基于DSP的單兵背負式短波數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計

二十一世紀的戰(zhàn)爭將以數(shù)字化戰(zhàn)場為背景,而數(shù)字化戰(zhàn)場的一個重要特點是信息可以直達單個士兵。采用基于軟件無線電的思想,應(yīng)用第三代數(shù)字信號處理器TMS320C31和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC32044等器件構(gòu)成短波自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)器的硬件平臺,將其與傳統(tǒng)的模擬電臺相連接,構(gòu)成了可傳輸數(shù)據(jù)信息的單兵背負式數(shù)字化電臺,通過軟件程序的編寫實現(xiàn)信息處理的一系列功能。 此數(shù)字化電臺不僅保留了原有的話音通信能力,而且又增加了數(shù)據(jù)通信功能。它充分利用了現(xiàn)有的短波通訊設(shè)備,并大大降低了數(shù)字化改造的成本。采用它可以將戰(zhàn)場上的各種信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字保密代碼,通過短波無線信道發(fā)送接收,把指揮所、部隊及單個士兵緊密聯(lián)系起來,形成機動靈活的短波通信網(wǎng)路,使指戰(zhàn)員實時掌握戰(zhàn)場態(tài)勢,增加信息對抗和信息攻擊能力,從而提高部隊的戰(zhàn)斗力。

1 軟件無線電技術(shù)
隨著高速數(shù)字信號處理器(DSP)的研究開發(fā),軟件無線電技術(shù)得到飛速發(fā)展。其基本概念是將硬件作為無線通信的基本平臺,而將盡可能多的無線及個人通信功能以軟件實現(xiàn)。其組成框圖如圖1所示。

軟件無線電的核心是將寬帶A/D和D/A盡可能靠近天線(將A/D和D/A由基帶移到中頻甚至射頻),用實時高速DSP/CPU代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用數(shù)字電路做A/D后的一系列處理,將無線通信的各種功能采用軟件進行定義。軟件無線電代表一個軟件可重構(gòu)的無線電體系,它的可重構(gòu)性主要體現(xiàn)在其射頻、中頻以及基帶信號處理可以通過軟件編程來控制和實現(xiàn)。其硬件平臺可以用可編程數(shù)字信號處理芯片或可重構(gòu)專用功能信號處理器來實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)硬件組成及工作原理
以TMS320C31高速信號處理器為核心,輔以相應(yīng)外圍電路,構(gòu)成短波自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)器,它和短波單邊帶電臺連接后,構(gòu)成短波數(shù)字通信系統(tǒng)中的一個站。短波自適應(yīng)控制調(diào)制解調(diào)器主要由主處理器TMS320C31、溫補晶振、高速RAM、低速EPROM、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、控制頻道轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示器、按鍵等部分組成,如圖2所示。

TMS320C31(以下簡稱C31)是TI公司生產(chǎn)的第一代浮點DSP芯片,具有32位的浮點精度,60納秒的單周期指令執(zhí)行時間,能進行整數(shù)、浮點及邏輯運算,總共有三套總線,即程序總線、數(shù)據(jù)總線和DMA總線,取指、讀寫數(shù)據(jù)以及DMA操作可同時進行,可以尋址16M字的空間,是目前國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的DSP芯片之一。它提供了可與外部串行設(shè)備通信的串行接口,支持8/16/24/32位數(shù)據(jù)交換,為設(shè)計A/D、D/A接口電路提供了很大的靈活性。它的程序引導功能(Bootloader)使其程序可以從低速EPROM、PROM或串行口裝入到系統(tǒng)的高速RAM中全速運行。
存儲器部分包括128K×32高速RAM、256K×8低速EPROM(或EEPROM)和8K×8不揮發(fā)RAM。EPROM是用戶程序存儲器,由于高速EPROM價格昂貴,這里采用低速廉價的EPROM,開機或復位后,利用C31特有的程序自動裝載功能,自動將EPROM中的用戶程序裝載到高速RAM中,并從用戶程序首地址開始全速運行。
高速RAM:由4片128K×8、速度為15納秒的SRAM組成128K×32的高速RAM區(qū)。它既作程序存儲區(qū),又作高速數(shù)據(jù)存儲區(qū)。
8K×8不揮發(fā)RAM:內(nèi)帶保護電路和電池,用作參數(shù)存儲器。可以隨時讀寫(需加等待狀態(tài)),關(guān)機后數(shù)據(jù)不丟失,用于存儲用戶地址、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、掃描速度及系統(tǒng)內(nèi)部運行所需的一些參數(shù)。
短波電臺接口:TLC32044是TI公司生產(chǎn)的接口芯片(簡稱AIC)TLC32040系列中的一種,它集A/D、D/A于一體,具有兩個模擬輸入口和一個模擬輸出口,最高采樣頻率為19.2kHz。它用于電臺與C31之間的收發(fā)信號接口,通過C31的串行口與C31芯片連接。在程序控制下,A/D轉(zhuǎn)換器將來自電臺的模擬信號經(jīng)高速采樣后傳送給CPU,由CPU運算處理和解碼后恢復數(shù)據(jù)信息。D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將經(jīng)過編碼的發(fā)送信息轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)哪M信號經(jīng)電臺發(fā)送出去。
液晶顯示器:采用MGLS12864T點陣式液晶顯示器,編制漢字庫以存儲漢字字模(即點陣數(shù)據(jù)),以圖形顯示方式顯示發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)。
小鍵盤:共20個,用菜單方式選擇不同的操作功能,如輸入密鑰、鍵入數(shù)據(jù)等。各鍵的定義由軟件實現(xiàn),其參數(shù)的設(shè)置和控制功能的修改無需改變鍵盤硬件結(jié)構(gòu),只需改變相應(yīng)軟件,便于功能擴展。
若干個這樣的站可以組成一個短波數(shù)字通信系統(tǒng),如圖3所示。

