 所 示。3 0 0 b i t s 采用的是1 4 卷积编码，1 5 0 b i t j s 采用的是1 8 卷积编码。 。o u t p u t 图2 1 约束长度为7 的1 2 卷积编码器 由图2 1 可知，生成多项式为互：x 6 + x 4 + x 3 + x + 1 ，互：讫+ 毛+ 五+ 屯+ 1 ， 编码方式为( 2 ，1 ，7 ) ，也就是约束长度为7 的1 2 卷积编码。 为了抗突发干扰，对发送数据进行了交织处理。交织分为三种：长交织( 4 8 s ) 、 短交织( o 6 s ) 和无交织。接收端可以根据同步序列中所提供的交织信息来解交织， 然后通过译码消除突发错误。 2 2 5 波形形成 根据1 1 0 a 标准，在各种速率下，波特率均为2 4 0 0 b a u d ，因此司。选用滚降系 数为0 2 5 的升余弦滚降波形对信号进行波形形成处理，可将基带信号频谱扩展为 1 5 0 0 i - i z ，经1 8 0 0 h z 载波调制后形成通带，通带带宽正好为3 0 0 3 3 0 0 h z 。选用的 升余弦滚降波形的频谱表达式见式( 2 一1 ) 。 f z if 一 p ( 厂) = t sc 。s 2 磊( i 厂i 一+ ) 一 l 厂i 冬+ 第二章短波调制解调器 7 式中= 3 0 0 h z ，互= 1 2 4 0 0 s ，= 2 4 0 0 h z ，滚降口= 1 - 2 f l r , = 1 - 0 7 5 = 0 2 5 。 对式( 2 1 ) 进行傅氏变换，则相应的时域表达式见式( 2 2 ) 。 p = 篇恭 p 2 ， 为使式( 2 2 ) 所对应的成形滤波器因果可实现，需将p ( t ) 时延为p ( t - t d ) ，只要 f d 足够大，p ( t - t d ) 在t 0 范围内可视为0 。为简便起见，在发端直接对p ( t - t d ) 进 行了截短处理，截短长度为9 个码元。 综上所述，整个发端和收端的系统框图如图2 2 和图2 3 所示。 同步前导序列 白 一 信 卷格 亳 波 勺 答 积 交 雷 扰形 0 编 编 _ - o 天 织 码 形 调 码 码 2 成制 训练序列 图2 2h f 串行m o d e m 发端原理图 图2 3h f 串行m o d e m 收端原理图 2 2 国军标g j b 2 8 2 6 9 7 简介 国军标g j b 2 8 2 6 9 7 e 2 5 1 规定并行方式在音频频带内采用3 9 个正交副载波音， 每个载波音采用正交差分相移键控( q d p s k ) 调制方式来传送比特同步数据。 军标中对发送端与接收端的要求如下： 1 发送端 ( a ) 在数据输入端口接收未知串行二进制数据； 8 短波数据传输系统关键技术研究 ( b ) 完成前向纠错( f e c ) 编码和交织； ( c ) 在调制器输出端口将合并由比特流转换成的q d p s k 数据音，对于所有的 数据速率，调制器输出的调制速率都是固定的，其中在7 5 6 0 0 b i t s 速率下通过采 用带内分集的方法来保持恒定的调制速率。此外，发送端应该提供用于启动同步 和多普勒校正所需的同步前导数据和用于交织数据块定时的帧同步数据。 图2 4 为并行体制下发送端功能框图。 图2 4 并行m o d e m 发端原理框图 2 接收端 ( a ) 在其输入端捕获信号，完成信号的同步和频率校正； ( b ) 接收q d p s k 数据音并转换成发送的串行比特流； ( c ) 完成去交织和f e c 解码； ( d ) 在输出端口获得最终接收的数据流。 图2 5 为并行体制下接收端功能框图。 信号 捕获 频率 估计 位同步 捕获 解调，频率及 位同步跟踪 图2 5 并行m o d e m 收端原理框图 2 3 硬件平台介绍 数据 上报 翮 过程卜_ 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通 过软件编程来实现无线电台的各种功能。