一种无线数据传输设备底层设计与实现

2017-07-16陈迪楼

中国新通信 2017年11期

陈迪楼

【摘要】底层波形设计和数据的组织格式是无线数据传输的核心部分，高性能的差错控制编码技术和高效调制技术是关键技术。本文简述了无线数据传输设备的工作原理，并结合关键技术介绍了一种无线数据透明、高速传输的底层的设计，最后给出了收发功能的软件实现流程。

【关键词】数据传输帧结构 RS ISCP-DPSK

一、引言

无线通信系统由数据采集设备、数据处理设备、无线数据传输设备及配套天线系统组成，其中无线数据传输设备扮演着重要角色，是信息交互的桥梁，承担信息与数据的传输任务。如今软件无线电技术的发展日新月异，基于超短波无线通信的传输设备也取得了长足的发展，一般由数字和模拟两部分组成，模拟部分实现射频信号的调制与解调、接收与发送，数字部分实现控制，接口和数据基带处理功能。参照OSI协议体系结构模型，无线数据传输设备在数据通信传输系统主要完成链络控制层和物理层的功能，通信过程中的链路建立机制，差错重传机制，流量控制由上层协议完成，如图1所示[1]。

二、工作原理

目前国内无线数据传输设备多种多样，不管是民用还是军用，但其工作原理基本一致，内部各单元按功能可分为整机控制、接口控制、音频处理、基带数字处理、加解密、中频处理、发信机、接收机和天馈功等部分组成。

无线传输设备对所发送消息的信号处理流程图如图2所示，接收消息的信号处理为逆向过程。每条消息加密处理，消息包封装，形成链路层波形。每组链路层波形经信道纠错编码、信号成帧、信号调制处理，形成物理层波形。

无线传输设备属于整个通信系统中的一部分，本文介绍的传输设备工作在UHF频段，在统一的硬件环境下，基于软件无线电思想，搭配不同的软件实现不同的传输功能。抗干扰模式下采用跳频和抗频技术等技术实现可靠传输。鉴于应用场景的不同，这里只介绍常规模式下的数据底层传输设计[2]。

三、实现方案

3.1设备对外接口

无线数据传输设备实现数据透明传输，数据内容无头无尾，数据接口采用硬件流控方式提高可靠性，发送端接口如图4所示：数据处理设备处理数据后，若需数据传输设备发送数据，则先向数据传输设备发请求信号，待正确响应后，则开始发送数据，当数据发送完毕后，撤销发送包络信号，同时数据传输设备也撤销响应信号，一次数据传输结束。一次传输数据字节数为1至4096个，传输速率3.125Mbps左右。

发送接口如下：

当数据传输设备需向数据处理设备上报接收数据时，则直接将数据送出，并置包络信号。一次数据传输结束，如图5所示。

3.2帧结构设计

数据透明传输，重点要设计好自定义格式的数据帧，将大数据帧分解成若干个小的数据帧，方便流处理，提高传输速率。本设计一次射频传输，数据帧格式如表1所示：

3.2.1 载波段与帧同步段

数据传输中，接收端只有从所接收的码元序列中正确识别帧的起止，才能保证所传输信息的复原。帧同步在位同步的基础上识别出含有效数字信息帧的起止时刻，从而得到有效的数据信息，本设计采用插入式帧同步方法，利用特定的帧头和帧尾表示数据起始帧的位置、结束帧位置。帧头为127bit自相关、互相关良好的伪随机码；帧尾为63bit自相关、互相关良好的伪随机码，载波段为0/1交替信号，用于功率的建立和接收端AGC的调整和同步[3]。

3.2.2 數据段组织：

由于一次传输设计的数据源数据长度不固定，且无头无尾之分。为了实现有效传输，必须插入自定义数据头供接收端从数据序列中提取真实有效的数据，确定数据的开始与结束。表1中的数据段构成方式如图6所示。

一个数据段由m个240bit的数据段组成，数据段最大值为1024，因此m最大值为65，第一个240bit由6个字节经两级RS编码后所得。接收端解析6字节数据可提取一次有效射频传输中数据段n的序号及最结束标志，以及每个数据段含有240bit数据段的个数m和最后一个240bit数据段中实际传输的字节个数；

如果数据源一次性传输有效字节数不是16的整数倍，则补充随机数为16的整数倍；如果数据源一次性传输大于1024个字节，则分割成1024个字节组织传输。因此一次传输表1中n最大值为4。

3.2.3 纠错编码

无线通信采用差错控制编码的提高可靠性，在3G通信中，采用了券积码和Turbo码，在军事通信中，如LINK16，LINK22采用了RS码。RS码简单，构造方便，是纠错能力强的多进制BCH码，在数字通信系统中得到广泛应用。该设计采用RS（255，241）的缩短码RS（30，16）的编码方式，符号数为8，伽罗华域为G（256），能够检验的符号数为7。分组码的纠错能力与信道特性和码型有关，使用BSC信道和AWGN信道模型，译码的后误码率可近似为：

其中n为码组长度，t为纠错个数。按上式，在信道误码率Pe=10-3的条件下，采用RS（30，16），RS（16，6）的編码方式，RS（30，16）译码后误码率为：

实际信道中产生的错误往往是突发错误或突发错误与随机错误并存，虽然RS码已具备强大的抵御突发差错能力，但若对数据进行交织处理，改变数据码字传输顺序的方法，将比较长的突发错误或多个突发错误作离散化处理，则可进一步提高RS码在传输过程中的抗突发误码能力[4]。

3.3信号调制

无线数据传输设备调制波形常用的是BPSK、MSK、QPSK、GMSK等，本设计调制方式采用ISCP-DPSK方式，其原理框图如图7所示，基带信号由信号选择逻辑根据输入比特符号和当前相位状态在基带信号集合中选择一个基带信号作为调制信号输出[5]。

相对于BPSK调制，这种调制有如下优点：符号间相位连续，信号具有良好的功率谱，发射信号为准恒包络，避免了初相，多普勒频移等引起的符号间相位变化时对解调的影响，适合于高速运动平台的突发通信。

四、收发软件实现流程

CPU通过接口接收数据，对数据进行加密，分割等处理后，分为报头和报文，报头为6个字节，通过FIFO1_txin缓存，经过报头编码交织送到CPU，报文则通过FIFO2_txin缓存经过报文编码交织后送到CPU，CPU对报头，报文进行组合并插入帧同步头和帧尾，最后插入载波完成信号的调制。

接收端是发送端的逆过程，即接收机收到信号经解调后，通过FPGA对同步头捕获，经解密，解交织后将数据分发。前240bit报头编码字节到FIFO1_rx_in缓存，经报头解码后通过FIFO1_rx_out送至CPU，30字节之后的报文编码字节送到FIFO2_rx_in缓存，经报文解码模块最后通过FIFO2_rx_ out输出到CPU。最后通过CPU处理并完成解密后送给上层数据处理设备。

五、结束语

采用该底层设计技术，可有效解决无线传输设备透明传输问题，采取的ISCP-DPSK的调制方式，相对于BPSK提高频谱利用率，准恒包络方式降低了功放要求，两级纠错码的设计进一步提高了突发通信的纠错能力。另外，该设计在实际项目中得到了成功应用，满足性能指标，工作稳定可靠。