基于SDR的短波數傳裝置設計①

舒賢宇 李鑒洋 朱浩楠 梁家和 李琪 王金聰

(東北林業大學機電工程學院 黑龍江哈爾濱 150040)

在數傳方面，目前使用最廣泛的幾種方案有低成本的LoRa、Zigbee，但傳輸距離非常有限；有高速、穩定的GSM、NB-LoT，但需要投入建設和運營中繼基站，成本不菲。而成本低且傳輸距離極遠（＞100km）的數傳設備暫時屬于空白，并且遠距離數據傳輸主要依賴光纖網絡和衛星通信，其造價和運營成本都非常高，在一些特殊需求上無法建設并投入運營。因此短波數傳方案在跨洲、跨洋等遠距離數傳需求上有很大應用空間，其成本低、傳播距離遠、組網方便，可應用于森林防火監控系統、野生動物動態監測系統、輸油管網監測系統等特殊領域。

圖1 發射機-接收機傳輸示意圖

圖2 短波數傳裝置整體結構示意圖

圖3 短波數傳裝置防護罩結構示意圖

圖4 單片機部分結構示意圖

1 設計理念

本文設計介紹了一款基于SDR的短波數傳裝置，包括發射機和接收機兩部分。

如圖1發射機基于單片機軟件開發，主要負責從傳感器采集數據并調制信號，以短波作為載波發射，利用電離層對短波信號的反射實現跨數百公里的直接數據傳輸。

圖5 電路結構示意圖

圖6 超外差電路示意圖

圖7 位同步原理圖

接收機由超外差電路和FPGA模塊構成，負責解調接收到的多路模擬信號，將解調所得數字信號輸出到計算機。

此外，本裝置還同時利用FPGA多陣列分頻工作組建星型工作網絡，以低成本的方式實現對廣闊區域的覆蓋和建立通信鏈路。

2 基于SDR的短波數傳裝置設計

2.1 短波數傳裝置整體結構設計

本裝置主要由短波數傳裝置本體、單片機、射頻發射電路板和防護罩等部分組成，具體見圖2和圖3。

2.2 短波數傳裝置單片機部分設計

本裝置采用STM32單片機，在短波數傳裝置本體的內部安裝單片機，在單片機的一側安裝有射頻發射電路板，在射頻發射電路板的一側安裝有天線，具體示意圖見圖4。

2.3 短波數傳裝置軟件部分設計

（1）電路結構。

發射端由STM32單片機、射頻發射電路和天線構成，單片機負責采集信號和調制；接收端由超外差電路、FPGA模塊和天線構成，負責對信號的解調，并輸出解調信號給計算機，見圖5。

（2）超外差接收電路。

天線接收到的高頻信號經過濾波和放大，送入混頻器與本地振蕩器產生的高頻信號差頻后獲得一個中頻信號，經過放大，完成對信號的變頻，最后將中頻信號送入解調器，見圖6。

（3）位同步。

采用數字鎖相環位同步，由可編程的FPGA來實現。當提取位同步基準脈沖后，鎖相環讀取表示位同步脈沖分頻器的相位計數值，若相位差為零，則處于位同步狀態；若為某一差值，則加大或減小分頻器模值存儲器的值，見圖7。

3 基于SDR的短波數傳裝置有益效果

（1）遠距離：以短波為載波，利用電離層對短波的反射，可以實現數百公里遠距離的點對點數字通信；

（2）成本低：無需中繼基站、無運營成本，可解決特殊應用領域的遠程通信需求，填補空白市場；

（3）可組網：接收端采用FPGA可編程門陣列，可多路接收，易于組建星型拓撲網絡；

（4）SDR：采用軟件無線電(Software Defined Radio)的先進設計理念，SDR是當今無線電技術的發展方向，其具有技術前瞻性、可編程、通用性高、低功耗、體積小、成本低等優點。

4 結語

本裝置通過利用SDR等技術，綜合考慮了成本和傳輸距離等各種因素，設計了一款基于SDR的短波數傳裝置，不僅保證了成本，還能在使用的過程中方便組網，實現多路接收，并增加了有效通信距離，提高了數據傳輸速率，對于短波數傳的應用等方面具有一定的參考價值。