周駿鶴, 姚振東

(成都信息工程學(xué)院 中國氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，成都 610225)

具有信道編碼功能的氣象探空數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)※
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周駿鶴, 姚振東

(成都信息工程學(xué)院 中國氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，成都 610225)

探空數(shù)據(jù)通過無線電傳輸至地面，需要解決頻道窄和干擾強(qiáng)的問題，采用低功耗單片集成發(fā)射機(jī)芯片ADF7012和超低功耗高性能單片機(jī)MSP430F2132，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有4×4數(shù)據(jù)交織和CRC校驗(yàn)功能、載波頻率可設(shè)置的探空數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)。測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)射信號(hào)的頻譜特性、發(fā)射功率和信道編碼功能，符合設(shè)計(jì)要求，能滿足探空數(shù)據(jù)傳送的需要。

無線傳輸；高斯頻移鍵控；ADF7012

引 言

本文介紹了一種基于ADF7012芯片所設(shè)計(jì)的GFSK調(diào)制系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)置可以提供75 MHz～1 GHz頻道選擇，可編程輸出功率為-16～14 dBm，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)、數(shù)據(jù)4×4交織功能，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并改善移動(dòng)通信的傳輸特性，解決了頻道窄和干擾強(qiáng)等傳統(tǒng)問題。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

圖1 硬件框架圖

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)采用了TI公司的MSP430F2132單片機(jī)[1]，它是一種16位超低功耗單片機(jī)，具有較高的處理速度，工作電壓為1.8～3.6 V；在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片電流在200～400 μA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1 μA。考慮到超低功耗的特性，選擇此芯片作為主控制器可以有效提高發(fā)射機(jī)效率。 MSP430F2132單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

調(diào)制芯片采用了ADI公司的ADF7012[2]，它是一款低功耗ASK/FSK/GFSK的UHF發(fā)射機(jī)，用于短程無線設(shè)備(SRD)。輸出功率、輸出通道、偏移頻率和調(diào)制類型均可通過4個(gè)32位寄存器編程設(shè)置，利用小數(shù)N分頻和帶有外部電感的VCO,用戶可以選擇50 MHz～1 GHz頻段內(nèi)的任何頻率，具體方法是對(duì)寄存器R REGISTER的R1～R4位和寄存器N-COUNTER LATCH中的M1～N8位賦值。本設(shè)計(jì)中選擇的工作頻率為400 MHz。小數(shù)N分頻PLL具有快速鎖定時(shí)間特性，因此ADF7012適合快速跳頻系統(tǒng)，精密頻率偏移和PLL相位噪聲性能也有助于窄帶操作，其工作電壓為2.3～3.6 V，可編程的輸出功率-16～+14 dBm，步進(jìn)為0.4 dB。

ADF7012外圍電路原理圖如圖3所示。

圖2 MSP430F2132單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

圖3 ADF7012外圍電路原理圖

1.1 生成載波

鎖相環(huán)是頻率合成技術(shù)的基礎(chǔ),是載波頻率生成的核心。鎖相環(huán)基本原理如圖4所示。

圖4 鎖相環(huán)基本原理

圖4中，輸入信號(hào)為Vi(t)，輸出信號(hào)為Vout(t)。將Vout(t)直接反饋到輸入端，即可看成反饋網(wǎng)絡(luò)傳輸系數(shù)為1，這種反饋系統(tǒng)叫做單位反饋系統(tǒng)。經(jīng)環(huán)路的自動(dòng)反饋控制后，輸出信號(hào)的角頻率等于輸入信號(hào)的角頻率；輸入、輸出信號(hào)的相位差達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值(即相當(dāng)小的穩(wěn)態(tài)相差0)，環(huán)路達(dá)到“鎖定”(即保持相位同步1)。鑒相器是進(jìn)行相位比較的裝置，它把壓控振蕩器的輸出信號(hào)Vout(t)與輸入信號(hào)Vi(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差的誤差電壓Vd(t)。環(huán)路濾波器的作用是，濾除誤差電壓Vd(t)中的高頻分量和噪聲，以保證系統(tǒng)所要求的性能，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在ADF7012芯片中，鎖相環(huán)路對(duì)高穩(wěn)定度的參考振蕩器(晶體振蕩器)鎖定,環(huán)路串接可編程的程序分頻器,通過編程對(duì)寄存器進(jìn)行操作，可以改變程序分頻器的分頻比R與N ,從而獲得參考頻率的穩(wěn)定輸出。所以輸出載波的中心頻率可以通過對(duì)ADF7012的寄存器進(jìn)行配置。經(jīng)過PLL輸出 FOUT，通過配置ADF7012的寄存器R REGISTER可以選擇輸出頻率FOUT的分頻數(shù), FOUT=Fvco/2a，未使用分頻功能時(shí)，a=0。

