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基于模擬廣播信道的數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)

Digital communicationEarly warning system

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[1]，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。

參考文獻[2]給出了一種基于廣播數(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。參考文獻[3]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)計復雜度，并完全利用現(xiàn)有廣播發(fā)射系統(tǒng)資源，達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。

圖1　系統(tǒng)整體框圖

發(fā)射系統(tǒng)負責信息的發(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)射機進行調(diào)制并發(fā)送。

接收系統(tǒng)負責信息接收和恢復：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行信息提取，并由微處理器進行數(shù)據(jù)解碼，恢復發(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 kB閃存和196 kB 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；包含標準和先進的接口，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、5 V和-5 V。其中，±5 V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6 V，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。

2.2HART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)[4-5]，在4～20 mA模擬信號上疊加一個幅度為0.5 mA、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。

圖2　HART調(diào)制波形圖

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 Mbit/s[6]，可直接通過標準的UART接口與STM32F405通信。部分電路圖如圖 3所示。

圖3　AD5700調(diào)制解調(diào)電路圖

AD5700調(diào)制時，一方面通過UART接口與STM32F405進行串行通信，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)換為標準串口數(shù)據(jù)格式，送入STM32F405進行處理。

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。

2.4FM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 MHz，內(nèi)部集成了4 kB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[7]。其硬件電路設(shè)計如圖 4所示。圖4中，D1、D2為ESD二級保護管。

圖4　FM接收解調(diào)硬件電路圖

將MODE引腳拉低，RDA5820便通過IIC總線接口與STM32F405進行通信，并將FM解調(diào)后的FSK信號送入HART解調(diào)器的HART_IN端，進行HART信號解調(diào)，以恢復數(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。

圖5　程序流程圖

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)進行分類處理等。

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

圖6　通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)示意圖

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)碼是一種在二進制通信系統(tǒng)中常用的差錯檢測方法[8]，通過在原始數(shù)據(jù)后加冗余校驗碼來檢測差錯，其生成原理參考文獻[9]。

文獻[10]給出證明：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，np<1)，當p→0時，1bit錯誤幀在總的錯誤幀中的比率為R→1，表明當比特誤碼率p足夠小的情況下，絕大部分幀錯誤是每幀1bit錯誤，因此糾正每幀1bit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。

表1　許用碼組表

續(xù)表1

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。

表2　出錯位與校驗結(jié)果關(guān)系

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)進行糾錯,其糾錯流程如圖 7所示。

圖7　糾錯程序流程圖

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 dBi，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。

表3　平均誤碼率與傳輸距離關(guān)系

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。

[1] 陳澤虎,倪林,嚴杰.一種調(diào)頻廣播數(shù)據(jù)接收顯示系統(tǒng)的設(shè)計[J].電視技術(shù),2014,38(15): 114-117.

[2] 李丹.基于FM-RDS技術(shù)的災(zāi)害性天氣預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計[D].鄭州: 鄭州大學,2013.

[3] 周紅燕.基于模擬廣播信道的文字信息發(fā)布系統(tǒng)[D].蘇州: 蘇州大學,2011.

[4] Hu F Z,Chen G L.Design and implementation of HART physical layer for smart transmitters[J].Applied Mechanics and Materials,2014: 530-531,1130-1133.

[5] Johnson T.HART communication networks are improved by small,flexible,low-power modem ICs [J].Analog Dialogue,2012,46(4): 21-23.

[6] 張燕,沈昱明.基于AD5700的HART協(xié)議通信接口設(shè)計[J].火控雷達技術(shù),2015(1): 188-190.

[7] 王曉峰,王素香,武曉威,等.基于STC12LE5A16S2和RDA5820的校園調(diào)頻無線廣播系統(tǒng)的設(shè)計[J].電力學報,2013,28(5): 433-437.

[8] 周建紅,劉曉斌,張超.ADS-B系統(tǒng)應(yīng)答的一種糾錯算法設(shè)計與實現(xiàn)[J].火控雷達技術(shù),2011,40(3): 91-95.

[9] 蒲朝飛,張超.一種改進的循環(huán)冗余校驗糾錯技術(shù)[J].微電子學與計算機,2014,31(4): 83-86.

[10]楊杰,朱建鋒,安建平.無線傳輸中的循環(huán)冗余校驗碼糾錯應(yīng)用擴展[J].北京理工大學學報,2005,25(8): 726-729.

Digital Information Transmission System Based on Analog Broadcast Channel

楊俊江虹張秋云

(西南科技大學信息工程學院，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)

Abstract：Aiming at the disadvantage of low resource utilization in some of the broadcast channels, a digital information transmission system based on analog broadcast channel is proposed, and a forward error correction algorithm combining CRC and even-parity check is designed to reduce the error bit rate (BER) of the system. With STM32F405 as the core processor, and using HART modem AD5700, the modulation and demodulation of digital signals are implemented. The system realizes transceiving of digital information based on existing radio transmitting station. Experimental results show that the system features reliable data transmission, low bit error rate, strong practicability, and high popularization value, and provides an effective way for digital communication.

Keywords:Broadcast channelHART modemForward error correction algorithmBit error rate(BER)Cyclic redundancy check(CRC)

中圖分類號：TP302+.1;TH89

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604010

中國工程物理研究院委托基金資助項目(編號：15zh0012)。

修改稿收到日期：2015-08-25。

第一作者楊俊(1991-)，男，現(xiàn)為西南科技大學信息與通信工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事通信與信息處理方向的研究。