張曙霞 ，歐勇恒 ，劉月亮

（1. 海軍工程大學(xué), 武漢 430033；2. 海軍東海艦隊25分隊，浙江寧波 315122）

0 引言

地面短波信道(電離層)探測方法主要包括斜向探測、斜向返回探測、垂直探測、相干散射探測和非相干散射探測等[1]。文獻顯示，國內(nèi)外研究短波信道探測的學(xué)者很多，主要采取斜向探測[2-8]、斜向返回探測[9-15]和垂直探測[16]三種探測方式。其中，短波信道斜向探測是指高頻無線電波入射方向與電離層的等電子濃度面法線成一非零角的傳播探測方式，一般地說，它的接收點的地面距離是確定可知的[17]。斜向探測通常采用掃頻方式工作，短波斜向探測電離圖是電波斜向入射經(jīng)短波信道反射到指定地點接收的回波記錄。這種記錄反映了發(fā)、收兩站之間，斜投射短波信號的頻率與信道反射回波的群路徑之間的關(guān)系。電離層斜向探測可以對數(shù)千千米范圍內(nèi)的電離層進行探測與研究。

為了給短波信道傳播特性的初步估計、短波無線電頻率管理、短波信道可通狀態(tài)初步評估等提供服務(wù)，特別是為現(xiàn)有短波通信服務(wù)，作者設(shè)計了一種成本較低、性能良好的短波信道斜向探測系統(tǒng)。短波信道斜向探測系統(tǒng)的設(shè)計基于軟件無線電思想，發(fā)射端、接收端硬件電路完全相同，通過不同的軟件分別實現(xiàn)發(fā)、收的功能。本文主要對HFCOSS中電臺自動控制進行設(shè)計并用電路實現(xiàn)。

1 短波信道斜向探測系統(tǒng)及工作原理

短波信道斜向探測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)發(fā)送與采集板、PLL、低噪聲直流電源、計算機（PC）終端、短波電臺和天線組成。數(shù)據(jù)發(fā)送與采集板包括數(shù)字信號處理器（DSP）模塊、DSP擴展隨機存儲器（RAM）、CPLD時序控制模塊、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）模塊、電臺工作模式和頻率控制模塊、GPS接收機模塊、GPS導(dǎo)航電文接收模塊、高速通用串行總線（USB）模塊、時鐘模塊。系統(tǒng)的收發(fā)同步由GPS秒脈沖觸發(fā)實現(xiàn)，同步誤差在 10-7秒數(shù)量級，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。其中，DSP模塊主要負責(zé)數(shù)據(jù)的處理和傳輸，包括探測發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、GPS導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)、電臺控制命令等；CPLD時序控制模塊主要負責(zé)DSP與USB模塊、GPS導(dǎo)航電文接收模塊、電臺工作模式和頻率控制模塊之間通信的時序控制，以及分頻等；ADC/DAC模塊負責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換；GPS接收機模塊主要負責(zé)接收GPS導(dǎo)航電文，向DSP提供同步秒脈沖；GPS導(dǎo)航電文接收模塊主要負責(zé) GPS導(dǎo)航電文的接收、提取和傳輸，并在每分鐘的00秒產(chǎn)生一個脈沖供收發(fā)同步用，主要由單片機組成；電臺工作模式和頻率控制模塊主要由單片機組成，負責(zé)接收DSP傳來的電臺控制命令并轉(zhuǎn)發(fā)給短波電臺；USB模塊負責(zé)PC和DSP之間的數(shù)據(jù)實時傳輸；時鐘模塊為DSP、單片機和USB提供工作時鐘，主要有20 MHz、11.0592 MHz、24 MHz晶振和反相器組成；銣時鐘和PLL模塊為收發(fā)短波電臺和ADC/DAC提供基準(zhǔn)工作頻率源，使接收端采集得到的信號中由收發(fā)系統(tǒng)引入的頻差控制在0.0007 Hz以內(nèi)；PC終端作為上位機，主要負責(zé)整個系統(tǒng)的啟動操作、數(shù)據(jù)發(fā)送與保存、控制電臺命令發(fā)送及狀態(tài)顯示等；短波電臺負責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；低噪聲直流電源由開關(guān)電源和濾波器組成，給銣時鐘、PLL和短波電臺提供工作電源；DSP擴展RAM用于緩存探測數(shù)據(jù)。

