一種無線數據傳輸設備底層設計與實現

陳迪樓

【摘要】 底層波形設計和數據的組織格式是無線數據傳輸的核心部分，高性能的差錯控制編碼技術和高效調制技術是關鍵技術。本文簡述了無線數據傳輸設備的工作原理，并結合關鍵技術介紹了一種無線數據透明、高速傳輸的底層的設計，最后給出了收發功能的軟件實現流程。

【關鍵詞】 數據傳輸 幀結構 RS ISCP-DPSK

一、引言

無線通信系統由數據采集設備、數據處理設備、無線數據傳輸設備及配套天線系統組成，其中無線數據傳輸設備扮演著重要角色，是信息交互的橋梁，承擔信息與數據的傳輸任務。如今軟件無線電技術的發展日新月異，基于超短波無線通信的傳輸設備也取得了長足的發展，一般由數字和模擬兩部分組成，模擬部分實現射頻信號的調制與解調、接收與發送，數字部分實現控制，接口和數據基帶處理功能。參照OSI協議體系結構模型，無線數據傳輸設備在數據通信傳輸系統主要完成鏈絡控制層和物理層的功能，通信過程中的鏈路建立機制，差錯重傳機制，流量控制由上層協議完成，如圖1所示[1]。

二、工作原理

目前國內無線數據傳輸設備多種多樣，不管是民用還是軍用，但其工作原理基本一致，內部各單元按功能可分為整機控制、接口控制、音頻處理、基帶數字處理、加解密、中頻處理、發信機、接收機和天饋功等部分組成。

無線傳輸設備對所發送消息的信號處理流程圖如圖2所示，接收消息的信號處理為逆向過程。每條消息加密處理，消息包封裝，形成鏈路層波形。每組鏈路層波形經信道糾錯編碼、信號成幀、信號調制處理，形成物理層波形。

無線傳輸設備屬于整個通信系統中的一部分，本文介紹的傳輸設備工作在UHF頻段，在統一的硬件環境下，基于軟件無線電思想，搭配不同的軟件實現不同的傳輸功能。抗干擾模式下采用跳頻和抗頻技術等技術實現可靠傳輸。鑒于應用場景的不同，這里只介紹常規模式下的數據底層傳輸設計[2]。

三、實現方案

3.1設備對外接口

無線數據傳輸設備實現數據透明傳輸，數據內容無頭無尾，數據接口采用硬件流控方式提高可靠性，發送端接口如圖4所示：數據處理設備處理數據后，若需數據傳輸設備發送數據，則先向數據傳輸設備發請求信號，待正確響應后，則開始發送數據，當數據發送完畢后，撤銷發送包絡信號，同時數據傳輸設備也撤銷響應信號，一次數據傳輸結束。一次傳輸數據字節數為1至4096個，傳輸速率3.125Mbps左右。

發送接口如下：

當數據傳輸設備需向數據處理設備上報接收數據時，則直接將數據送出，并置包絡信號。一次數據傳輸結束，如圖5所示。

3.2幀結構設計

數據透明傳輸，重點要設計好自定義格式的數據幀，將大數據幀分解成若干個小的數據幀，方便流處理，提高傳輸速率。本設計一次射頻傳輸，數據幀格式如表1所示：

3.2.1 載波段與幀同步段

數據傳輸中，接收端只有從所接收的碼元序列中正確識別幀的起止，才能保證所傳輸信息的復原。幀同步在位同步的基礎上識別出含有效數字信息幀的起止時刻，從而得到有效的數據信息，本設計采用插入式幀同步方法，利用特定的幀頭和幀尾表示數據起始幀的位置、結束幀位置。幀頭為127bit自相關、互相關良好的偽隨機碼；幀尾為63bit自相關、互相關良好的偽隨機碼， 載波段為0/1交替信號，用于功率的建立和接收端AGC的調整和同步[3]。

3.2.2 數據段組織：

由于一次傳輸設計的數據源數據長度不固定，且無頭無尾之分。為了實現有效傳輸，必須插入自定義數據頭供接收端從數據序列中提取真實有效的數據，確定數據的開始與結束。表1中的數據段構成方式如圖6所示。