頻率合成器輸出頻率FOUT與晶體振蕩器參考頻率FCRYSTAL的關(guān)系如下：

(1)

其中，F(xiàn)CRYSTAL為晶振頻率，它的值為9.830 4 MHz；N=NINT+NFRAC/212，由寄存器N-COUNTER LATCH決定，分為整數(shù)部分和分?jǐn)?shù)部分，因?yàn)榧拇嫫髦蟹謹(jǐn)?shù)部分是12位二進(jìn)制數(shù)，需轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的小數(shù)，所以作了除法運(yùn)算。

根據(jù)上述推導(dǎo)可得：

(2)

且

(3)

其中,R是分頻系數(shù)，可以通過寄存器配置,這里設(shè)置的是R=6，則FPFD=1.638 4 MHz。

根據(jù)式(2)可以得到NINT=244，NFRAC=576。將十進(jìn)制換算成二進(jìn)制，就可以寫入寄存器N-COUNTER LATCH中進(jìn)行配置。

1.2 調(diào) 制

在頻移鍵控調(diào)制模式下，除了確定中心頻率外，還需要設(shè)置跳變頻率，這里設(shè)置為50 kHz的頻偏FDEVIATION。

介紹兩種頻偏設(shè)置方式，分別在GFSK和FSK模式下進(jìn)行。在GFSK模式下，需要對(duì)寄存器Moudulation REGISTER中的MC1～MC3位進(jìn)行設(shè)置，對(duì)應(yīng)的是m系數(shù)的取值，本設(shè)計(jì)中取m=7，可得：

(4)

FSK模式下設(shè)置頻偏的原理框圖見圖5。TXDATA在每一個(gè)1/FPFD周期內(nèi)進(jìn)行采樣，根據(jù)+FDEV和-FDEV的值決定鎖相環(huán)鎖定到的新頻率是(FCENTER+FDEV)還是(FCENTER-FDEV)，F(xiàn)CENTER是載頻中心頻率，設(shè)置為FCENTER=400 MHz。

圖5 頻偏原理框圖

需要計(jì)算出頻偏的步進(jìn)：

(5)

可以求得頻偏：

(6)

其中,MoudulationNumber是調(diào)制步長的計(jì)數(shù)，計(jì)算得到MoudulationNumber=600，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制后寫入寄存器Moudulation REGISTER中的D1～D9位，即完成了對(duì)頻偏的設(shè)置。相關(guān)的參數(shù)還有頻偏修正FOFFSET，同樣是在寄存器中進(jìn)行配置。

1.3 環(huán)路濾波器

硬件電路中有兩個(gè)比較重要的濾波器模塊，分別是鎖相環(huán)環(huán)路濾波器與輸出的匹配濾波器。這里僅介紹環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)，首先環(huán)路濾波器是頻率合成器中重要組成部分，頻率合成器的框圖略——編者注。

本設(shè)計(jì)選用的環(huán)路濾波器為無源濾波器, 電路形式為CPP_3C。由于環(huán)路濾波器受影響因素多、需滿足的參數(shù)指標(biāo)高, 所以, 其設(shè)計(jì)難度較大。ADISimPLLVer2 模擬軟件的推出, 有效地解決了環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)問題。在運(yùn)行ADISimPLLVer2 之后, 新建一個(gè)設(shè)計(jì)界面, 并按提示順序, 輸入相應(yīng)的參數(shù)。

模擬出來的PLL相位噪聲結(jié)果如圖6所示。

圖6 相位噪聲的模擬結(jié)果

可見在測(cè)試頻率為400 MHz時(shí)，偏離載頻1 kHz、10 kHz、100 kHz時(shí)的相位噪聲分別為-83.58 dBc、-72.05dBc、-86.99dBc。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制芯片MSP430F2132是超低功耗MCU，編程語言采用C語言。在主程序中，先對(duì)MSP430F2132單片機(jī)進(jìn)行了程序的初始化，包括關(guān)閉開門狗、定義I/O口功能、并對(duì)ADF7012的寄存器進(jìn)行配置，根據(jù)芯片資料，選擇了調(diào)制模式為GFSK，并提供400～406 MHz的頻率選擇，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)、4×4交織功能，PC機(jī)可通過串口向MSP430F2132發(fā)送重置發(fā)送頻率的命令，溫濕傳感器將數(shù)據(jù)通過MSP430F2132的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)至單片機(jī)中，經(jīng)過處理后發(fā)送給ADF7012。

2.1 主程序

發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程如圖7所示。發(fā)送數(shù)據(jù)模塊具體見圖8。

