高玲娜,姚振東

(成都信息工程學(xué)院,成都 610225)

1 引 言

目前,我國(guó)高空探測(cè)中同時(shí)存在L頻段雷達(dá)-電子探空儀系統(tǒng)和701雷達(dá)-59探空儀系統(tǒng)兩種業(yè)務(wù)系統(tǒng),后者是落后的測(cè)風(fēng)系統(tǒng),最終將被淘汰。隨著技術(shù)的發(fā)展,GPS氣象探空系統(tǒng)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家中得到重視,該系統(tǒng)的測(cè)風(fēng)優(yōu)勢(shì)明顯優(yōu)于雷達(dá)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)。由于GPS高空測(cè)風(fēng)和壓力反算精度高,地面設(shè)備無需復(fù)雜的發(fā)射、測(cè)距和伺服控制系統(tǒng),天線系統(tǒng)簡(jiǎn)單,地面設(shè)備價(jià)格低,設(shè)備維護(hù)量小,芬蘭VAISALA公司和國(guó)內(nèi)一些公司先后推出了GPS探空儀測(cè)風(fēng)系統(tǒng)。中國(guó)氣象局也把GPS探空儀系統(tǒng)作為下一代布網(wǎng)主要設(shè)備。

設(shè)計(jì)一個(gè)可靠性高、抗干擾能力和探測(cè)性能強(qiáng)、低成本的探空系統(tǒng)具有重要的實(shí)踐意義。通信單元是遙測(cè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),它決定了遙測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性、實(shí)時(shí)性和正確性,設(shè)計(jì)一個(gè)遙測(cè)系統(tǒng)必須選擇合理的通信方式。以往的GPS探空儀收發(fā)系統(tǒng)編譯碼采用的是漢明碼,硬件上選用TI公司的收發(fā)芯片CC1110F或者其它單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。而本文采用的是糾錯(cuò)性能更好的向前糾錯(cuò)碼中的級(jí)聯(lián)編碼(RSCC),再加入交織技術(shù),然后使用DSP TMS320VC5402信號(hào)處理器,從而得到一個(gè)傳輸性能更為良好、抗干擾能力更強(qiáng)、成本更低的探空系統(tǒng)。本GPS探空儀通信模塊要求的誤碼率在10-3以下,并用Matlab仿真編、譯碼部分,驗(yàn)證了所選方案符合系統(tǒng)要求。

2 數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計(jì)

由于GPS系統(tǒng)處于L頻段,為了避免干擾,探空儀收發(fā)系統(tǒng)不能采用L頻段的氣象頻段,只能采用國(guó)際電聯(lián)規(guī)定的400MHz的氣象頻段[1]。采用怎樣的發(fā)射、接收技術(shù)體制既能提高系統(tǒng)抗干擾能力和探測(cè)性能,又能降低成本是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要精心規(guī)劃的課題。

GPS探空儀通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)核心是數(shù)據(jù)的編碼及調(diào)制方式的選取,本文著重討論編碼方式的選取與論證。

2.1 傳輸方案規(guī)劃

GPS探空系統(tǒng)采用射頻是氣象專用400MHz,該頻段無線電干擾嚴(yán)重,且信道兼有隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤,使得誤碼率增大;球載設(shè)備在空中姿態(tài)變化時(shí)容易產(chǎn)生信道快衰落;天線劇烈晃動(dòng)會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度。

結(jié)合上述數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺赖奶攸c(diǎn),采用差錯(cuò)控制編碼可有效降低系統(tǒng)的誤碼率。擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍或者提高其靈敏度可接收到更大范圍的信號(hào)。快衰落造成的誤碼為長(zhǎng)串誤碼,而不是單獨(dú)的。交織技術(shù)是將待傳的信息重新排序,這樣可以把突發(fā)的連串錯(cuò)誤打散,變成單個(gè)的錯(cuò)誤,因此能很好地消除快衰落產(chǎn)生的影響。

