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 揚  俊  江  虹  張秋云

 （西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010）

摘要：針對部分廣播信道資源利用率低的缺點，提出了一套基于模擬廣播信道的數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)，并設(shè)計一種CRC校驗和偶校驗相結(jié)合的前向糾錯算法，以降低系統(tǒng)誤碼率。系統(tǒng)以STM32F405為核心處理器，基于HART調(diào)制解調(diào)器AD5700實現(xiàn)數(shù)字信號的調(diào)制解調(diào)；利用現(xiàn)有廣播發(fā)射臺，完成數(shù)字信息的收發(fā)。實驗表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠，具有誤碼率低、實用性強等特點，推廣價值高，為數(shù)字通信提供了一種有效途徑。

關(guān)鍵詞：廣播信道HART調(diào)制解調(diào)器前向糾錯算法誤碼率循環(huán)冗余檢驗數(shù)字通信預(yù)警系統(tǒng)

中圖分類號：TP302+．1；TH89 DOI：10. 16086/j. cnki. issnl000 - 0380. 201604010

0引言

 城市、校園以及大多數(shù)鄉(xiāng)村都有可利用的調(diào)頻廣播資源，然而，就目前來看，大部分現(xiàn)有廣播只能完成音頻信息的發(fā)送，許多公眾信息發(fā)布均利用移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)，廣播系統(tǒng)的利用率低。若能利用現(xiàn)有廣播進(jìn)行公眾信息的發(fā)布，不僅可以擴展廣播系統(tǒng)的功能、節(jié)省無線信道資源和使用移動通信方式產(chǎn)生的流量費，還可在地震等突發(fā)情況發(fā)生時，避免因部分網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的損壞而影響信息發(fā)布的及時性。

 一種基于廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)（radio data systems，RDS）的天氣預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)

了數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。該系統(tǒng)需要專用的RDS發(fā)射機，這改變了現(xiàn)有廣播發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而沒有充分利用現(xiàn)有廣播資源。利用數(shù)字水印算法，實現(xiàn)了基于模擬廣播信道的文字發(fā)布系統(tǒng)，但其整個收發(fā)系統(tǒng)十分復(fù)雜，誤碼率高，難以實用化。

  針對上述問題，本文基于HART調(diào)制解調(diào)技術(shù)和調(diào)頻接收器RDA5820，實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號的可靠轉(zhuǎn)換和調(diào)頻信號的有效接收，降低了系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度，并完全利用現(xiàn)有廣播發(fā)射系統(tǒng)資源，達(dá)到了提高廣播資源利用率的目的。

1  系統(tǒng)方案設(shè)計

 系統(tǒng)由發(fā)射部分和接收部分組成，其整體框圖如圖1所示。

 發(fā)射系統(tǒng)負(fù)責(zé)信息的發(fā)布：上位機將待發(fā)送信息及相應(yīng)的控制參數(shù)（信息發(fā)送速率、次數(shù)等）通過串口發(fā)送給微處理器，微處理器提取信息并進(jìn)行編碼、組幀等處理，然后通過HART調(diào)制器實現(xiàn)數(shù)字信號的模擬化。由于模擬化的信號幅度較低，必須進(jìn)行幅值放大預(yù)處理，經(jīng)過預(yù)處理后的信號通過音頻接口線送入現(xiàn)有調(diào)頻發(fā)射機進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送。

 接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)信息接收和恢復(fù)：FM解調(diào)器接收廣播信號并解調(diào)，對解調(diào)后的調(diào)制信號進(jìn)行放大預(yù)處理，然后送入HART解調(diào)器完成模擬信號的數(shù)字化；該數(shù)字信號直接送入微處理器的串口進(jìn)行信息提取，并由微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，恢復(fù)發(fā)送系統(tǒng)上位機發(fā)送的原始信息；同時，將接收到的信息顯示在顯示終端上，并以txt文本形式存儲在SD卡中。

2硬件電路設(shè)計

2.1  核心處理器及電源設(shè)計

 系統(tǒng)采用ST公司的STM32F405處理器。該處理器采用Cortex - M4結(jié)構(gòu)，具有32位的RISC內(nèi)核，最高工作頻率為168 MHz;內(nèi)部集成1 024 k B閃存和196 k B SRAM，具有很強的數(shù)字信號處理和并行計算功能；內(nèi)部自帶看門狗，可有效減小系統(tǒng)因外部干擾產(chǎn)生的不穩(wěn)定性；包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的接口，分別是3個IIC和SPI、2個UART、2個CAN和1個SDIO接口，以方便與外設(shè)直接通信。