根据这种思想，短波调制解调器所采用 的硬件平台如图2 6 所示，其主要由d s p 器件t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 和a d 芯片 t l v 3 2 0 a i c 2 0 组成，d s p 通过多通道缓冲串1 2 ( m c b s p ) 与t l v 3 2 0 a i c 2 0 相互通信。 第二章短波调制解调器 9 兰 。 田 a d & d a 1卜 d s p e t l v 3 2 0 a i c 2 0 t m $ 3 2 0 c 6 4 1 6 图2 6 短波调制解调器硬件平台 下面分别介绍所用到的两个主要芯片t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 和t l v 3 2 0 a i c 2 0 的特点 和初始化操作。 2 3 1t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 简介 1 9 9 7 年，美国t i 公司发布了新一代d s p s 芯片t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 ，包括定点系列 和浮点系列。其中定点系列是1 m s 3 2 0 c 6 2 x x ，浮点系列是t m s 3 2 0 c 6 7 x x ，二者 相互兼容。2 0 0 0 年3 月，t i 发布了新的c 6 4 x x 内核，主频高达1 1 g h z ，处理速 度接近9 0 0 0 m i p s ，总体性能比c 6 2 x x 提高了1 肛1 5 倍。其主要特剧3 5 】如下： 1 具有8 个独立功能单元，2 组数据单元，每组数据单元各有4 个不同的功 能单元，分别表示为m ，d ，l ，s 。其中m 单元主要完成乘法运算，d 单元是唯 一能产生地址的功能单元，l 和s 单元是主要的算术逻辑运算单元。 2 片内r a m 采用2 级高速缓存结构。其中，程序和数据拥有各自独立的一 级高速缓存l i p 和l i d ，其容量都是1 6 k b ；而程序和数据共享第2 级存储器l 2 ， 其容量可达1 m b 。 3 可以每周期并行执行8 条3 2 比特指令。 4 专用的存取结构，包括a ，b 两个通用寄存器组，每组都有3 2 个3 2 b i t 的 通用寄存器，可以用来存放数据，也可以作为间接寻址的地址指针，并且支持位 反转寻址( 用于f f t 算法) ，其中a 4 一a 7 和b 4 b 7 还可以以循环寻址的方式工作， a 0 、a 1 、a 2 和b 0 、b 1 、b 2 还可以用作条件寄存器。 5 提供高性能外部存储器接口e m i f a 和e m i f b ，支持s d r a m ，s b s r a m ， s r a m ，f i f o 等同步异步接口。其中，e m i f a 和e m i f b 分别支持8 1 6 3 2 6 4 比 特和8 1 6 比特的数据访问，并且都支持l i t t l e e n d i a n 和b i g e n d i a n 模式。 6 片内提供多种集成外设，如多通道的增强型e d m a ，多通道缓冲串口 m c b s p ，通用计数器，1 6 个g p i o ，扩展总线( x b u s ) 接口，3 2 比特主从模式接口 齄 可。 由于在硬件平台中用到了d s p 中的集成外设多通道串口【1 4 】，下面简要介绍下 其基本特点。 t ic 6 4 1 6 提供了三个多通道缓冲串口，分别为m c b s p 0 、m c b s p l 和m e b s p 3 ， 每个m c b s p 有两套地址总线：一个是外设地址总线，用于c p u 访问，另一个是 1 0 短波数据传输系统关键技术研究 e d m a 地址总线，便于e d m a 访问。