圖7 發(fā)射機(jī)軟件主流程圖

圖8 發(fā)送數(shù)據(jù)模塊

2.2 信道編碼

在實(shí)際的通信中,由于各種噪聲及其他不可預(yù)知的因素,不可避免地造成傳輸?shù)男畔㈠e(cuò)誤。這種錯(cuò)誤的特性與信道及系統(tǒng)特性有關(guān)，糾正此類錯(cuò)誤,可使用CRC校驗(yàn)碼。

2.2.1 數(shù)據(jù)交織

為了改善移動(dòng)通信的傳輸特性,運(yùn)用了交織編碼技術(shù)。但不可避免的，交織編碼處理時(shí)間越長，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延也越大，交織編碼是以時(shí)間為代價(jià)的。

2.2.2 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼

接收及解碼方式，將接收到的碼元除以G(x)得到一個(gè)數(shù)，如果這個(gè)余數(shù)為0，則判定無錯(cuò)誤發(fā)生，否則說明傳輸有誤。關(guān)于G(x)的選擇，多見于美國所采樣的一種循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，標(biāo)準(zhǔn)選定略、具體實(shí)現(xiàn)程序略——編者注。

3 綜合與測(cè)試

通過PC機(jī)把程序植入硬件板，則通過銅絲全向天線發(fā)射出經(jīng)過GFSK調(diào)制后的數(shù)據(jù)，通過頻譜分析儀接收到發(fā)射的數(shù)據(jù)并顯示，載波頻率為400 kHz。頻譜分析儀上的顯示略——編者注。這里顯示的數(shù)據(jù)是直接將SAM頭焊接在輸出端并與儀器連接測(cè)試所得，所以是無天線增益的數(shù)據(jù)，可以看到信號(hào)頻率為400.06 MHz，發(fā)射功率為4.22 dBm。

自由空間傳播時(shí)的無線通信距離的計(jì)算方法如下：

Los=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)

(7)

所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，即理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。

假設(shè)接收機(jī)靈敏度為-100 dBm，那么根據(jù)已知的發(fā)射功率4.22 dBm,發(fā)射頻率400.06 MHz，可以計(jì)算出理想情況下的傳輸距離，計(jì)算如下：

Los=4-(-100)=104dB

104=32.44+20lgd(km)+20lg400.02(MHz)

d=10 km

得出結(jié)論,在理想情況下的傳輸距離約為10 km，考慮到實(shí)際數(shù)字接收機(jī)設(shè)立在室內(nèi)，因此需要對(duì)真實(shí)傳輸距離進(jìn)行估算，這里設(shè)定大氣以及阻擋物等造成的損耗為20 dB，可以得到：

84=32.44+20lgd(km)+20lg400.02(MHz)

d=946 m

使用了接收機(jī)來對(duì)此系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試環(huán)境在室外，經(jīng)無線接收天線將無線電波引入室內(nèi)，室內(nèi)接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，以獲取更大增益的發(fā)射機(jī)調(diào)制信號(hào)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在成都信息工程學(xué)院氣象觀測(cè)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試5組數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件：室溫，測(cè)試距離約500 m，發(fā)射機(jī)發(fā)送功率4 dBm，安裝接收天線。無誤碼發(fā)生。

結(jié) 語

本文介紹了基于ADF7012設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)系統(tǒng),該系統(tǒng)工作在400～406 MHz頻帶內(nèi)，調(diào)制模式為GFSK，頻偏為50 kHz，發(fā)射功率可設(shè)置范圍為-16～14 dBm;在發(fā)射功率為10 dBm時(shí)即可以滿足探空20 km的要求，后續(xù)可以加入功率驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)，以達(dá)到240 km的探空距離標(biāo)準(zhǔn)。該發(fā)射機(jī)性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了所有設(shè)計(jì)功能，符合設(shè)計(jì)要求。

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周駿鶴(碩士研究生),研究方向?yàn)榇髿馓綔y(cè)信息處理；姚振東(教授)，研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)與信號(hào)處理。

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收修改稿日期：2015-02-14)

Meteorological Sounding Data Transmitter with Channel Coding Function※

Zhou Junhe,Yao Zhendong

(CMA Key Laboratory of Atmospheric Sounding,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)

The sounding data is transmitted to the ground through the wireless network,which needs to solve the problems of channel narrow and strong interference.A sounding data transmitter which carrier frequency can be set is designed using the low power integrated transmitter chip ADF7012 and ultra low power and high performance microcontroller MSP430F2132,which has 4×4 data interleaving and CRC checksum function.The test results show that the functions such as spectrum characteristic,transmitter power and channel coding function,comply with the design requirements,the system meets the need of the sounding data transmission.

wireless transmission;gauss frequency shift keying;ADF7012

基準(zhǔn)探空儀系統(tǒng)及觀測(cè)方法研究(公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目)(項(xiàng)目編號(hào)：GYHY201306072)。

TN98

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