短波探測系統中電臺自動控制的實現

張曙霞 ，歐勇恒 ，劉月亮

（1. 海軍工程大學, 武漢 430033；2. 海軍東海艦隊25分隊，浙江寧波 315122）

0 引言

地面短波信道(電離層)探測方法主要包括斜向探測、斜向返回探測、垂直探測、相干散射探測和非相干散射探測等[1]。文獻顯示，國內外研究短波信道探測的學者很多，主要采取斜向探測[2-8]、斜向返回探測[9-15]和垂直探測[16]三種探測方式。其中，短波信道斜向探測是指高頻無線電波入射方向與電離層的等電子濃度面法線成一非零角的傳播探測方式，一般地說，它的接收點的地面距離是確定可知的[17]。斜向探測通常采用掃頻方式工作，短波斜向探測電離圖是電波斜向入射經短波信道反射到指定地點接收的回波記錄。這種記錄反映了發、收兩站之間，斜投射短波信號的頻率與信道反射回波的群路徑之間的關系。電離層斜向探測可以對數千千米范圍內的電離層進行探測與研究。

為了給短波信道傳播特性的初步估計、短波無線電頻率管理、短波信道可通狀態初步評估等提供服務，特別是為現有短波通信服務，作者設計了一種成本較低、性能良好的短波信道斜向探測系統。短波信道斜向探測系統的設計基于軟件無線電思想，發射端、接收端硬件電路完全相同，通過不同的軟件分別實現發、收的功能。本文主要對HFCOSS中電臺自動控制進行設計并用電路實現。

1 短波信道斜向探測系統及工作原理

短波信道斜向探測系統主要由數據發送與采集板、PLL、低噪聲直流電源、計算機（PC）終端、短波電臺和天線組成。數據發送與采集板包括數字信號處理器（DSP）模塊、DSP擴展隨機存儲器（RAM）、CPLD時序控制模塊、模數/數模轉換器（ADC/DAC）模塊、電臺工作模式和頻率控制模塊、GPS接收機模塊、GPS導航電文接收模塊、高速通用串行總線（USB）模塊、時鐘模塊。系統的收發同步由GPS秒脈沖觸發實現，同步誤差在 10-7秒數量級，系統結構框圖如圖 1所示。其中，DSP模塊主要負責數據的處理和傳輸，包括探測發送數據、接收數據、GPS導航電文數據、電臺控制命令等；CPLD時序控制模塊主要負責DSP與USB模塊、GPS導航電文接收模塊、電臺工作模式和頻率控制模塊之間通信的時序控制，以及分頻等；ADC/DAC模塊負責數據采集和數模轉換；GPS接收機模塊主要負責接收GPS導航電文，向DSP提供同步秒脈沖；GPS導航電文接收模塊主要負責 GPS導航電文的接收、提取和傳輸，并在每分鐘的00秒產生一個脈沖供收發同步用，主要由單片機組成；電臺工作模式和頻率控制模塊主要由單片機組成，負責接收DSP傳來的電臺控制命令并轉發給短波電臺；USB模塊負責PC和DSP之間的數據實時傳輸；時鐘模塊為DSP、單片機和USB提供工作時鐘，主要有20 MHz、11.0592 MHz、24 MHz晶振和反相器組成；銣時鐘和PLL模塊為收發短波電臺和ADC/DAC提供基準工作頻率源，使接收端采集得到的信號中由收發系統引入的頻差控制在0.0007 Hz以內；PC終端作為上位機，主要負責整個系統的啟動操作、數據發送與保存、控制電臺命令發送及狀態顯示等；短波電臺負責數據的發送和接收；低噪聲直流電源由開關電源和濾波器組成，給銣時鐘、PLL和短波電臺提供工作電源；DSP擴展RAM用于緩存探測數據。