 系統(tǒng)需用到的電壓包括3.3 V、5V和-5 V。其中，土5V電壓給幅值放大電路供電，3.3 V電壓用于給微處理器及板上其他數(shù)字IC供電。外部輸入直流電壓為6V，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS62050．可以把電壓穩(wěn)定在5 V;5 V電壓再經(jīng)過TPS6735和ADP1710 -3.3 V后，分別得到-5 V和3.3 V。

2.2 HART調(diào)制解調(diào)器

 HART協(xié)議物理層使用相位連續(xù)的頻移鍵控(frequency - shift keying，F(xiàn)SK)調(diào)制技術(shù)，在4—20 m A模擬信號上疊加一個幅度為0.5 m A、均值為0的頻率信號，以1.2 kHz和2.2 kHz交流信號分別代替數(shù)字信號的“0”和“1”，可方便地實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號的雙向轉(zhuǎn)換。HART調(diào)制波形如圖2所示。

  輸入／輸出信號分別為FSK信號和UART信號，避免了傳統(tǒng)A/D和D/A轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性和轉(zhuǎn)換誤差。UART信號輸入HART調(diào)制解調(diào)器的TXD引腳，在HART_OUT引腳即可輸出對應(yīng)的FSK信號。對于HART解調(diào)，F(xiàn)SK信號輸入HART_IN引腳，在RXD引腳即可輸出對應(yīng)的UART信號。

 本文選用ADI公司的專用HART調(diào)制解調(diào)器AD5700，其內(nèi)部自帶帶通濾波器，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2 M bit/s，可直接通過標(biāo)準(zhǔn)的UART接口與STM32F405通信。部分電路圖如圖3所示。

 AD5700調(diào)制時，一方面通過UART接口與STM32F405進(jìn)行申行通信，另一方面將輸入的數(shù)字信號調(diào)制成頻率分別為1.2 kHz和2.2 kHz的FSK頻移鍵控信號，并由HART_OUT引腳輸出。AD5700解調(diào)時，F(xiàn)SK信號由HART_IN引腳輸入，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)串口數(shù)據(jù)格式，送入STM32F405進(jìn)行處理。

2.3放大電路

 在發(fā)送系統(tǒng)中，由于HART調(diào)制解調(diào)器AD5700輸出的FSK信號的峰峰值大約在200 mV，所以必須對其進(jìn)行幅值放大，以更好地滿足調(diào)頻發(fā)射機對調(diào)制信號的要求。同時，由于接收系統(tǒng)FM解調(diào)后的信號比較微弱，也必須對其進(jìn)行幅值放大后再送入HART解調(diào)器中，以降低誤碼概率。

 本設(shè)計中，均采用由TI公司的精密運算放大器OPA743構(gòu)成的同相比例放大電路。該放大器具有很低的內(nèi)部噪聲和很高的壓擺率，可以對信號進(jìn)行有效的線性放大；同時，采用同相比例放大電路，利用其高輸入阻抗特性，起到了阻抗匹配的作用，減小了調(diào)頻發(fā)射機對調(diào)制信號的影響。

2.4 FM接收解調(diào)

 在接收系統(tǒng)中，設(shè)計了FM信號解調(diào)電路。該電路以調(diào)頻接收芯片RDA5820為核心，其工作頻段為65~108 MH：，內(nèi)部集成了4 k B存儲器，在保存頻率信息和數(shù)據(jù)時具有獨特優(yōu)勢。RDA5820內(nèi)置高精度A/D及數(shù)字頻率合成器采用噪聲消除電路設(shè)計，具有非常高的接收靈敏度，噪聲小，抗干擾能力強。其硬件電路設(shè)計如圖4所示。圖4中，D1、D2為ESD二級保護(hù)管。

 將MODE引腳拉低，RDA5820便通過IIC總線接口與STM32F405進(jìn)行通信，并將FM解調(diào)后的FSK信號送人HART解調(diào)器的HART_IN端，進(jìn)行HART信號解調(diào)，以恢復(fù)數(shù)字信號。

3  軟件設(shè)計及實現(xiàn)

3.1軟件整體設(shè)計

 本系統(tǒng)軟件由3部分組成：發(fā)送端上位機軟件、發(fā)送端下位機軟件和接收端下位機軟件。其設(shè)計流程圖如圖5所示。

  發(fā)送端上位機軟件完成待發(fā)送信息的管理，包括信息編輯、信息發(fā)送次數(shù)以及發(fā)送速率的控制等，并通過串口與發(fā)送端下位機通信。發(fā)送端和接收端下位機軟件完成相應(yīng)的硬件初始化和信息的編解碼等處理。

