楊曉波,夏 爽,張鵬泉

（天津光電集團,300000）

0 引言

短波AM廣播覆蓋范圍大、傳輸距離遠、接收機簡單、價格低廉，一直被世界各國作為首選信息傳播的技術(shù)手段。由于技術(shù)的限制，傳統(tǒng)調(diào)幅廣播節(jié)目的單一性，易遭受由于電離層變化和頻率選擇性衰落而導(dǎo)致的固有傳輸干擾，收聽聲音質(zhì)量不高等缺點愈加突出。為了將AM波段的模擬調(diào)幅廣播數(shù)字化，DRM (世界數(shù)字廣播組織)與世界各國建立了世界通用的數(shù)字AM廣播標(biāo)準，并推廣數(shù)字AM廣播技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

短波DRM通信系統(tǒng)包括4部分，人機交互界面、信源部分、信道部分部分和收發(fā)信機部分?？傮w設(shè)計框圖如圖1所示：

1.1 人機界面部分

人機界面部分由液晶顯示器、按鍵組成。液晶顯示器旁邊設(shè)置一組按鍵，通過按鍵輸入相應(yīng)的參數(shù)。人機界面采用成本低廉且外圍簡單的單片機完成屏幕控制和按鍵檢測，并將設(shè)置和改動的結(jié)果發(fā)送給單板計算機。

1.2 信源接口部分

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖

信源接口部分支持綜合業(yè)務(wù)終端、計算機或音視頻編解碼設(shè)備等。為了適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的需要，DRM短波通信系統(tǒng)提供三種業(yè)務(wù)信源接口：

（1）數(shù)據(jù)通道——連接的數(shù)據(jù)終端可以是計算機、綜合業(yè)務(wù)終端（如802）、視頻或音頻壓縮編碼設(shè)備等。該通道提供最大的傳輸容量，以滿足數(shù)據(jù)通信的需求；

（2）聲碼通道——能夠連接各種聲碼設(shè)備。根據(jù)不同的聲碼器壓縮的音頻數(shù)據(jù)的流量，該通道能夠在4.8、3.6、2.4、1.2和0.6Kbps切換。該通道不使用時能夠關(guān)斷，以便為數(shù)據(jù)通道提供盡可能大的數(shù)據(jù)帶寬。

（3）字符通道——能夠連接各種字符收發(fā)設(shè)備（例如：在計算機上運行超級終端程序）。該通道只有100bps的速度，目的是為通信雙方提供一個能即時交流的信息通道。例如短信息服務(wù)。

所有的信源設(shè)備都復(fù)用一個LAN口。服務(wù)的區(qū)分在單板機上的網(wǎng)口控制程序中實現(xiàn)。信源接口部分負責(zé)和信源設(shè)備通信獲取信源設(shè)備的信息，并和它們進行信息交互實現(xiàn)流控制，狀態(tài)控制功能。

1.3 信道部分

信道部分是本次研發(fā)的主體，主要由基帶部分和數(shù)字上下變頻部分組成。

1.3.1 數(shù)字基帶部分

數(shù)字基帶部分完成對信源信息的處理使得他們適合在無線信道上發(fā)送，具備一定的抗突發(fā)干擾、抗差錯能力，并和無線信道的傳輸能力相匹配。將其劃分為如下3部分：

（1）復(fù)用過程和解復(fù)用過程：為了實現(xiàn)三種業(yè)務(wù)的同步發(fā)送，需要對3種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)復(fù)用到一個復(fù)用幀中。復(fù)用過程需要根據(jù)當(dāng)前的配置計算出復(fù)用幀的長度，并根據(jù)這個長度按照一定的優(yōu)先級為3個業(yè)務(wù)分配比特率；為了接收機能夠順利接收和解復(fù)用，在這個候還要生成FAC信道數(shù)據(jù)和SDC信道數(shù)據(jù)。

（2）信道編譯碼部分：對MSC、FAC和SDC通道的數(shù)據(jù)進行編碼處理。對它們進行能量擴散減少連續(xù)的0或1出現(xiàn)的可能性；對MSC信道數(shù)據(jù)進行碼流分區(qū)，以便對不同錯誤保護要求的業(yè)務(wù)進行分級保護、分級編譯碼按照碼流分區(qū)的結(jié)果進行不同級別的卷積編譯碼；位交織操作是在分級編碼區(qū)域內(nèi)對位進行交織，增加系統(tǒng)的抗突發(fā)錯誤能力；根據(jù)用戶要求將比特按規(guī)定的星座圖進行QAM映射；