短波信道斜向探測系統收發硬件電路完全相同，通過不同的軟件實現發和收的功能，采用脈沖壓縮技術和相干多普勒積分可以使發射功率比傳統探測儀降低 1000多倍的情況下而在接收端具有相同的接收效果，大大降低了發射功率。系統可在 3～30 MHz頻段對短波信道進行掃頻探測，其頻率步進可調，最小為電臺的最小步進。系統啟動前，待發送數據以 WAVE格式存儲在PC中，系統啟動以后，用戶可根據需要選擇發送數據，數據經USB模塊實時傳輸給DSP，緩存在DSP的片外存儲區，經 DAC后由短波電臺經天線發射出去。每個頻率點的散射波由天線接收后，從接收機串行輸出到 ADC進行采樣，并實時傳輸給DSP，緩存在DSP的片外存儲區，再由DSP經 USB實時傳輸到 PC端進行顯示和存儲。在Matlab中，通過編程實現短波信道沖擊響應的估計、散射函數的計算等工作。

圖1 短波信道斜向探測系統框圖

2 電臺自動控制的設計

這里所講的電臺自動控制是指電臺工作頻率和工作模式的自動更換。電臺工作頻率和工作模式更換命令所經通路相同，都為：PC → DSP →電臺工作模式和頻率控制模塊 →電臺，只是命令字不同而已，二者的軟件結構也完全相同。所以，在 2.2節只介紹電臺工作頻率更換的程序設計情況。

2.1 電臺自動控制硬件的設計

2.1.1 電臺工作頻率和模式控制模塊設計

電臺工作頻率和模式控制模塊設計由STC89LE58RD+單片機、晶振、電容和電阻組成。11.0592 MHz晶振和兩個20 pF的電容組成單片機的外部時鐘；0 μF 電容和10k Ω 組成單片機的加電復位電路；P0口與CPLD的H_D0~H_D7相連接，用于接收CPLD傳來的短波電臺控制命令；和分別與 CPLD 的 WR51（引腳 55）、RD51（引腳54）相連，控制單片機的讀寫操作；TX_725（引腳7）通過音頻口與短波電臺的控制命令輸入口相連接。

2.1.2 DSP與電臺工作模式和頻率控制模塊連接電路的設計

DSP與電臺工作模式和頻率控制模塊之間的數據傳輸是通過DSP的HPI口和單片機的P0口進行的。HPI的8位數據總線（HD0~HD7）和單片機的P00~P07連接，負責將控制命令傳給單片機；HBIL和 P20連接，用于識別傳輸的是第 1個或第 2個字節；HCNTL0/1分別和單片機的P21、P22連接，用于選擇內部寄存器，根據其電平高低，可以分別選擇HPIC、HPIA、HPID；HR/W讀寫控制信號接 P23，用于讀寫控制；HCS、HDS1、HDS2分別接 P24、P37、P36，用于片選、讀選通和寫選通；HAS接高電平。單片機與HPI的具體連接框圖如圖2所示。當DSP與單片機交換數據時，HPI是單片機的一個外圍設備。HPI的使用是通過對HPIA、HPIC和HPID三個寄存器賦值實現的。單片機通過外部引腳HCNTL0和HCNTL1選中不同的寄存器。在進行數據傳輸時，HPI能自動地將單片機傳來的連續的8位數據組合成16位。

圖2 DSP和頻率控制模塊連接電路的設計

2.2.1 PC端控制程序的設計

1）電臺換頻控制程序的設計

首先將當前接收的 GPS時間值與上一次比較用過的GPS時間值比較，如果二者相等，則退出本子程序；如果不等，則將返回的時間值賦給本子程序中的GPS時間變量，調用命令時間搜索程序函數查找命令數組中的時間與當前DGPS時間值相等的命令行， 將其返回賦給局部變量cmdstr，如果cmdstr為空字符，則退出本程序；如果cmdstr不為空字符，則調用函數取出與此時間相等的命令數組元素中在時間之后的兩個字符，賦給局部變量 LFWord，判斷 LFWord是否為“LF”。若為“LF”，則調用電臺換頻命令發送函數，更改電臺工作頻率，并將LFWord置為空并退出本子程序。若不是“LF”，則直接退出本子程序。工作流程如圖3所示。