3.2通信協(xié)議

 對于本數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，發(fā)送方和接收方需約定統(tǒng)一的通信協(xié)議，以便接收方判斷接收的數(shù)據(jù)是否有效，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理等。

 本文通過二進(jìn)制編碼的方式進(jìn)行通信，通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

 該結(jié)構(gòu)由起始字符、幀長度、信息類型、信息字段和結(jié)束字符組成。起始字符和結(jié)束字符分別由2個不同的字節(jié)數(shù)據(jù)構(gòu)成，表示一幀數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束；幀頭信息包含一個完整幀的字節(jié)長度，由4字節(jié)構(gòu)成；信息類型表明該信息幀屬于哪類信息（如：科技類、財經(jīng)類、體育類等），由1個字節(jié)構(gòu)成；信息字段包含上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)和信息校驗位，通過該校驗位可完成數(shù)據(jù)的糾錯功能。

3.3混合糾錯編碼

 循環(huán)冗余校驗( cyclic redundancy check，CRC)碼是一種在二進(jìn)制通信系統(tǒng)中常用的差錯檢測方法，通過在原始數(shù)據(jù)后加冗余校驗碼來檢測差錯，其生成原理。

 在典型的無線環(huán)境下（傳輸信道誤碼率p為10-3~ 10-5，幀長n=128 ~1 024 bit，n<1），當(dāng)P→0時，1 bit錯誤幀在總的錯誤幀中的比率為R→1，表明當(dāng)比特誤碼率p足夠小的情況下，絕大部分幀錯誤是每幀1 bit錯誤，因此糾正每幀1 bit錯誤有實際價值。

 本文設(shè)計了一種基于CRC和偶校驗結(jié)合的混合糾錯算法，采用G(x)=x3 +x+1的(7，4)循環(huán)碼。其包含4個信息位和3個校驗位，將信息字節(jié)拆開成高、低4位并和校驗位組成一個字節(jié)分別發(fā)送；在每字節(jié)的最后一位添加偶校驗位，以避免偶數(shù)位同時出錯情況下的糾錯。信息位的許用碼組如表1所示。

由表1可以看出，該碼組最小海明距離為3，所以可以檢測2位錯和糾正1位錯。對接收到的信息進(jìn)行CRC校驗，根據(jù)其校驗所得的余數(shù)可檢測出錯位的具體位置，其對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

 編碼時，將表1中所有許用碼字的后4位放入查找表中，根據(jù)待發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)的高4位和低4位進(jìn)行查表，并對4位信息位加上對應(yīng)的校驗信息，最后將編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。解碼時，結(jié)合CRC校驗和偶校驗以及表2給出的關(guān)系，對接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯，其糾錯流程如圖7所示。

4測試結(jié)果及結(jié)論

 本文選用CZE - 15B型調(diào)頻發(fā)射機和CZH車載天線驗證系統(tǒng)功能，設(shè)定發(fā)送功率和頻率分別為0.3 W和88 MHz，天線增益為3 d Bi，固定收發(fā)系統(tǒng)直線距離為50 m，顯示設(shè)備為TFT彩屏（實際應(yīng)用時可根據(jù)具體環(huán)境更換顯示設(shè)備）。由發(fā)送端上位機發(fā)送文字“Hello，歡迎來到這座城市！”，接收端液晶屏上顯示文字“Hello，歡迎來到這座城市！”。結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸功能。

 為進(jìn)一步測試系統(tǒng)誤碼率，將系統(tǒng)置于空曠環(huán)境下，固定發(fā)射機位置并設(shè)定功率為0.3 W，單次發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)為1×107個，調(diào)整接收系統(tǒng)與發(fā)射機的直線距離，并在同一接收位置進(jìn)行10次實驗，觀察數(shù)據(jù)接收情況，統(tǒng)計傳輸誤碼率。通過實驗，得到10次實驗的平均誤碼率與距離關(guān)系如表3所示。

 由表3可以看出，在200 m內(nèi)，數(shù)據(jù)丟包數(shù)極少，誤碼率低于10-6，但隨著距離增加，信道中電磁波減弱使誤碼上升。當(dāng)傳輸距離超過500 m時，其誤碼率超過97%，基本失去通信能力。

5結(jié)束語

 本文細(xì)述了一種基于模擬廣播信道的數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法及其實現(xiàn)過程，通過HART調(diào)制解調(diào)器完成數(shù)字信號與模擬信號的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了在現(xiàn)有廣播平臺上的數(shù)字信息的發(fā)布和接收。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠，可用于校園、城市、企業(yè)單位等公眾信息的發(fā)布，具有很好的推廣價值和經(jīng)濟潛力，為數(shù)字通信手段提供參考。