表2 1 总结了m c b s p 有关的管脚信号。 表2 1m c b s p 接口信号 管脚 i o z 说明 c l k ri o z接收时钟 c l k xi 0 z 发送时钟 c l k s i 外时钟 d ri 串行数据接收 d xo z串行数据发送 f s ru o f z 接收帧同步 f s xv o i z 发送帧同步 d x 管脚用于数据的发送，d r 用于数据的接收，c l k x ，c l k r ，f s x ，f s r 分别为发送与接收的位同步时钟和帧同步时钟，c l k s 作为输入时钟，由外界提供。 m c b s p 的发送操作采取了2 级缓存方式，接收操作采取了3 级缓存方式，其 具体过程如下所述。 发送时，一旦发送帧同步信号( f s x ) 变为有效，发送移位寄存器( x s r ) 中的数 据依次移位输出到d x 管脚上，在每个数据单元发送的末尾，发送比特时钟c l k x 上升沿处，如果d x r 中有准备好的新数据，d x r 的新数据就会自动复制到x s r 中，这一过程也会导致串口控制器s p c r 中的x r d y 位在下一个c l k x 下降沿处 置l ，通知c p u 或e d m a 向d x r 写入新数据，写完数据后x r d y 位将自动复位。 接收时，一旦接收帧同步时钟( f s r ) 有效，其有效状态会在一个接收位同步时 钟( c l k r ) 的下降沿被d s p 检测到，然后d r 引脚上的数据会在经过一定的数据延 迟后( r d a t d l y 中的设置值) ，依次移动进入数据接收移位寄存器( r s r ) 。假如r b r 为空，则在每个数据接收的结束处，也就是c l k r 时钟的上升沿处，r s r 中的数 据被复制到r b r 中。复制操作将会在下一个时钟的下降沿将r r d y 位置1 ，表明 数据接收寄存器( d 剐r ) 已经准备好，d s p 可以读取数据。一旦数据被d s p 读走， r r d y 将自动变成无效状态，表明数据接收寄存器没有准备好，d s p 不能读取数 据。 m c b s p 也可以作为中断源来产生中断，此时r i n t 和x i n t 分别产生接收和 发送中断，送往c p u 。m c b s p 有四种中断模式，具体由串口控制寄存器( s p c r ) 中双比特x i n t m 和r i n t m 位控制。对于m c b s p 0 ，默认的x i n t 0 和r i n t 0 分 别为1 2 ，1 3 号中断，也可以通过中断选择控制器m u x l ，m u x h 来改变x i n t 0 与r n t 0 的中断选择号以及它们的优先级，本文采用了8 和9 号中断来分别表示 x i n t 0 和r i n t 0 ，并用每次新的帧同步信号来触发中断。 对于多通道串口，最重要的还是它的初始化，下面简单介绍其操作中的初始 第二章短波调制解调器 化步骤。 1 通过设置控制寄存器s p c r 中相应位，使m c b s p 复位。设置x r s t 和r r s t 为零，分别使发送端与接收端复位，设置f r s t 和g r s t 为零，使帧同步发生器和 内部的采样速率发生器复位。 2 设置s p g r ，s p c r ，p c r ，r c r ，根据需要，设置相应的值。 3 置s p c r 寄存器中的f r s t 和g r s t 为1 ，帧同步发生器和采样速率发生 器退出复位。如果m c b s p 收发部分的时钟和帧信号由外部输入，则省去这步。 4 等待2 个周期的传输时钟( c i k r c u ) 。 5 由于m c b s p 是从属方，需要主控端激活，这时需要置x r s t 和r r s t 为1 ， 使能串口，这时新的帧同步中断信号将唤醒收发端。 6 设置相应的中断并使能，等待中断传输数据。 