圖3 電臺換頻控制算法流程圖

2.1.3 DSP與USB之間連接電路的設計

DSP與 USB通過一個 16位的雙向 I/O口D0~D15相連接，DSP端是引腳 99~104、113~119、121~123，USB 端是引腳 44~47、54~57、102~105、121~124，主要是作為DSP和 PC之間的雙向數據傳輸通道。

2.2 電臺自動控制軟件的設計

電臺自動控制軟件程序包括PC端控制程序、DSP端命令傳輸程序和電臺工作模式和頻率控制模塊命令傳輸程序。由于電臺工作模式和頻率控制模塊命令傳輸程序只是負責轉發控制命令，比較簡單，其具體設計這里不作介紹，主要介紹PC端控制程序、DSP端命令傳輸程序的設計。

2）電臺換頻命令發送程序的設計

首先定義局部變量，初始化全局數組變量，調用函數將字符串cmdstr中的頻率字符串取出賦給變量FreqStr，把DSP識別命令頭0xAA、電臺識別的命令頭和命令尾賦給發送電臺工作頻率用全局數組，把字符串變量 FreqStr中的頻率字逐個取出并合并成8bit填進全局數組中，將FreqStr中的頻率字分割成以 MHz為單位并賦給頻率顯示全局變量用于頻率的界面顯示，調用寫數據到USB的函數將頻率發給DSP，并在ListBox中顯示發送結果，其工作流程如圖4所示。

圖4 電臺換頻命令發送算法流程圖

2.2.2 DSP端命令傳輸程序的設計

電臺換頻控制在PC中生成，根據預置的時間間隔發送。控制命令經過USB通道發給DSP，在DSP中首先要判斷PC發來的是不是電臺控制命令（因為還有其它的命令）。如果不是，則繼續執行其它的程序；如果是，則接收PC發來的控制電臺命令。然后判斷發電臺控制命令到電臺的標志是否是允許，如果不是，則繼續執行其它的程序；如果是，則將PC發來的電臺控制命令合成電臺能識別的格式。接著判斷電臺工作模式和頻率控制模塊是否準備好接收命令，如果不是，則繼續執行其它的程序；如果是，則發電臺控制命令到電臺工作模式和頻率控制模塊。算法流程見圖5。

圖5 DSP端命令傳輸的算法流程圖

3 電臺自動控制的實現

系統的 PCB板的設計工作采用 VeriBest完成，VeriBest軟件具有良好的自動推擠式布線功能和引腳自動互換功能（對 CPLD芯片）。PCB板的設計工作主要分兩步[18]：第一步，在Design Capture中完成原理圖設計；第二步，VeriBest PCB中進行元器件的布局和布線。如果VeriBest PCB的元器件封裝庫中沒有某些元件的封裝，應測量元器件的封裝尺寸，自己畫出封裝并添加到VeriBest PCB的元器件封裝庫中。焊接好元器件的電路板如圖6所示。電臺工作模式和頻率控制模塊軟件在Keil C51開發環境中用C語言和匯編語言混合編程開發。系統測試表明，所設計硬件和軟件能實現電臺工作頻率和工作模式的自動更換。

4 結束語

本文介紹了短波信道斜向探測系統的組成與工作原理；對短波信道斜向探測系統中電臺自動控制的硬件進行了設計，包括電臺工作頻率和模式控制模塊設計、DSP與電臺工作模式和頻率控制模塊連接電路的設計、DSP與USB之間連接電路的設計；設計了電臺自動控制軟件程序，包括PC端控制程序、DSP端命令傳輸程序和電臺工作模式和頻率控制模塊命令傳輸程序；用電路實現了電臺自動控制的硬件。測試結果表明，所設計電路和開發的程序能實現短波信道斜向探測系統中電臺的自動控制。

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