（3）OFDM調(diào)制解調(diào)：在這一部分生成導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，組織傳輸超幀，并進行頻域到時域的變換操作。對于接收，還要做一個同步過程，重新獲得超幀。系統(tǒng)的同步過程應(yīng)該是系統(tǒng)中最核心的技術(shù)

數(shù)字基帶通過USB2.0和數(shù)字中頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制傳輸。組織后的傳輸超幀和控制信息組織后傳輸?shù)綌?shù)字中頻，由數(shù)字中頻進行進一步處理。

1.3.2 數(shù)字中頻

數(shù)字基帶的核心器件是一塊FPGA。另外有一塊單片機實現(xiàn)USB2.0通信和控制功能。

（1）數(shù)字上變頻：將基帶信號變成適合發(fā)信機的射頻信號。為了能連接各種現(xiàn)役的短波無線電信道設(shè)備，DRM短波通信系統(tǒng)中頻輸出頻率范圍為0.1～5MHz，輸出幅度為-18～+1db；

（2）數(shù)字下變頻：將接收機的中頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合數(shù)字基帶處理的基帶信號。為了能連接各種現(xiàn)役的短波無線電信道設(shè)備，DRM短波通信系統(tǒng)中頻輸入頻率范圍為12～500KHz ，輸入幅度為-35～-5dbm。

1.4 收發(fā)信機部分

收發(fā)信機可以使用各種型號的短波發(fā)信機和短波收信機。因為短波DRM通信系統(tǒng)提供的是帶寬為4.5～20KHz的正交頻分復(fù)用信號，無法通過收發(fā)信機的音頻接口（收發(fā)信機的音頻接口帶寬限制一般為300～3000Hz，只有2.7KHz的帶寬），只能通過收發(fā)信機的中頻口進行連接。為了保證中頻連接不受連接線路的影響，在發(fā)信機和收信機中安裝一個連接盒，對外部線路進行隔離。

2 硬件組成

DRM短波通信系統(tǒng)的硬件是由人機交互板、單板計算機和中頻合成單元和加密模塊四部分組成，如圖2所示。人機界面部分負責(zé)顯示狀態(tài)和接收控制輸入；單板機進行整個信道編解碼和調(diào)制解調(diào)處理；數(shù)字中頻合成單元，進行數(shù)字上下變頻和數(shù)字濾波，產(chǎn)生中頻信號。聲碼器是外購件，用于語音編碼；加密模塊用于特殊通信。

2.1 人機交互設(shè)備

人機界面部分的作用是設(shè)定設(shè)備運行方式，包括對帶寬、信道適應(yīng)模式、交織、QAM調(diào)制、信道編碼率及聲碼話復(fù)用等參數(shù)的控制，同時也顯示出當(dāng)前的狀態(tài)。人機界面設(shè)備是一塊印制板，屏幕、按鍵、蜂鳴器、單片機固定在一塊印制板上，印制板固定在機箱前面板。

圖2 DRM短波通信系統(tǒng)的主要構(gòu)成

2.2 單板計算機

選擇使用Intel/英特爾的D2500HN，用于實現(xiàn)基帶部分功能，主要包括信源處理、信道編譯碼和OFDM調(diào)制解調(diào)三個部分，它還要完成和人機界面的通信功能，實際是一個功能強大的小型化PC，其接口能夠滿足各種內(nèi)外板卡連接需求，通過專門的調(diào)制軟件即可實現(xiàn)信號處理和信道編碼等功能。

2.3 中頻合成單元構(gòu)成和主要器件

中頻合成單元基于軟件無線電技術(shù)，采用大規(guī)?？删幊唐骷约案咚贁?shù)模轉(zhuǎn)換器件，產(chǎn)生低雜散、低相噪的高性能中頻信號，其輸出中頻范圍為0.1～5MHz，輸入中頻信號范圍為12～500KHz；可與目前大多數(shù)在役通信發(fā)射機和接收機匹配。此外，為實現(xiàn)與原有通信系統(tǒng)兼容，中頻合成模塊還為發(fā)信機連接盒提供中頻切換指令。

中頻合成單元主要由MCU、FPGA、高速A/D、D/A和輸出濾波器組成，如圖3所示。

3 軟件主要組成

3.1 人機交互

人機交互部分主要功能是完成對信道參數(shù)的控制管理。全部參數(shù)管理分為：帶寬選擇、信號適應(yīng)模式選擇、交織周期選擇、QAM調(diào)制選擇、碼比選擇和話路狀態(tài)選擇六個模塊。除了對參數(shù)的設(shè)置管理，人機交互還將顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)。

