基于無線通信技術的超短波電臺訓練模擬器

高振斌，王仁智，盧 飛，陳洪波

（1.河北工業大學 信息工程學院，天津 300401；2.中國人民解放軍93756部隊 訓練部，天津 300130）

0 前言

目前軍隊配備的超短波電臺電路復雜、成本高昂，在對學員培訓過程中經常由于頻繁的操作對設備造成損壞，因此在教學實踐中很難大量配備超短波電臺，實驗設備配備不足已經成為制約訓練效果提高的主要因素.為了很好的解決這一問題，基于模擬技術的超短波電臺模擬訓練系統應運而生.

目前訓練用的模擬器主要是基于計算機系統的，文獻 [1]設計了一款基于TCP/IP的電臺模擬訓練系統，它是由主控計算機、電臺模擬器、話音交換器、數據傳輸網絡等4個分系統組成，實現了電臺全部操作和響應過程模擬.而禹華鋼等利用UDP協議、IP多點廣播技術，采用Waveform Audio API采集播放音頻、TrueSpeech音頻壓縮和多線程同步等關鍵技術，在局域網內較好地實現了電臺單頻半雙工和雙頻全雙工兩種工作模式的模擬仿真[2].謝鐵城等研制的某型電臺模擬訓練系統，由仿真電臺終端、主控計算機以及有線傳輸網絡組成，實現了利用有線局域網絡模擬無線話音通信的功能[3].董志明等設計與實現的指控通信裝備仿真訓練系統，在訓練教室里利用有線局域網模擬了無線戰術互聯網，在顯示終端上模擬出與實際裝備完全一致的電臺和指揮控制軟件交互界面，并在導調控制分系統的管理控制下，通過語音通信網和指揮控制信息網進行話音與數據信息的傳輸[4].基于無線傳輸的模擬電臺訓練系統也有報道，其也采用了計算機系統[5].

以上基于計算機局域網設計的訓練模擬器較好的實現了電臺的模擬仿真，但在外形上和實際電臺不同，操作方式也有所區別，并且系統成本較高.本文采用采用凌陽 SPCE061A單片機作為核心控制單元，輔以nRF2401射頻通信模塊，設計實現了某型號超短波電臺模擬器，具備工作模式轉換、頻道調整、語音通信和狀態顯示等實際電臺的全部功能，其外形和操作方式也與實際電臺相仿，并且造價低廉、便于攜帶、易于裝備，可大規模用于學員訓練.

1 主要功能和實現方案

通過對實際超短波電臺功能分析，該模擬器要實現的主要功能有：無線語音通信、載頻調整（頻道切換）、電臺操作及狀態顯示等.

1.1 無線語音通信功能的實現

機載超短波電臺通過調制器將語音信號調制在較高的載頻上傳輸來實現無線通信，在接收方通過解調器獲得語音信號[2].文中模擬器將語音信號經過模數變換后成為數字信號，再進行編碼、壓縮等處理，最后進行無線傳輸.其中關鍵的無線通信芯片采用nRF2401，該芯片是Nordic公司的典型產品.它采用GFSK調制模式，只需要極少的外圍器件，即可實現高速的無線數據收發[6].收發載波頻率處于2.4～2.5 GHz公共頻段，數據傳輸率可達1Mbps，具有地址比較和CRC校驗等功能.nRF2401可以工作在ShockBurstTM收發模式下，此模式有別于傳統的射頻收發器模式，發送數據時能自動添加字頭和CRC校驗碼并通過FIFO結構發送數據，接收數據時能自動移除字頭和CRC校驗碼.由于該模式操作簡單、節能，故本設計采用了nRF2401的ShockBurstTM收發模式.

1.2 頻道切換功能的實現

頻道切換功能的實現是整個項目的難點.實際電臺中，頻道信息是由載波頻率來體現的，通過改變載波頻率而改變電臺的頻道.在模擬器中，由于無線通信模塊的載波頻率是固定的，所以模擬器之間的通信信道是固定的.設計中將當前模擬器的頻道信息進行編碼作為數據幀的一部分發送出去，在接收端通過比對數據幀的頻道信息和本地的頻道信息是否相同來決定是否接收此幀數據，以達到電臺的多信道通信功能.打包之后的數據幀格式如圖1所示.

