基于DSP的单兵背负式短波数字通信系统设计

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二十一世纪的战争将以数字化战场为背景,而数字化战场的一个重要特点是信息可以直达单个士兵。采用基于软件无线电的思想,应用第三代数字信号处理器TMS320C31和数模转换芯片TLC32044等器件构成短波自适应调制解调器的硬件平台,将其与传统的模拟电台相连接,构成了可传输数据信息的单兵背负式数字化电台,通过软件程序的编写实现信息处理的一系列功能。 此数字化电台不仅保留了原有的话音通信能力,而且又增加了数据通信功能。它充分利用了现有的短波通讯设备,并大大降低了数字化改造的成本。采用它可以将战场上的各种信息转化为数字保密代码,通过短波无线信道发送接收,把指挥所、部队及单个士兵紧密联系起来,形成机动灵活的短波通信网路,使指战员实时掌握战场态势,增加信息对抗和信息攻击能力,从而提高部队的战斗力。

1  软件无线电技术
随着高速数字信号处理器(DSP)的研究开发,软件无线电技术得到飞速发展。其基本概念是将硬件作为无线通信的基本平台,而将尽可能多的无线及个人通信功能以软件实现。其组成框图如图1所示。
软件无线电的核心是将宽带A/D和D/A尽可能靠近天线(将A/D和D/A由基带移到中频甚至射频),用实时高速DSP/CPU代替传统的专用数字电路做A/D后的一系列处理,将无线通信的各种功能采用软件进行定义。软件无线电代表一个软件可重构的无线电体系,它的可重构性主要体现在其射频、中频以及基带信号处理可以通过软件编程来控制和实现。其硬件平台可以用可编程数字信号处理芯片或可重构专用功能信号处理器来实现。

2 系统硬件组成及工作原理
以TMS320C31高速信号处理器为核心,辅以相应外围电路,构成短波自适应调制解调器,它和短波单边带电台连接后,构成短波数字通信系统中的一个站。短波自适应控制调制解调器主要由主处理器TMS320C31、温补晶振、高速RAM、低速EPROM、A/D、D/A转换器、控制频道转换电路、液晶显示器、按键等部分组成,如图2所示。

          TMS320C31(以下简称C31)是TI公司生产的第一代浮点DSP芯片,具有32位的浮点精度,60纳秒的单周期指令执行时间,能进行整数、浮点及逻辑运算,总共有三套总线,即程序总线、数据总线和DMA总线,取指、读写数据以及DMA操作可同时进行,可以寻址16M字的空间,是目前国内应用比较广泛的DSP芯片之一。它提供了可与外部串行设备通信的串行接口,支持8/16/24/32位数据交换,为设计A/D、D/A接口电路提供了很大的灵活性。它的程序引导功能(Bootloader)使其程序可以从低速EPROM、PROM或串行口装入到系统的高速RAM中全速运行。
          存储器部分包括128K×32高速RAM、256K×8低速EPROM(或EEPROM)和8K×8不挥发RAM。EPROM是用户程序存储器,由于高速EPROM价格昂贵,这里采用低速廉价的EPROM,开机或复位后,利用C31特有的程序自动装载功能,自动将EPROM中的用户程序装载到高速RAM中,并从用户程序首地址开始全速运行。
高速RAM:由4片128K×8、速度为15纳秒的SRAM组成128K×32的高速RAM区。它既作程序存储区,又作高速数据存储区。
           8K×8不挥发RAM:内带保护电路和电池,用作参数存储器。可以随时读写(需加等待状态),关机后数据不丢失,用于存储用户地址、网络参数、扫描速度及系统内部运行所需的一些参数。  
短波电台接口:TLC32044是TI公司生产的接口芯片(简称AIC)TLC32040系列中的一种,它集A/D、D/A于一体,具有两个模拟输入口和一个模拟输出口,最高采样频率为19.2kHz。它用于电台与C31之间的收发信号接口,通过C31的串行口与C31芯片连接。在程序控制下,A/D转换器将来自电台的模拟信号经高速采样后传送给CPU,由CPU运算处理和解码后恢复数据信息。D/A转换器的功能是将经过编码的发送信息转换成适合信道传输的模拟信号经电台发送出去。
         液晶显示器:采用MGLS12864T点阵式液晶显示器,编制汉字库以存储汉字字模(即点阵数据),以图形显示方式显示发送或接收的数据。
        小键盘:共20个,用菜单方式选择不同的操作功能,如输入密钥、键入数据等。各键的定义由软件实现,其参数的设置和控制功能的修改无需改变键盘硬件结构,只需改变相应软件,便于功能扩展。
若干个这样的站可以组成一个短波数字通信系统,如图3所示。