3.2 DRM短波通信系統(tǒng)基帶軟件

基帶部分的功能依靠運行于單板計算機的軟件實現(xiàn)。經(jīng)過對DRM體系標(biāo)準的研究，將軟件分為發(fā)送過程和接收過程，每個過程又分接口、信道編譯碼、OFDM處理和過程控制4個部分。它們協(xié)同工作共同構(gòu)成一個完整的DRM收發(fā)系統(tǒng)。

3.2.1 發(fā)送過程主要處理

下面描述一個完整的發(fā)送過程：

（1）接口處理：接口處理部分要對信源的數(shù)據(jù)進行分類和預(yù)處理。

（2）復(fù)用幀構(gòu)造處理：這部分將接口部分的數(shù)據(jù)進行整合，組成一個可以用于后期進行分級編碼的復(fù)用幀。它由一系列的自功能構(gòu)成。

（3）信道編碼：將復(fù)用幀、FAC、SDC數(shù)據(jù)進行信道編碼，它包括如下部分。

1）能量擴散：使用一個511位周期的偽隨機序列和原始數(shù)據(jù)進行模二加，防止位之間的連續(xù)出現(xiàn)。

2）碼流分區(qū)：根據(jù)UEP保護的要求，對服用幀中重位進行分區(qū)，這些不同分區(qū)的位將被進行不同級別的編碼。

3）卷積編碼：根據(jù)DRM標(biāo)準的要求對碼流進行卷積編碼。

4）編碼壓縮：根據(jù)編碼等級和DRM要求的壓縮矩陣，對已編碼的數(shù)據(jù)流進行壓縮

5）位交織：對于壓縮后的數(shù)據(jù)進行位交織，分散系統(tǒng)的突發(fā)錯誤敏感度。

（4）QAM映射處理：編碼之后將碼流進行QAM映射并通道幀。

（5）超幀構(gòu)成處理，對于MSC、FAC和SDC的QAM符號放置到合適的位置，構(gòu)成一個真正的傳輸超幀。

由于Intel Atom系列處理器均支持超線程技術(shù)，每一個部分編制獨立的線程，提高系統(tǒng)的并行運行能力，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.2.2 接收過程主要處理

接收過程是發(fā)送過程的逆過程，在程序?qū)崿F(xiàn)上并不是完全和發(fā)送相反，它的順序和發(fā)送并不完全對應(yīng)。

（1）同步和OFDM解調(diào)，該部分內(nèi)容是整個DRM短波通信系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，它包含了如下子功能：

1）采樣頻率校正：由于A/D轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生采樣頻率的偏移，它會對接收機的性能產(chǎn)生影響，需要對變換后的數(shù)字信號進行采樣頻率估計。

2）同步捕獲階段：完成頻率粗同步、時間粗同步、模式檢測和幀同步。

3)同步跟蹤階段：完成頻率細同步、時間細同步和采樣率偏移估計。

4)OFDM解調(diào)：對除去保護間隔的DRM碼元信號進行FFT，完成信號從時域到頻域的轉(zhuǎn)換。

5)信道估計：基礎(chǔ)是信道本身具有的時域、頻域相關(guān)性，并基于統(tǒng)計信號處理的最優(yōu)化準則。DRM系統(tǒng)的信道估計是利用均勻分布存時域和頻域的增益導(dǎo)頻通過不同的插值方法得到每個子載波上的信道沖擊響應(yīng)據(jù)此完成信道估計。信道估計中用的插值方法有線性插值、DFT插值和維納插值等。

(2)超幀解構(gòu)處理，從解調(diào)后的超幀中提取出三個通道的相關(guān)信息。

(3)QAM去映射，把QAM分量變換成比特流。

(4)信道譯碼處理：主要完成信道的分級譯碼工作。

(5)復(fù)用幀解構(gòu)：對復(fù)用幀進行解構(gòu)，恢復(fù)到服務(wù)。

(6)接口處理：接口處理根據(jù)SDC的信息，將碼流分配給合適的信源。

4 結(jié)論

DRM短波通信產(chǎn)品能夠廣泛應(yīng)用于各種艦船和陸地通信站，具有良好的前景，還可推廣到其它應(yīng)用領(lǐng)域，將會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。

圖3 中頻合成單元硬件組成原理