（信号与信息处理专业论文）数字对讲与遥爆控制系统基带软硬件实现研究.pdf

中文摘要 中文摘要 本文设计的遥爆系统，是石油勘探过程中的一个重要设备，主要功能为震源 激发、与震源激发同步的井口数据采集、采集数据的无线传送、同时具有无线对 讲功能以保障勘探队内部的语音通信。本文提出了为实现以上功能的全数字化设 计方案。 系统中的任何一台设备经过配置后，都可以作为编码器( e n c o d 盯) 、译码器 ( d e c o d e r ) 、或者是中继器( r e p e a t e r ) 进行工作。其中，编码器主要负责发送点 火命令以及系统同步；译码器主要负责系统同步和引爆雷管。也就是说，在相同 的硬件平台上，设备可以工作在不同的模式，实现不同的功能，而各种工作模式 之间的切换主要通过软件完成。 本文首先分析了无线信道的基本特性，并根据本文的具体应用环境，得到相 应的信道参数，给出了相应的改善信道链路特性的方法。相应的算法涉及卷积编 码、v i t e r b i 译码、交织与反交织等。 本文所提出的具体设计方案，包括硬件和软件两部分。硬件方案是以 田讧s 3 2 0 v c 5 4 0 9 和x c 2 s 3 0 0 e 为核心的语音对讲与遥爆控制系统硬件平台的搭建。 该硬件平台为整个系统的实现提供了硬件基础； 本文重点阐述了软件系统的实现，具体包括：( 1 ) 软件系统框架的设计；( 2 ) 软 件任务在各处理器上的分配；( 3 ) 通信协议的设计与实现；( 4 ) 同步系统的设计与实 现；( 5 ) 控制指令的设计和识别；( 6 ) 信道链路特性改善技术的具体实现等。在论文 中详细给出了各个软件模块的设计目标和具体实现方法，以及相关的仿真结果和 性能指标。 通过采用本论文的软硬件设计方案，能够实时地进行语音、数据和控制命令 通信，实现了系统的设计目标，也验证了该方案的可行性。最后，本文还对本系 统的实际测试结果进行了分析，指出了存在的问题和不足，分析了原因，并给出 了相应的改进方案。 关键孚：，i m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 ，x c 2 s 3 0 0 e ，同步，t e r b i 译码，交织 月慨缸a c t a b s t r a c t r 1 1 坞t e l e c o n t r o l l e de x p l o d i i 培s y s t 锄d 鼯i g n e db yt h i sm 铝i si si m p o r t a n te q p i p m t i np c t r o l e 咖p r o s p e c 吐n g ni sm a i 】n l yt 0 c o n l p l i s he p i c e n t 盯c x p l o s i o n ，d a 土as 柚1 p l i n g a tt h em o u l l lo ff h e w e s y n d h r o n i z c dw i l hl h e 印i c c m 日e x p l o s i o n ，w i r e l e s s 仕锄s f o 皿a t i o no fl h es 趾l p l e dd a t a ，粕d 晡疽r e l 鼯si n t e r p h o n ew _ i l i c hi 8t o 咄em e s p e e c hc o m m _ i l l 】i c 缅nb e t w e e nm 锄b e 陪i nt h e 【p e d i 吐o n t h ed i 百t a ld e s i g nt 0 a c c o m p l i s ht h o s ef i l n c 虹o n si sp i o p o s e di ni h el h 铝i s a n yc q 嘞e n t i n 也es y s t e m 锄b es e t 瑟强a l c o d e r ，ad e c o d e ro rar 印e a t e e n c o d 盯i st os 饥di 则t i o no r d 盯缸d 明s u ms y s t c i ns y l 妇n i z a 6 0 n d e c o d e ri st o 衄s u r es y s t 锄s y n 6 t l r o l l i z a t i o na 1 1 di g t l i t ee ) 【p l o d 既ho t l l 盯w o r d s ，e q u i p m 翎曲c a n w o 墩i nd i f f i e r e l l tm o d e so nm eu n i q u eh 冰1 w a r ep 1 删t 0a c c 锄叩l i s hd i 侬棚l t f i l n c t i o n s ，w h i c hi sa c c o m p l i s h e db yt l l es o f t w a r e n f i 粤i 础o n f i r s to f 枷，l h eb a s i cc h 盯a c t e r i 出c s0 f1 h ew i r e l e s sc h 弛n c l 缸ea n a l y z e d ，a n dt h e c o r r c s p o n d i i l gc h a n n e lp a r 锄e t a 瞪。a c c o r d i i l gt ot h e 印p l i c a t i o n 啊r 0 i l i n e n ta r eg a i n c d a n dt h e 重lm ec o 仃e s p o n d i n gt e c h n o l o 舀嚣i n c l u d i n gc o n v o l u t i o nc o d i n 舀v i t e r b i d e c o d i i l 岛i n t 础a c e 她dd e l i n t c d a c c ，觚ds oo n t or e f b 衄t h ec h a e ll i n ka r ed i s c u s s e d t h ep r o p o s e di i n p l e n l e n t a t i o ni n c l u d 髂h a r d 、张r ea 1 1 ds o r w a r e f o rh a r d w a r c ，a p l 缅肌f o rs p d hj n t e i p h o n ea n dt d e c o n 虹o l l e de x p l o d i i 鸣s y s t e mi sa c c o m p h s h e d w i t h1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 锄dx c 2 s 3 0 0 e 鲢t 1 1 ec o r e ，w h i c hp r o v i