2.2 編碼方案的選取

在無線信道中主要存在兩種性質(zhì)的錯(cuò)誤:一類是隨機(jī)性錯(cuò)誤,即錯(cuò)誤出現(xiàn)的位置是隨機(jī)分布的,各個(gè)碼元是否發(fā)生錯(cuò)誤是互相獨(dú)立的,錯(cuò)誤通常不是成片地出現(xiàn),這種情況一般是由信道的加性隨機(jī)噪聲引起的;另一類是突發(fā)性錯(cuò)誤,即錯(cuò)誤是一連串出現(xiàn)的,在一個(gè)突發(fā)錯(cuò)誤持續(xù)時(shí)間內(nèi),開頭和末尾的碼元總是錯(cuò)的,中間的某些碼元可能錯(cuò)也可能對(duì),但錯(cuò)誤的碼元數(shù)相對(duì)較多,這種情況主要表現(xiàn)在移動(dòng)通信中信號(hào)在某一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生了衰落或是在某些頻點(diǎn)上受到了電磁干擾等。在隨機(jī)錯(cuò)誤與突發(fā)錯(cuò)誤并存,且誤碼率較高的無線信道中,為了避免糾錯(cuò)性能與設(shè)備復(fù)雜性的矛盾,通常選用級(jí)聯(lián)碼的糾錯(cuò)方式[2]。級(jí)聯(lián)編碼通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 級(jí)聯(lián)編碼通信系統(tǒng)Fig.1 Cascade coding communication system

將具有極強(qiáng)隨機(jī)誤碼糾錯(cuò)能力的卷積碼(Convolutional Code)與具有極強(qiáng)突發(fā)誤碼糾錯(cuò)能力的里德-所羅門(Reed-Solomon)碼級(jí)聯(lián),作為本系統(tǒng)所采用的編碼方案。下面對(duì)此種級(jí)聯(lián)方式進(jìn)一步闡述。

信道編碼定理指出,隨著碼長(zhǎng) n的增加,譯碼錯(cuò)誤概率按指數(shù)接近于零。因此,為了使碼有效,必須使用長(zhǎng)碼。但是,隨著碼長(zhǎng)的增加,在一個(gè)碼組中要求糾錯(cuò)的數(shù)目相應(yīng)增加,譯碼器的復(fù)雜性和計(jì)算量也相應(yīng)增加,一直難以實(shí)現(xiàn)。為了解決性能與設(shè)備復(fù)雜性的矛盾,1966年福尼(Forney)提出了級(jí)聯(lián)碼概念,把編制長(zhǎng)碼的過程分成幾級(jí)完成。使用非二進(jìn)制碼作為外碼、二進(jìn)制碼作為內(nèi)碼的單級(jí)級(jí)聯(lián)碼已廣泛應(yīng)用于通信和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中,以獲得較高的可靠性并減小譯碼復(fù)雜度。內(nèi)碼一般較短,使用軟判決譯碼算法進(jìn)行譯碼;非二進(jìn)制的外碼一般較長(zhǎng),使用代數(shù)譯碼方法進(jìn)行譯碼。在大多數(shù)應(yīng)用中,使用RS碼作為外碼。級(jí)聯(lián)碼不僅有極強(qiáng)的糾突發(fā)錯(cuò)誤和糾隨機(jī)錯(cuò)誤的能力,更重要的是利用級(jí)聯(lián)碼的構(gòu)造方法,能達(dá)到信道編碼定理給出的碼限,構(gòu)造出漸近好碼(Shannon碼)。

數(shù)據(jù)接收端譯碼時(shí)采用維特比(Viterbi)譯碼。Viterbi譯碼算法是一種針對(duì)卷積碼而提出的最大似然譯碼算法[3]。此算法基于卷積碼編碼器的狀態(tài)與時(shí)間的關(guān)系,求出碼集中與接收序列有最小距離度量的碼字。在譯碼器中有一個(gè)與發(fā)送端一樣的本地編碼器,只不過這個(gè)編碼器能遍歷所有的編碼路徑,而譯碼就是在每一個(gè)時(shí)刻都將這些路徑與接收序列進(jìn)行距離度量,并去掉那些度量值小的編碼路徑,最后留下的那條路徑就是正確的譯碼路徑。

3 級(jí)聯(lián)編碼Matlab仿真

級(jí)聯(lián)編碼的仿真框圖如圖2所示。我們用Matlab對(duì)RSCC級(jí)聯(lián)編碼在AWGN信道下的性能作分析,采用的是[155,117]RS碼和(2,1,3)的卷積碼。如圖3所示,縱坐標(biāo)為此通信系統(tǒng)的誤碼率,橫坐標(biāo)為通信系統(tǒng)的信噪比(SNR)。由于SNR代表了相同的信道條件,這樣可以更直觀地對(duì)比出不同的編碼方法在相同信道條件下性能差異。