2 3 2t l v 3 2 0 a i c 2 0 简介 t l v 3 2 0 a i c 2 0 是t i 公司生产的一款低功耗高性能的双通道a d 芯片，其含 有两个1 6 位的a d 通道和两个1 6 位的d a 通道，可完成模拟话音与数字话音的 转换工作，由于内部采用了过采样技术，其可提供高分辨率的a d 和d a 转换。 a i c 2 0 内部含有6 个可编程的控制寄存器，配置方便，无需改变硬件电路，仅改 写软件就可满足多种需求，因此被广泛地应用，下面简单介绍它的工作模式及控 制方式【15 1 。 1 可编程模式：可以通过设置控制寄存器1 中d 6 位为0 ，来使a i c 2 0 工作 在此模式下。在可编程模式中，f s 信号启动数据流的传输，每个f s 周期内还有 两帧数据：数据帧和控制帧，具体如图2 7 所示。 图2 7 中所示是在没有级联的情况下得到的，其中数据帧是从a d c 或d a c 传过来的数据，控制帧是从每个音频通道写入6 个可编程控制寄存器中的数据， 这时的f s 占据了4 个时隙，共6 4 个比特时钟( s c l k s ) 。 d 正k 翌耍泓二夏五姬匿三叠互i d 而x ：蕊瓦x i 呱忑炻蔫= 习霜蕊玎 _。_。_。、_。-。_-。-_。_。_-_-。一 图2 7 可编程模式的帧格式 1 2 短波数据传输系统关键技术研究 2 连续数据发送模式：可以通过设置控制寄存器1 中d 6 位为1 ，来使a i c 2 0 工作在此模式下。在这种模式下，没有控制帧，同步信号f s 周期内仅仅包含连续 发送的两通道的1 6 位比特数据，共3 2 个s c l k s 。连续发送模式的帧格式如图2 8 所示。 r 一 d a t af r 啪e + f 一d a t af r 锄e _ d 正汇王匠玖二戛五墨五x i 五3 二 d o c h j 8 1 怒i ca d c c 0 1 i t a d c c h l8 1 0 1 6 t 2 b i ta d c c h 2 s l o l t 6 3 b i ta d c ，。_-_。-。-_。 。-_-_。一、_。_。_-_。_。-_-_ 图2 8 连续发送模式的帧格式 3 数据格式：1 6 比特的数据有两种，一个是1 5 + 1 比特模式，另一个是1 6 比特模式。1 5 + 1 比特模式中1 比特指的是d i n 中最低位d o ，用于控制，有效数 据位为1 5 比特。这种模式的选择是通过控制寄存器1 的最低位l s b 来决定。 l s b = i ，d a c 输入进来的数据长度为1 6 比特，l s b = 0 ，表示是数据长度为1 5 比 特。选择1 5 + 1 模式，在这种情况下，如果d i n 中最低位d 0 = i ，表明连续数据模 式将转化为可编程模式，下次要发控制帧。 4 控制帧数据格式 1 6 b i t 的控制帧格式如图2 9 所示。 图2 9 控制帧数据格式 其中d 1 5 d 8 表示是控制命令。d 1 5 d 1 3 定义的是寄存器地址，例如0 0 1 表示选择控制寄存器1 ，依次类推，1 1 0 表示选择控制寄存器6 ，0 0 0 表示空操作。 由于只有6 个寄存器，故没有1 1 1 。d 1 2 表示读写，d 1 2 = 0 表示写寄存器，在d 1 2 = 0 的情况下，d l l 是广播模式的使能位，d l l = i 表示广播模式。d 7 一d o 表示写入寄 存器里的值，其中连续数据模式与可编程模式可通过控制寄存器1 中d 6 位来决定， 当d 6 = 0 时表示编程模式，否则为连续模式。 5 帧同步信号f s 的确定 帧同步信号f s 频率可通过设置4 号寄存器来确定，产生f s 频率的公式为： f s = m c l k 1 6 m n p ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中m c l k 为d a 的主频率，m ，n 和p 的默认值分别为m = 1 6 ，n = 6 和p = 8 。