短波信道斜向探測系統(tǒng)收發(fā)硬件電路完全相同，通過不同的軟件實現(xiàn)發(fā)和收的功能，采用脈沖壓縮技術(shù)和相干多普勒積分可以使發(fā)射功率比傳統(tǒng)探測儀降低 1000多倍的情況下而在接收端具有相同的接收效果，大大降低了發(fā)射功率。系統(tǒng)可在 3～30 MHz頻段對短波信道進行掃頻探測，其頻率步進可調(diào)，最小為電臺的最小步進。系統(tǒng)啟動前，待發(fā)送數(shù)據(jù)以 WAVE格式存儲在PC中，系統(tǒng)啟動以后，用戶可根據(jù)需要選擇發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)USB模塊實時傳輸給DSP，緩存在DSP的片外存儲區(qū)，經(jīng) DAC后由短波電臺經(jīng)天線發(fā)射出去。每個頻率點的散射波由天線接收后，從接收機串行輸出到 ADC進行采樣，并實時傳輸給DSP，緩存在DSP的片外存儲區(qū)，再由DSP經(jīng) USB實時傳輸?shù)?PC端進行顯示和存儲。在Matlab中，通過編程實現(xiàn)短波信道沖擊響應(yīng)的估計、散射函數(shù)的計算等工作。

圖1 短波信道斜向探測系統(tǒng)框圖

2 電臺自動控制的設(shè)計

這里所講的電臺自動控制是指電臺工作頻率和工作模式的自動更換。電臺工作頻率和工作模式更換命令所經(jīng)通路相同，都為：PC → DSP →電臺工作模式和頻率控制模塊 →電臺，只是命令字不同而已，二者的軟件結(jié)構(gòu)也完全相同。所以，在 2.2節(jié)只介紹電臺工作頻率更換的程序設(shè)計情況。

2.1 電臺自動控制硬件的設(shè)計

2.1.1 電臺工作頻率和模式控制模塊設(shè)計

電臺工作頻率和模式控制模塊設(shè)計由STC89LE58RD+單片機、晶振、電容和電阻組成。11.0592 MHz晶振和兩個20 pF的電容組成單片機的外部時鐘；0 μF 電容和10k Ω 組成單片機的加電復(fù)位電路；P0口與CPLD的H_D0~H_D7相連接，用于接收CPLD傳來的短波電臺控制命令；和分別與 CPLD 的 WR51（引腳 55）、RD51（引腳54）相連，控制單片機的讀寫操作；TX_725（引腳7）通過音頻口與短波電臺的控制命令輸入口相連接。

2.1.2 DSP與電臺工作模式和頻率控制模塊連接電路的設(shè)計

DSP與電臺工作模式和頻率控制模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過DSP的HPI口和單片機的P0口進行的。HPI的8位數(shù)據(jù)總線（HD0~HD7）和單片機的P00~P07連接，負責(zé)將控制命令傳給單片機；HBIL和 P20連接，用于識別傳輸?shù)氖堑?1個或第 2個字節(jié)；HCNTL0/1分別和單片機的P21、P22連接，用于選擇內(nèi)部寄存器，根據(jù)其電平高低，可以分別選擇HPIC、HPIA、HPID；HR/W讀寫控制信號接 P23，用于讀寫控制；HCS、HDS1、HDS2分別接 P24、P37、P36，用于片選、讀選通和寫選通；HAS接高電平。單片機與HPI的具體連接框圖如圖2所示。當(dāng)DSP與單片機交換數(shù)據(jù)時，HPI是單片機的一個外圍設(shè)備。HPI的使用是通過對HPIA、HPIC和HPID三個寄存器賦值實現(xiàn)的。單片機通過外部引腳HCNTL0和HCNTL1選中不同的寄存器。在進行數(shù)據(jù)傳輸時，HPI能自動地將單片機傳來的連續(xù)的8位數(shù)據(jù)組合成16位。

圖2 DSP和頻率控制模塊連接電路的設(shè)計

2.2.1 PC端控制程序的設(shè)計

1）電臺換頻控制程序的設(shè)計

首先將當(dāng)前接收的 GPS時間值與上一次比較用過的GPS時間值比較，如果二者相等，則退出本子程序；如果不等，則將返回的時間值賦給本子程序中的GPS時間變量，調(diào)用命令時間搜索程序函數(shù)查找命令數(shù)組中的時間與當(dāng)前DGPS時間值相等的命令行， 將其返回賦給局部變量cmdstr，如果cmdstr為空字符，則退出本程序；如果cmdstr不為空字符，則調(diào)用函數(shù)取出與此時間相等的命令數(shù)組元素中在時間之后的兩個字符，賦給局部變量 LFWord，判斷 LFWord是否為“LF”。若為“LF”，則調(diào)用電臺換頻命令發(fā)送函數(shù)，更改電臺工作頻率，并將LFWord置為空并退出本子程序。若不是“LF”，則直接退出本子程序。工作流程如圖3所示。