圖2 交織級(jí)聯(lián)編碼通信系統(tǒng)Fig.2 Cascade coding with interleave communication system

圖3 不同編碼方式的仿真Fig.3 Simulation of different encoding methods

級(jí)聯(lián)碼的誤比特率為

因此,在AWGN信道中,級(jí)聯(lián)編碼的誤比特率公式

從仿真圖可得,由RS碼和卷積碼夠成的級(jí)聯(lián)編碼在信噪比為4.5dB時(shí),誤碼率即可達(dá)到系統(tǒng)所要求的10-3。在超過4dB后,相同的信噪比下,RSCC的誤碼率要比只使用卷積碼的誤碼率低,加入交織技術(shù)的級(jí)聯(lián)編碼誤碼率要更低一些。

級(jí)聯(lián)編碼與卷積碼在低信噪比時(shí)性能接近,是由于RS碼是分組碼,每個(gè)碼塊的糾錯(cuò)能力有限,一旦錯(cuò)誤超過它的糾錯(cuò)能力,它就不進(jìn)行糾錯(cuò),以免引入更多的差錯(cuò)。也就是說,RSCC級(jí)聯(lián)碼在低信噪比下相當(dāng)于只有卷積碼在進(jìn)行譯碼,而RS譯碼幾乎不起作用,只有信噪比高到一定程度,使得卷積碼的譯碼結(jié)果中的錯(cuò)誤在RS碼的糾錯(cuò)能力之內(nèi)時(shí),RS碼才能把卷積碼譯碼剩余的差錯(cuò)糾正過來[4]。

RSCC級(jí)聯(lián)碼在實(shí)際應(yīng)用中比較廣泛,是一類比較典型的級(jí)聯(lián)碼,糾錯(cuò)性能相對(duì)來講也是比較好的,由于卷積碼糾隨機(jī)錯(cuò)誤的能力比較強(qiáng)加上RS碼具有較強(qiáng)的糾突發(fā)錯(cuò)誤能力[5],使得它們?cè)谛旁氡容^低的情況下就能達(dá)到比較低的誤碼率。

4 通信模塊硬件實(shí)現(xiàn)

GPS氣象探空主要有空中射頻轉(zhuǎn)發(fā)和空中數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)兩種方式[6],本文所采用的通信方式為數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)是將GPS OEM板的定位數(shù)據(jù)直接與溫濕壓數(shù)據(jù)合成編碼后轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是減少探空儀設(shè)備的復(fù)雜程度,把大量處理過程轉(zhuǎn)移到地面,降低探空儀的成本。采用數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)方式,發(fā)射功率利用率較高,避免發(fā)生自激,工作頻點(diǎn)可調(diào),可避開環(huán)境的干擾。探空儀通信單元總體結(jié)構(gòu)由球上設(shè)備和地面設(shè)備兩部分組成。

4.1 球載通信部分實(shí)現(xiàn)

球載通信單元的工作原理為:接收PTU(溫壓濕)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù),進(jìn)行編碼、合成,將數(shù)字信息進(jìn)行FSK調(diào)制,轉(zhuǎn)變成射頻信號(hào),發(fā)送給地面接收系統(tǒng)[7]。探空儀數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 GPS探空儀發(fā)射部分Fig.4 GPS radiosonde transmitter

GPS探空儀數(shù)據(jù)發(fā)送部分的核心器件是TI公司DSP5000系列的TMS320VC5402數(shù)字信號(hào)處理器,由于DSP內(nèi)部沒有FLASH,所以需要用外部的FLASH進(jìn)行程序的引導(dǎo)和加載[8],且5402有兩個(gè)通用串行接口,故選用SPI接口的FLASH-AT25128作為程序加載芯片。在使用5402時(shí),選用IS32LV16作為SRAM,外擴(kuò)RAM空間。將信號(hào)進(jìn)行處理和編碼后,將數(shù)據(jù)送到并行DA處理器——ADI公司的AD9744。由于DA輸出的電壓信號(hào)為離散信號(hào),需要用濾波器進(jìn)行平滑,對(duì)模擬信號(hào)的帶寬進(jìn)行限制。將輸出的信號(hào)用ADI公司的大電流輸出寬帶運(yùn)放AD817進(jìn)行驅(qū)動(dòng),然后將信號(hào)上變頻到403±3MHz,經(jīng)過無線信道傳輸?shù)降孛娼邮諉卧?/p>