1.3 電臺操作和人機界面

模擬器面板上有復合旋鈕、按鍵以及數碼管和指示燈，主要的按鍵都具有一鍵復用功能，按鍵作為是單片機的中斷輸入.當單片機中斷產生之后標記相應的變量，在主程序中不斷檢測變量的狀態，如果標記變量的狀態顯示有按鍵按下則依據當前的模式和狀態來決定執行相應的操作，實現了代碼的散轉.由于此部分邏輯復雜，借助微處理器實現比較方便[4].微處理器一方面完成各種面板操作的處理以及相關顯示工作，另一方面則完成頻道信息和語音信息的采集、轉發、接收等處理工作.

2 超短波電臺模擬器的實現

2.1 系統硬件組成

模擬器的設計方案如圖2所示，該方案主要包括以下幾個部分：核心控制模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、無線通信模塊.

圖1 數據通信格式Fig.1 Data communication format

作為核心控制單元的微處理器需要具有較強的處理能力來滿足語音信號的數字化傳輸需要，文中采用凌陽公司的SPCE061A單片機[5].它是凌陽科技推出的一款16位結構的微控制器，內含可編程音頻處理，具有DSP功能，有很強的信息處理能力，最高時鐘頻率可達到49MHz.較高的處理速度使其能夠非常容易地、快速地處理復雜的數字信號，具備運算速度高的優勢，是適用于數字語音處理應用領域產品的一種非常經濟的選擇[7].無線通信模塊采用nRF2401無線通信芯片，文中將模擬器的頻道信息作為nRF2401的地址進行傳送，接收方以頻道信息作為本機的地址，進行地址比較之后以確定隨后的語音信號是否接收.旋轉編碼器以及其它按鍵作為模擬器的輸入，按鍵采用中斷方式工作及提高程序的響應速度.采用MAX7219作為LED的驅動芯片，在LED上顯示響應的頻道信息.

圖2 系統框圖Fig.2 System block diagram

2.2 系統軟件設計

軟件程序設計主要包括中斷函數的編寫、相應硬件設備的驅動程序的編碼和按鍵處理函數.在代碼編寫過程中優化了代碼結構，節約使用單片機RAM資源以防止內存溢出，對于在主函數和中斷中均被調用的函數進行了防止重載入處理，為了提高按鍵的響應速度，程序采用前臺和后臺模式，即中斷函數中只進行簡單必須的處理，大部分工作在中斷返回后由主程序再進行處理.

軟件流程如圖3所示.單片機上電后進入初始化過程，如果發射鍵按下，則重新載入存儲在單片機的內部FLASH中頻道信息；如果預置鍵按下，則可以修改頻道信息.否則進入正常工作模式，根據相應按鍵完成語音通信、頻道變換、模式調整等功能.比如通話鍵按下時，單片機采集語音信號并壓縮，根據當前頻道加入地址信息構成數據幀，通過nRF2401發射出去.在nRF2401接收數據中斷請求發生時，將數據解壓縮通過模數轉換器送到輸出端，驅動耳機發聲.從而完成語音通話功能.

2.3 主要功能的實現

人機界面設計包括按鍵以及旋轉編碼器等輸入部分和七段數碼管、LED指示燈的顯示部分[7].顯示部分采用集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器MAX7219，它可以驅動8位的七段數碼管或者64個獨立的LED.其工作時其只需要四線串行接口與單片機相連即可實現多位數碼管的顯示功能，節省了單片機的IO口資源，同時MAX7219能大量減小單片機本身的工作負擔.

輸入部分主要難點是按鈕的復用功能的實現，相同的按鈕（尤其是編碼器）在不同的模式或狀態下具有不同的功能.另外為了實現按鍵處理的實時性，對于使用頻率高的旋轉編碼器采用了中斷的方式，在中斷響應函數中僅標記下當前按鈕的具體操作并進行簡單的中斷處理之后立即返回.主要的按鍵處理部分由主程序來完成.圖4是實現按鍵復用功能的程序設計流程圖.