圖3 電臺換頻控制算法流程圖

2.1.3 DSP與USB之間連接電路的設(shè)計

DSP與 USB通過一個 16位的雙向 I/O口D0~D15相連接，DSP端是引腳 99~104、113~119、121~123，USB 端是引腳 44~47、54~57、102~105、121~124，主要是作為DSP和 PC之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸通道。

2.2 電臺自動控制軟件的設(shè)計

電臺自動控制軟件程序包括PC端控制程序、DSP端命令傳輸程序和電臺工作模式和頻率控制模塊命令傳輸程序。由于電臺工作模式和頻率控制模塊命令傳輸程序只是負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)控制命令，比較簡單，其具體設(shè)計這里不作介紹，主要介紹PC端控制程序、DSP端命令傳輸程序的設(shè)計。

2）電臺換頻命令發(fā)送程序的設(shè)計

首先定義局部變量，初始化全局數(shù)組變量，調(diào)用函數(shù)將字符串cmdstr中的頻率字符串取出賦給變量FreqStr，把DSP識別命令頭0xAA、電臺識別的命令頭和命令尾賦給發(fā)送電臺工作頻率用全局數(shù)組，把字符串變量 FreqStr中的頻率字逐個取出并合并成8bit填進全局數(shù)組中，將FreqStr中的頻率字分割成以 MHz為單位并賦給頻率顯示全局變量用于頻率的界面顯示，調(diào)用寫數(shù)據(jù)到USB的函數(shù)將頻率發(fā)給DSP，并在ListBox中顯示發(fā)送結(jié)果，其工作流程如圖4所示。

圖4 電臺換頻命令發(fā)送算法流程圖

2.2.2 DSP端命令傳輸程序的設(shè)計

電臺換頻控制在PC中生成，根據(jù)預(yù)置的時間間隔發(fā)送?？刂泼罱?jīng)過USB通道發(fā)給DSP，在DSP中首先要判斷PC發(fā)來的是不是電臺控制命令（因為還有其它的命令）。如果不是，則繼續(xù)執(zhí)行其它的程序；如果是，則接收PC發(fā)來的控制電臺命令。然后判斷發(fā)電臺控制命令到電臺的標(biāo)志是否是允許，如果不是，則繼續(xù)執(zhí)行其它的程序；如果是，則將PC發(fā)來的電臺控制命令合成電臺能識別的格式。接著判斷電臺工作模式和頻率控制模塊是否準(zhǔn)備好接收命令，如果不是，則繼續(xù)執(zhí)行其它的程序；如果是，則發(fā)電臺控制命令到電臺工作模式和頻率控制模塊。算法流程見圖5。

圖5 DSP端命令傳輸?shù)乃惴鞒虉D

3 電臺自動控制的實現(xiàn)

系統(tǒng)的 PCB板的設(shè)計工作采用 VeriBest完成，VeriBest軟件具有良好的自動推擠式布線功能和引腳自動互換功能（對 CPLD芯片）。PCB板的設(shè)計工作主要分兩步[18]：第一步，在Design Capture中完成原理圖設(shè)計；第二步，VeriBest PCB中進行元器件的布局和布線。如果VeriBest PCB的元器件封裝庫中沒有某些元件的封裝，應(yīng)測量元器件的封裝尺寸，自己畫出封裝并添加到VeriBest PCB的元器件封裝庫中。焊接好元器件的電路板如圖6所示。電臺工作模式和頻率控制模塊軟件在Keil C51開發(fā)環(huán)境中用C語言和匯編語言混合編程開發(fā)。系統(tǒng)測試表明，所設(shè)計硬件和軟件能實現(xiàn)電臺工作頻率和工作模式的自動更換。

4 結(jié)束語

本文介紹了短波信道斜向探測系統(tǒng)的組成與工作原理；對短波信道斜向探測系統(tǒng)中電臺自動控制的硬件進行了設(shè)計，包括電臺工作頻率和模式控制模塊設(shè)計、DSP與電臺工作模式和頻率控制模塊連接電路的設(shè)計、DSP與USB之間連接電路的設(shè)計；設(shè)計了電臺自動控制軟件程序，包括PC端控制程序、DSP端命令傳輸程序和電臺工作模式和頻率控制模塊命令傳輸程序；用電路實現(xiàn)了電臺自動控制的硬件。測試結(jié)果表明，所設(shè)計電路和開發(fā)的程序能實現(xiàn)短波信道斜向探測系統(tǒng)中電臺的自動控制。

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