4.2 地面通信部分實(shí)現(xiàn)

地面通信單元的工作原理為:接收探空儀發(fā)射的射頻信號(hào),解調(diào)出數(shù)字信息,進(jìn)行解碼,輸出為GPS通道數(shù)據(jù)以及PTU(溫濕壓)測(cè)量數(shù)據(jù)。探空儀數(shù)據(jù)發(fā)接收模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 GPS探空儀接收部分Fig.5 GPS radiosonde receiver

數(shù)據(jù)接收部分的核心也采用TI公司DSP5000系列的TMS320VC5402數(shù)字信號(hào)處理器,將下變頻后的無線信號(hào)先通過開關(guān)電容濾波器MAX262進(jìn)行濾波,將帶外的模擬信號(hào)濾除,對(duì)信號(hào)處理和放大后,使用TI公司的并行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS805對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集,將采集到的信號(hào)送到DSP中,DSP對(duì)信號(hào)處理后將得到的數(shù)字信號(hào)通過串口RS232發(fā)送到計(jì)算機(jī)終端。

5 結(jié) 論

本文將級(jí)聯(lián)編碼、交織方案應(yīng)用于現(xiàn)有GPS探空儀中,并采用TMS320VC5402數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)射接收系統(tǒng),其性能穩(wěn)定可靠,開發(fā)技術(shù)成熟,提高了GPS探空儀通信單元的抗干擾性能,并降低了系統(tǒng)成本,且GPS探空儀新的收發(fā)體制的提出對(duì)促進(jìn)國(guó)產(chǎn)GPS探空系統(tǒng)技術(shù)的提高和發(fā)展具有積極的意義。本文的RSCC算法還未在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),有待進(jìn)一步研究。

[1] 樊昌信,張甫翊,徐炳祥,等.通信原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001.FAN Chang-xin,ZHANG Fu-yu,XU Bin-xiang,et al.Communication Theory[M].Beijing:National Defense Industry Press,2001.(in Chinese)

[2] 周賢偉,黃旗明,張麗靜,等.差錯(cuò)控制編碼與安全[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.ZHOU Xian-wei,HUANG Qi-ming,ZHANG Li-jing,et al.Error Control Coding and Security[M].Beijing:National Defense Industry Press,2006.(in Chinese)

[3] 王新梅,肖國(guó)鎮(zhèn).糾錯(cuò)碼——原理與方法[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001.WANG Xin-mei,XIAO Guo-zhen.Error Correction Code:Principle and Method[M].Xi′an:Xidian University Press,2001.(in Chinese)

[4] 姚力,楊平,王力民.無線數(shù)傳中糾錯(cuò)編碼的實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)用測(cè)試技術(shù),2002,28(6):24-25.YAO Li,YANG Ping,WANG Li-min.Implementation of Error Correction Code in the Wireless Data Transmission[J].Practical Measurement Technology,2002,28(6):24-25.(inChinese)

[5] 王霞,張傳生,張荷芳.級(jí)聯(lián)碼結(jié)合交織技術(shù)的糾錯(cuò)性能研究[J].無線電通信技術(shù),2000,9(2):29-32.WANG Xia,ZHANG Chuan-sheng,ZHANG He-fang.Research on Error-Correcting Performance of Concatenated Codes with Data Interleave[J].Wireless Communication Technology,2000,9(2):29-32.(in Chinese)

[6] 徐剛,王培延.GPS氣象探空原理與工程設(shè)計(jì)[J].導(dǎo)航,2005,41(2):115-118.XU Gang,WANG Pei-yan.Principle and design of GPS meteorological sonde[J].Journal of Navigation,2005,41(2):115-118.(in Chinese)

[7] 劉曉琴,蔡德林,徐長(zhǎng)雷.GPS探空儀技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(3):179-181.LIU Xiao-qin,CAI De-lin,XU Chang-lei.Study on the Technology of GPS Sonde[J].Modern Electronics Technique,2008,31(3):179-181.(in Chinese)

[8] Barron J E,Ruczczyk K S.A low-power DSP core—based software radio architecture Gunn[J].IEEE Journal,1999,17(4):574-590.