GPS探空系統(tǒng)通信模塊的DSP設計

高玲娜,姚振東

(成都信息工程學院,成都 610225)

1 引 言

目前,我國高空探測中同時存在L頻段雷達-電子探空儀系統(tǒng)和701雷達-59探空儀系統(tǒng)兩種業(yè)務系統(tǒng),后者是落后的測風系統(tǒng),最終將被淘汰。隨著技術的發(fā)展,GPS氣象探空系統(tǒng)在歐美等發(fā)達國家中得到重視,該系統(tǒng)的測風優(yōu)勢明顯優(yōu)于雷達測風系統(tǒng)。由于GPS高空測風和壓力反算精度高,地面設備無需復雜的發(fā)射、測距和伺服控制系統(tǒng),天線系統(tǒng)簡單,地面設備價格低,設備維護量小,芬蘭VAISALA公司和國內一些公司先后推出了GPS探空儀測風系統(tǒng)。中國氣象局也把GPS探空儀系統(tǒng)作為下一代布網(wǎng)主要設備。

設計一個可靠性高、抗干擾能力和探測性能強、低成本的探空系統(tǒng)具有重要的實踐意義。通信單元是遙測系統(tǒng)最關鍵的環(huán)節(jié),它決定了遙測數(shù)據(jù)的可靠性、實時性和正確性,設計一個遙測系統(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或者其它單片機實現(xiàn)。而本文采用的是糾錯性能更好的向前糾錯碼中的級聯(lián)編碼(RSCC),再加入交織技術,然后使用DSP TMS320VC5402信號處理器,從而得到一個傳輸性能更為良好、抗干擾能力更強、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,驗證了所選方案符合系統(tǒng)要求。

2 數(shù)據(jù)傳輸方案設計

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、接收技術體制既能提高系統(tǒng)抗干擾能力和探測性能,又能降低成本是系統(tǒng)設計師需要精心規(guī)劃的課題。

GPS探空儀通信系統(tǒng)的軟件設計核心是數(shù)據(jù)的編碼及調制方式的選取,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重,且信道兼有隨機錯誤和突發(fā)錯誤,使得誤碼率增大;球載設備在空中姿態(tài)變化時容易產(chǎn)生信道快衰落;天線劇烈晃動會影響信號強度。

結合上述數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺赖奶攸c,采用差錯控制編碼可有效降低系統(tǒng)的誤碼率。擴大接收機的動態(tài)范圍或者提高其靈敏度可接收到更大范圍的信號?？焖ヂ湓斐傻恼`碼為長串誤碼,而不是單獨的。交織技術是將待傳的信息重新排序,這樣可以把突發(fā)的連串錯誤打散,變成單個的錯誤,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的錯誤:一類是隨機性錯誤,即錯誤出現(xiàn)的位置是隨機分布的,各個碼元是否發(fā)生錯誤是互相獨立的,錯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噪聲引起的;另一類是突發(fā)性錯誤,即錯誤是一連串出現(xiàn)的,在一個突發(fā)錯誤持續(xù)時間內,開頭和末尾的碼元總是錯的,中間的某些碼元可能錯也可能對,但錯誤的碼元數(shù)相對較多,這種情況主要表現(xiàn)在移動通信中信號在某一段時間內發(fā)生了衰落或是在某些頻點上受到了電磁干擾等。在隨機錯誤與突發(fā)錯誤并存,且誤碼率較高的無線信道中,為了避免糾錯性能與設備復雜性的矛盾,通常選用級聯(lián)碼的糾錯方式[2]。級聯(lián)編碼通信系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

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

將具有極強隨機誤碼糾錯能力的卷積碼(Convolutional Code)與具有極強突發(fā)誤碼糾錯能力的里德-所羅門(Reed-Solomon)碼級聯(lián),作為本系統(tǒng)所采用的編碼方案。下面對此種級聯(lián)方式進一步闡述。