圖4 按鍵處理程序流程圖Fig.4 Key processing program flow chart

2.4 無線通信

無線通信功能采用 nRF2401模塊實現，將模擬電臺的頻道信息作為模塊地址發送，借助模塊的地址比較功能來實現同頻道電臺間的語音通信.單片機向 nRF2401發送數據由接收機地址和發送數據組成，其中接收機地址不超過40位，通過更換地址，可以向多個nRF2401模塊發送數據，從而實現了模擬器之間的多機通信.此處發送的地址即為模擬電臺的頻道信息，數據為壓縮后的語音信號.數據壓縮發送的過程如圖5所示.

數據由單片機發送到nRF2401之后，nRF2401將會進行打包并發射，打包后的數據格式如圖6所示，其中幀頭為8位的校驗頭，CRC校驗為8位或16位的校驗尾，在Shock Burst模式下由nRF2401自動添加.

當nRF2401從天線上收到數據后，首先將數據包中Address字段與本地地址字段進行比較.如果兩者不同，則將數據丟棄，進行下一次的搜索.兩者相同，則接收數據包中其余信息并進行校驗.數據校驗成功將會置位對應的數據請求管腳DR1/DR2.單片機通過中斷方式接收數據，解壓縮后送到D/A轉換器，驅動耳機發聲，從而實現語音通信功能.

圖5 語音數據壓縮發送流程圖Fig.5 Voiceand data compression to send flow chart

3 設計結果

對設計實物進行了測試，結果顯示該模擬器語音通信流暢，能夠實現相應的電臺之間語音通信控制，按鍵和顯示功能正常，并能夠保證長時間無故障運行，系統穩定可靠.該超短波電臺訓練模擬器已在某訓練基地進行推廣應用，由于該系統功能完善、逼真，設計合理、實用等特點，對該地的訓練任務起到的極大的促進作用.模擬器實物如圖7所示.

圖6 nRF2401發送數據的打包格式Fig.6 ThenRF2401 send data package format

圖7 模擬器實物照片Fig.7 The photo of simulator

4 結束語

本文首先討論了機載超短波電臺模擬器的意義，然后剖析了相關技術的難點，根據語音通信的基本理論，提出了電臺模擬器的實現方案，并詳細介紹了模擬器的硬件和軟件的實現方法.該模擬器采用了無線傳輸的設計方案，避免了采用有線方式帶來的布線、組網、成本的諸多不利因素；充分利用了凌陽單片機的語音功能，電路簡單，成本低廉，具有極高的靈活性；進一步達到了節省配備經費和提高訓練水平的目的，對模擬電臺的訓練展開工作提供極大的便利，也為我軍通信部隊的戰斗力生成提供了一種更加經濟、有效的全新模式.

[1]陳樹新，溫祥西，鄧妍.基于網絡環境的電臺模擬訓練系統設計與實現 [J].科學技術與工程，2008，8（15）：4335-4338.

[2]禹華鋼，周安棟，劉宏波.多線程語音通信在模擬電臺通信中的應用 [J].火力與指揮控制，2010，35（3）：42-45.

[3]謝鐵城，達新宇，劉蕓江，等.某電臺網絡模擬訓練系統的設計與實現 [J].計算機測量與控制，2010，18（5）：1151-1153.

[4]董志明，王凱，彭文成，等.新型指控通信裝備仿真訓練系統設計與實現 [J].系統仿真學報，2010，22（1）：93-95.

[5]高晶，達新宇.基于無線傳輸的模擬電臺訓練系統設計 [J].微計算機信息，2008，24（8-1）：259-261.

[6]張震宇，王華.基于凌陽單片機的語音識別技術及應用 [J].微計算機信息，2007，23（8-2）：120-121.

[7]陳麗娟，常丹華.基于nRF2401芯片的無線數據通信 [J].電子器件，2006，29（1）：248-250.