系統(tǒng)由一個主控站及若干個從站組成。主控站及各從站均由短波調(diào)制解調(diào)器和短波電臺組成;每個從站有自己固定的站號，且各不相同。主控站一次只能與一個從站建立鏈路，鏈路的持續(xù)時間由主控站與從站之間需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的大小而定。主控站按照一定的順序更換站號,便可與不同的從站建立鏈路,從而組成一個星型短波數(shù)字通信系統(tǒng)。
該系統(tǒng)在電臺原有半雙工模擬明話通信的基礎(chǔ)上,增加了一點對多點半雙工準數(shù)字話音的實時保密通信、一點對多點半雙工各種報文的保密通信和一點對多點半雙工低速率雷達數(shù)據(jù)的保密通信;在模擬明話、準數(shù)字話音、各種報文和雷達數(shù)據(jù)通信中,能進行自適應(yīng)選頻、自適應(yīng)變速和自動加解密。

3 系統(tǒng)軟件工作流程及關(guān)鍵技術(shù)
該控制調(diào)制解調(diào)器采用了先進的短波調(diào)制解調(diào)、差錯控制和自適應(yīng)等技術(shù),減少了誤碼率,提高了通信速率,保證了通信質(zhì)量。其工作模塊流程圖如圖4所示。

·初始化DSP模塊:上電后,初始化程序完成一系列初始化操作,包括總線設(shè)置、中斷矢量設(shè)置、中斷控制寄存器設(shè)置、定時器初始化、串行口初始化等。
·自動線路建立(即信道線路分析)模塊:在電臺預(yù)置的若干個頻道中根據(jù)線路質(zhì)量分析(LQA)情況選出最佳頻道,并在該頻道上建立通信鏈路。通信雙方停留在該頻道上,進行通話或傳遞數(shù)據(jù)。
·加解密模塊:采用IDEA加密算法,對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和數(shù)字代碼進行加密。該系統(tǒng)對傳輸?shù)睦走_數(shù)據(jù)、數(shù)字話音及報文代碼能夠自動加密和解密,大大提高了密文的生成速度,減少了差錯,實現(xiàn)了快速保密通信。
·數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議模塊:利用自動線路建立功能建立的通信鏈路,將待發(fā)數(shù)據(jù)打包后,發(fā)送給指定站。其中,滿幀數(shù)據(jù)為16包,每包36個字節(jié),前兩個字節(jié)為包號及包號的取反值,中間32字節(jié)為數(shù)據(jù),最后2個字節(jié)為此包數(shù)據(jù)的16位CRC校驗值。發(fā)送站發(fā)完一幀數(shù)據(jù)后,接收站對收到的數(shù)據(jù)進行識別,并返回應(yīng)答信號。應(yīng)答信號為兩個字節(jié),16位數(shù)據(jù),其中每一位數(shù)據(jù)對應(yīng)收到的每一包數(shù)據(jù),為1則說明此包數(shù)據(jù)傳輸錯誤,為0則接收正確。發(fā)送站收到應(yīng)答信號后,根據(jù)反饋信息將錯誤數(shù)據(jù)包打入下一數(shù)據(jù)幀進行重傳。

在自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸中采用了如下自適應(yīng)措施:
(1)自適應(yīng)初始速率:根據(jù)自動線路分析時的信道質(zhì)量求出一個最佳速率作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏妓俾?進行數(shù)據(jù)傳輸。
(2)自適應(yīng)變速:跟隨數(shù)據(jù)傳輸時的信道質(zhì)量的變化來改變當前的數(shù)傳速率。將數(shù)傳速率設(shè)為四個等級,波特率分別為62.5、600、1200和2400。
(3)自適應(yīng)變頻:就是在當前信道連最低速率都不能進行正常通信的情況下,重新進行所有頻道的線路分析,重新選一個最佳頻道進行通信。
將現(xiàn)有的短波通信設(shè)備與高速調(diào)制解調(diào)器、輸入輸出終端設(shè)備相結(jié)合,研制成新的短波數(shù)字通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,不僅可用于軍事,還可用于公安、消防、邊防、石油及森林等單位的數(shù)據(jù)傳輸、指揮通信和報文傳遞;加裝GPS接收機后還可傳輸全球定時定位信息。它充分有效地發(fā)揮了現(xiàn)有短波電臺的性能,實現(xiàn)了屏幕顯示的全中文化,以及由此引申的重要功能——中文信息可以直傳。此項目的成功,為研制適合我國國情和特點的單兵數(shù)字化通信設(shè)備奠定了一定的理論和實踐基礎(chǔ)。