       系统由一个主控站及若干个从站组成。主控站及各从站均由短波调制解调器和短波电台组成;每个从站有自己固定的站号，且各不相同。主控站一次只能与一个从站建立链路，链路的持续时间由主控站与从站之间需传输的数据量的大小而定。主控站按照一定的顺序更换站号,便可与不同的从站建立链路,从而组成一个星型短波数字通信系统。
       该系统在电台原有半双工模拟明话通信的基础上,增加了一点对多点半双工准数字话音的实时保密通信、一点对多点半双工各种报文的保密通信和一点对多点半双工低速率雷达数据的保密通信;在模拟明话、准数字话音、各种报文和雷达数据通信中,能进行自适应选频、自适应变速和自动加解密。


3 系统软件工作流程及关键技术
        该控制调制解调器采用了先进的短波调制解调、差错控制和自适应等技术,减少了误码率,提高了通信速率,保证了通信质量。其工作模块流程图如图4所示。

·初始化DSP模块:上电后,初始化程序完成一系列初始化操作,包括总线设置、中断矢量设置、中断控制寄存器设置、定时器初始化、串行口初始化等。
     ·自动线路建立(即信道线路分析)模块:在电台预置的若干个频道中根据线路质量分析(LQA)情况选出最佳频道,并在该频道上建立通信链路。通信双方停留在该频道上,进行通话或传递数据。
      ·加解密模块:采用IDEA加密算法,对传输的数据和数字代码进行加密。该系统对传输的雷达数据、数字话音及报文代码能够自动加密和解密,大大提高了密文的生成速度,减少了差错,实现了快速保密通信。
·数据传输协议模块:利用自动线路建立功能建立的通信链路,将待发数据打包后,发送给指定站。其中,满帧数据为16包,每包36个字节,前两个字节为包号及包号的取反值,中间32字节为数据,最后2个字节为此包数据的16位CRC校验值。发送站发完一帧数据后,接收站对收到的数据进行识别,并返回应答信号。应答信号为两个字节,16位数据,其中每一位数据对应收到的每一包数据,为1则说明此包数据传输错误,为0则接收正确。发送站收到应答信号后,根据反馈信息将错误数据包打入下一数据帧进行重传。

在自适应数据传输中采用了如下自适应措施:
(1)自适应初始速率:根据自动线路分析时的信道质量求出一个最佳速率作为数据传输的初始速率,进行数据传输。
(2)自适应变速:跟随数据传输时的信道质量的变化来改变当前的数传速率。将数传速率设为四个等级,波特率分别为62.5、600、1200和2400。
(3)自适应变频:就是在当前信道连最低速率都不能进行正常通信的情况下,重新进行所有频道的线路分析,重新选一个最佳频道进行通信。   
将现有的短波通信设备与高速调制解调器、输入输出终端设备相结合,研制成新的短波数字通信系统。该系统应用领域广泛,不仅可用于军事,还可用于公安、消防、边防、石油及森林等单位的数据传输、指挥通信和报文传递;加装GPS接收机后还可传输全球定时定位信息。它充分有效地发挥了现有短波电台的性能,实现了屏幕显示的全中文化,以及由此引申的重要功能——中文信息可以直传。此项目的成功,为研制适合我国国情和特点的单兵数字化通信设备奠定了一定的理论和实践基础。