配置f s 频率时，需要分两次修改寄存器4 ，由于每一次新的配置需要一 第二章短波调制解调器 个f s 的时间延迟后才能生效，故在两次修改寄存器之间要插入一个时间为f s 的 空操作。 6 灿c 2 0 芯片的复位 芯片复位有两种方法： ( a ) 给r e s e t 管脚一个低电平脉冲。 ( b ) 在可编程模式下，对控制寄存器3 a 中的d 3 写1 。 a i c 2 0 初始化过程如下： 1 首先复位芯片，向r e s e t 管脚发送低电平脉冲。 2 通过m c b s p 0 口先向a i c 2 0 发送1 号寄存器控制信息( d 6 = 0 ) ，将芯片工 作模式设置为可编程模式，然后再将2 6 号寄存器的控制信息通过串1 ：3 发送给 a i c 2 0 。 3 最后再向a i c 2 0 发送1 号寄存器控制信息( d 6 = 1 ) ，将芯片工作模式设置 为连续数据传输模式。 第三章短波信道估值 第三章短波信道估值 3 1 短波信道对数据传输的影响 电离层反射信道属于时变色散信道，它具有时间、频率和空间三种选择性衰 落，直接影响通信系统的性能，研究短波信道特性对测试和提高短波通信设备的 性能可提供很大的方便16 1 。 3 1 1 多径效应对数据传输的影响 1 多径展宽及时间延迟 电离层反射传播的多径效应会引起信道的时间色散，这个色散现象用多径展 宽来表征。多径展宽是对单个窄脉冲通过电离层介质时所遇到的以路径延迟来计 算的失真度量，也就是脉冲响应的度量，其宽度的中心代表平均的时间延迟。大 量实测数据的统计结果表明，多径展宽的分布服从正态分布，一般集中在o 3 5 6 m s 范围内，最大多径延迟约8 m s ，小于5 m s 的占8 0 。当工作频率接近最高可用频 率( m u r ) 时，多径延迟可能小于0 5 m s 。 2 多径效应引起的衰落 多径效应在不同条件下会使传输信号发生平坦衰落、时间选择性衰落和频率 选择性衰落，主要是频率选择性衰落。 假设信号码元长度为丁，第f 条传输路径的信号时延与信号平均时延之差为 at ：，则两者的不同组合会产生以下三种不同的衰落现象。 ( a ) 当信号码元长度丁较小，且a t ， t 时，将引起“平坦衰落 。这是因为 信号在时间间隔丁内的任何两个时刻上的衰落是高度相关的。平坦衰落对信号的影 响主要表现为使接收点信号强度下将。在起伏噪声作用下，必然造成信噪比下降， 导致误码率增大。降低平坦衰落对数传的影响的有效办法是设法提高接收机输入 的信号功率，例如提高发射功率、采用分集接收等。 ( b ) 当信号码元长度丁较长，且a t ， t 时，将引起“时间选择性衰落。这 是因为在较长的时间间隔丁内，传输媒质随时间发生随机运动，使各条反射路径的 时延、衰减也都随时间发生变化，多径合成的结果使信号的振幅和相位的衰落变 化不再是平坦的，而是随时间发生急剧的衰落变化，即时间选择性衰落。 ( c ) 当传输时延a t ；比较大或丁比较小，不满足时a t ， t ，多径效应会在频 域上产生“频率选择性衰落 ，这是时间扩散在频域中的反映。以两条反射路径为 例，若主波射线信号代表基本信号，副波射线信号相对于基本信号有一个时延岔， 两信号在接收点合成为接收信号。由于& 比较大，合成波形就会比基本信号码元 1 6 短波数据传输系统关键技术研究 长( 增长部分即时间扩展) ，它有可能落在后续码元的时间间隔内从而造成“码间干 扰 。f 越大，造成的码间干扰越严重。从相位上看，由于出的随机变化，两信 号间的相位差在0 0 3 6 0 0 之间变化，从而使两信号产生不同的折叠情况。两信号等 强，出现的两个极端情况是同相叠加出现传输极大值，反相抵消出现传输零点。 实际短波信道中的多径传输极少有双径等强的情况，而多是出现数个不等强的路 径，因而码间干扰的形式也是十分复杂的。码间干扰这一时间扩散现象，反映在 频域上是使得合成的信号频谱中个频域分量有不同程度的衰落( 即频率选择性衰 落) 。应指出的是，频率选择性衰落对短波高速数据传输的危害最大。 