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

數(shù)據(jù)接收端譯碼時采用維特比(Viterbi)譯碼。Viterbi譯碼算法是一種針對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)與時間的關系,求出碼集中與接收序列有最小距離度量的碼字。在譯碼器中有一個與發(fā)送端一樣的本地編碼器,只不過這個編碼器能遍歷所有的編碼路徑,而譯碼就是在每一個時刻都將這些路徑與接收序列進行距離度量,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 級聯(lián)編碼Matlab仿真

級聯(lián)編碼的仿真框圖如圖2所示。我們用Matlab對RSCC級聯(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,縱坐標為此通信系統(tǒng)的誤碼率,橫坐標為通信系統(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

級聯(lián)碼的誤比特率為

因此,在AWGN信道中,級聯(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聯(lián)編碼在信噪比為4.5dB時,誤碼率即可達到系統(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,加入交織技術的級聯(lián)編碼誤碼率要更低一些。

級聯(lián)編碼與卷積碼在低信噪比時性能接近,是由于RS碼是分組碼,每個碼塊的糾錯能力有限,一旦錯誤超過它的糾錯能力,它就不進行糾錯,以免引入更多的差錯。也就是說,RSCC級聯(lián)碼在低信噪比下相當于只有卷積碼在進行譯碼,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果中的錯誤在RS碼的糾錯能力之內時,RS碼才能把卷積碼譯碼剩余的差錯糾正過來[4]。

RSCC級聯(lián)碼在實際應用中比較廣泛,是一類比較典型的級聯(lián)碼,糾錯性能相對來講也是比較好的,由于卷積碼糾隨機錯誤的能力比較強加上RS碼具有較強的糾突發(fā)錯誤能力[5],使得它們在信噪比較低的情況下就能達到比較低的誤碼率。

4 通信模塊硬件實現(xiàn)

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

4.1 球載通信部分實現(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),進行編碼、合成,將數(shù)字信息進行FSK調制,轉變成射頻信號,發(fā)送給地面接收系統(tǒng)[7]。探空儀數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的硬件結構框圖如圖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)字信號處理器,由于DSP內部沒有FLASH,所以需要用外部的FLASH進行程序的引導和加載[8],且5402有兩個通用串行接口,故選用SPI接口的FLASH-AT25128作為程序加載芯片。在使用5402時,選用IS32LV16作為SRAM,外擴RAM空間。將信號進行處理和編碼后,將數(shù)據(jù)送到并行DA處理器——ADI公司的AD9744。由于DA輸出的電壓信號為離散信號,需要用濾波器進行平滑,對模擬信號的帶寬進行限制。將輸出的信號用ADI公司的大電流輸出寬帶運放AD817進行驅動,然后將信號上變頻到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,解調出數(shù)字信息,進行解碼,輸出為GPS通道數(shù)據(jù)以及PTU(溫濕壓)測量數(shù)據(jù)。探空儀數(shù)據(jù)發(fā)接收模塊的硬件結構框圖如圖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)字信號處理器,將下變頻后的無線信號先通過開關電容濾波器MAX262進行濾波,將帶外的模擬信號濾除,對信號處理和放大后,使用TI公司的并行模數(shù)轉換芯片ADS805對信號進行采集,將采集到的信號送到DSP中,DSP對信號處理后將得到的數(shù)字信號通過串口RS232發(fā)送到計算機終端。

5 結 論

本文將級聯(lián)編碼、交織方案應用于現(xiàn)有GPS探空儀中,并采用TMS320VC5402數(shù)字信號處理器實現(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)體制的提出對促進國產(chǎn)GPS探空系統(tǒng)技術的提高和發(fā)展具有積極的意義。本文的RSCC算法還未在硬件平臺上實現(xiàn),有待進一步研究。

[1] 樊昌信,張甫翊,徐炳祥,等.通信原理[M].北京:國防工業(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.差錯控制編碼與安全[M].北京:國防工業(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,肖國鎮(zhèn).糾錯碼——原理與方法[M].西安:西安電子科技大學出版社,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)傳中糾錯編碼的實現(xiàn)[J].實用測試技術,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.級聯(lián)碼結合交織技術的糾錯性能研究[J].無線電通信技術,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計[J].導航,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,徐長雷.GPS探空儀技術研究[J].現(xiàn)代電子技術,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.