一個數據段由m個240bit的數據段組成，數據段最大值為1024， 因此m最大值為65，第一個240bit由6個字節經兩級RS編碼后所得。 接收端解析6字節數據可提取一次有效射頻傳輸中數據段n的序號及最結束標志，以及每個數據段含有240bit數據段的個數m和最后一個240bit數據段中實際傳輸的字節個數；

如果數據源一次性傳輸有效字節數不是16的整數倍，則補充隨機數為16的整數倍；如果數據源一次性傳輸大于1024個字節，則分割成1024個字節組織傳輸。因此一次傳輸表1中n最大值為4。

3.2.3 糾錯編碼

無線通信采用差錯控制編碼的提高可靠性，在3G通信中，采用了券積碼和Turbo碼，在軍事通信中，如LINK16，LINK22采用了RS碼。RS碼簡單，構造方便，是糾錯能力強的多進制BCH碼，在數字通信系統中得到廣泛應用。該設計采用RS（255，241）的縮短碼RS（30，16）的編碼方式，符號數為8，伽羅華域為G（256），能夠檢驗的符號數為7。分組碼的糾錯能力與信道特性和碼型有關，使用BSC信道和AWGN信道模型，譯碼的后誤碼率可近似為：

其中n為碼組長度，t為糾錯個數。按上式，在信道誤碼率Pe=10-3的條件下，采用RS（30，16），RS（16，6）的編碼方式，RS（30，16）譯碼后誤碼率為：

實際信道中產生的錯誤往往是突發錯誤或突發錯誤與隨機錯誤并存， 雖然RS碼已具備強大的抵御突發差錯能力，但若對數據進行交織處理，改變數據碼字傳輸順序的方法，將比較長的突發錯誤或多個突發錯誤作離散化處理，則可進一步提高RS碼在傳輸過程中的抗突發誤碼能力[4]。

3.3信號調制

無線數據傳輸設備調制波形常用的是BPSK、MSK、QPSK、GMSK等，本設計調制方式采用ISCP-DPSK方式，其原理框圖如圖7所示，基帶信號由信號選擇邏輯根據輸入比特符號和當前相位狀態在基帶信號集合中選擇一個基帶信號作為調制信號輸出[5]。

相對于BPSK調制，這種調制有如下優點：符號間相位連續，信號具有良好的功率譜，發射信號為準恒包絡，避免了初相，多普勒頻移等引起的符號間相位變化時對解調的影響，適合于高速運動平臺的突發通信。

四、收發軟件實現流程

CPU通過接口接收數據，對數據進行加密，分割等處理后，分為報頭和報文，報頭為6個字節，通過FIFO1_txin緩存，經過報頭編碼交織送到CPU， 報文則通過FIFO2_txin緩存經過報文編碼交織后送到CPU，CPU對報頭，報文進行組合并插入幀同步頭和幀尾，最后插入載波完成信號的調制。

接收端是發送端的逆過程，即接收機收到信號經解調后，通過FPGA對同步頭捕獲，經解密，解交織后將數據分發。前240bit報頭編碼字節到FIFO1_rx_in緩存，經報頭解碼后通過FIFO1_rx_out送至CPU，30字節之后的報文編碼字節送到FIFO2_rx_in緩存，經報文解碼模塊最后通過FIFO2_rx_ out輸出到CPU。 最后通過CPU處理并完成解密后送給上層數據處理設備。

五、結束語

采用該底層設計技術，可有效解決無線傳輸設備透明傳輸問題，采取的ISCP-DPSK的調制方式，相對于BPSK提高頻譜利用率，準恒包絡方式降低了功放要求，兩級糾錯碼的設計進一步提高了突發通信的糾錯能力。另外，該設計在實際項目中得到了成功應用，滿足性能指標，工作穩定可靠。

參 考 文 獻

[1] 張帆，超短波無線通信系統鏈路層的設計與實現[D] .北京：北京郵電大學碩士學位論文.2011

[2] 王本龍，機載超短波抗干擾電臺設計[D].成都：電子科技大學碩士學位論文.2011

[3] 夏曉巍，方旭明，黃巍，陳遠.幀同步技術的研究與展望[J].信息安全與通信保密[J].，2006（07）：140-143

[4] 王新梅.肖國鎮.糾錯碼一原理與方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006

[5] 張劍.符號內連續相位差分相移鍵控調制方法[J].電訊技術，2010，50（8）：63-66