3 1 2 多普勒效应对数据传输的影响 1 多普勒展宽及多普勒频偏 电离层反射传播的多普勒效应会引起信道的频率色散，这个色散现象用“多 普勒展宽”来表征。多普勒展宽是对单色波( 单一频率的电波) 通过电离层介质时所 遇到的以多普勒频偏来计算的失真度量，它等于接收载波的频谱宽度。宽度的中 心代表平均多普勒漂移，称之为多普勒频偏。多普勒频偏还会因为收发信机之间 的相对运动引起，例如车载、舰载和机载通信的情况下，多普勒频偏还会随运动 速度的增大而增大。多普勒展宽一般为0 。0 1 2h z ，最大可达1 0 h z ，而多普勒频 偏一般为7 5 h z 以下( 含电台频差) ，机载通信情况下多普勒频偏甚至超过1 0 0 h z 。 2 多普勒效应引起的衰落 多普勒效应主要会造成时间选择性衰落，它是频谱展宽现象在时域中的反映。 若发射一单频信号，由于振幅和相位随时间变化，接收信号不再是一个单频信号， 而是一个有一定频带宽度的信号；若发射一个具有一定频带宽度的信号，则接收 信号的频谱就比发送信号的频谱更宽，即频谱被展宽。由此造成的衰落会随时间 急剧变化，即形成时间选择性衰落。显然，频谱展宽越大，所造成的时间选择性 衰落就越严重。 考虑到前面讲过多径效应会引起时间选择性衰落，所以实际的时间选择性衰 落是源于两种机理的。时间选择性衰落可用衰落分布、衰落率、衰落深度和相关 时间等指标来表征，大量实测数据的统计结果表明：幅度衰落的分布以瑞利分布 为主，占8 6 6 ：衰落率一般在3 0 次分钟，快衰落可达2 4 8 次分钟；衰落深度一 般为2 0 d b ，快衰落深度可达3 0 6 0 d b ；相关时间在0 0 4 - - 4 3 4 s 范围。 时间选择性衰落会使传输信号波形发生较大的畸变，严重时甚至没有加性干 扰也会造成接收判决错误，使误码率升高。为了降低时间选择性衰落的影响，在 短波数据传输系统设计中应减少信号码元长度丁。然而，为了减少码间干扰，降低 频率选择性衰落影响，又需要增大信号码元长度丁。当然，还要考虑码元传输速率 第三章短波信道估值 和信号带宽等这些重要的方面，这就需要折衷考虑。 3 1 3 短波信道模型 由前面的介绍可以知道，短波信道为时变多径衰落信道，具有频域和时域的双 重选择性，但在有限频带( 如1 0 k h z ) 和足够短的时间( 如1 0 分钟) 内，大多数短波 信道近似平稳并可用一个静态模型来描述。w a t t e r s o n 等人在1 9 7 0 年提出高斯散射 增益抽头延迟线模型并证明了该模型的正确性，其系统框副1 7 1 如图3 1 所示。 图3 1w a v e o n 信道模型 图3 1 中1 1 表示路径的条数，输入信号经过不同时延后，在1 1 个抽头处输出， 由一个复路径增益函数调制，各路已调信号在输出端和加性噪声叠加后输出。路 径增益函数是信道模型中的关键部分，反映了短波信道的时变色散特性。 w a t t e r s o n 模型较全面地考虑了短波信道的瑞利衰落、多径时延以及多普勒效 应等特性。短波信道的瑞利衰落和多普勒效应是通过用独立的复高斯过程对多径 信号进行幅度和相位的调制来实现的。该模型的时变频率响应函数为： j l h ( f ，t ) = e x p ( 一j 2 n - r f f ) g i ( t ) 扣1 ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中，i 为路径号，1 为路径总数。t 为第i 条路路的时延，g ；( t ) 为第i 条路 径由于电离层波动导致的信号随时间变化的增益函数，它是一个零均值复高斯随 机过程。 w a t t e r s o n 模型中，每条路径的g ；( t ) 是相互独立的具有瑞利振幅分布和均匀相 位分布的零均值的复高斯函数，具体表达式为： g ( f ) = g d ( t ) e x p ( j 2 z ：厶f ) r 3 2 、 、一一， 式( 3 - 2 ) 中，厶为第i 条路径的多普勒频移，g a ( t ) 为独立的、稳定的且