d 舒l eh 小l w a r e f o u n d a t i o nf o r t h ew h o l es y s t e m s o 胁a 地i m p l e m t a t i o ni s 锄p h a s i z e di nt h i sm e s i s ，i n d u d i n g ：( 1 ) d c s i 弘o fn l e s o f t w a r e 矗撇ew o r j 【，( 2 ) a ss i _ g i l 娟o no ft h et a s l 【st oe a 6 hp r o c 鼯s o r ，( 3 ) d e s i 伊吐n ga n d i m p l e m 伽侧o no ft h e m i m m i c a t i o np m t o c o l s ，( 4 ) d 锶i g n 觚di m p l e m 锄t a t i o no ft h e s y n c h r o i l i z a t i o ns y s t 吼，( 5 ) d e s i 盟觚di d e m m 硎o no ft h cc o n 舡o li i l s t n l c t i o n s ，( 6 ) i m p l e m e n t a t i o n so ft h ct e c h n o l o 百e st 0r e f 0 皿t h ed h a n n e ll i n ka n ds 0o mt h eg o a l s a n dm 甜l o d st 0a o c o m p l i s hm o s ed e s i 朗a t i o 潞a d i s 伽s e di nd e t a i li i lt 1 1 et h c s is 1 1 l c 匹r c 印o n d i n gs i 玎m l a t i o nf e s u l t sa n dp 曲咖锄c 龆a r ca l s od i s c u s s e d r e a l t i m ec 0 删n u n i c a t i o no fs p e e c h ，d a t aa n dc o n 圩0 l m e s s a g ch b e e | l a c c o m p i i s h e db yl h ep r o p o s e dd e s i 防i ht h el h e s i s 1 1 l et c s tr e s u l t sa r ea n a l y z e d ， i t a b s t m c t p r n b l 黜孤di n s u 伍c i c i a r cp o i n t c do u t ，a n dt h ei m p r o v 锄t sf o rm t u r ep l a na r e a l m s c u s s e d k e y w o r d s ：t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 ，x c 2 s 3 0 0 e ，s y 功幽i l i z a t i o l l t 盯b id e c o d i n g ，i n t c r l a c e 图目录 图目录 图2 1 卷积编码的一般结构图9 图2 2 状态转移图1 0 图2 3 ( 2 ，1 ，2 ) 卷积编码网格图。1 0 图2 4 分组交织器生成示意图1 2 图3 - 1x c 2 s 3 0 0 e 的内部结构。1 6 图3 - 2 系统框图1 7 图3 - 3d s p 寄存器配置流程1 9 图3 4m c b s p 配置流程2 0 图3 5d m a 配置流程2 l 图3 6d s p 与心的连接电路2 2 图3 7 c 总线协议时序图2 2 图3 8t l 、，3 2 0 a j c 2 3 b 初始化流程 图3 9u a r t 配置流程：。j 2 4 图3 1 0 数字板对射频板的配置协议2 5 图4 1 发送数据处理流程：2 6 图4 - 2 接收数据处理流程2 6 图4 3 数字板与强电板通信流程图2 7 图4 - 4 语音采集与处理框图。2 7 图4 5 系统内部数据传输通道2 9 图4 。6m c b s p 接口时序3 0 图4 7d s p 内部d m a 通道操作流程3 1 图4 8d s p 接收i ，a r t 数据包格式3 2 图4 - 9 数据包格式。3 4 图4 1 0 协议工作流程3 5 图4 1 1l l 位b a r k 盯码自相关函数：3 7 图4 1 2 帧同步检测流程。：3 8 图4 - 1 3 无错误比特b a r k e r 识别结果图。3 9 图4 1 4 错l 比特b a r k e r 识别结果图j 。3 9 图目录 图4 _ 1 5 错2 比特b a f k 盯识别结果图。3 9 图4 啊1 6 错3 比特以上b a r k 盯识别结果图3 9 图4 1 7 帧同步检测结果图4 0 图4 1 8m 序列生成模型 图4 1 93 1 位m 序列生成寄存器。 图4 2 0 震源激发操作流程 1 2 。4 3 。和4 图4 2 1 传输时延和处理时延估计时序。4 5 图4 - 2 2m l 与m 1 7 的互相关函数。 图4 - 2 3 最佳m 序列组搜索流程 图4 _ 2 4 控制命令检测流程。 图4 - 2 5 ( 2 ，1 ，5 ) 卷积编码器。 图4 - 2 6 ( 2 ，1 ，5 ) 卷积编码状态转移图。 图4 - 2 7 ( 2 ，l ，5 ) 卷积编码在d s p 中的实现流程5 3 图4 - 2 8 t e r b i 译码流程图5 4 图4 2 9 串并转换时序图 图牟3 0 回溯状态转移图i 。5 6 图4 - 3 ld r a m 访问接口：5 7 图4 3 2d 黜、m 写入时序5 8 图4 3 3 两个d r a m 读写p i i l g - p o n g 时序。5 8 图4 3 4 反交织写地址时序图5 9 图4 3 5 反交织读地址时序图5 9 图4 3 6 交织与反交织仿真时序图：5 9 图4 3 7 交织前输入数据6 0 图舢3 8 反交织后得到数据6 0 图5 1 数字板实物图6 2 图5 2 系统整体实物图6 2 图5 3a i c 2 3 输出帧信号6 3 图5 4 发送端输入方波信号6 4 图5 5 接收端输出方波信号：，6 4 图5 6 发送端输入信号和接收端输出信号波形对比 图5 7 发送端输入信号和接收端输出信号频谱对比二6 5 v 钞卯班铉 表目录 表目录 表2 1v l f 删频段差分时延典型范围 6 表3 1 硬件时钟控制方式频率设置2 0 表3 2m 2 9 f 0 8 0 a 读写命令j 。：2 5 表禾1 1 1 位b a r k c r 码自相关函数3 7 v i 缩语表 a d c b e r d m a d a c d s p f s k f p g a c m c u m c b s p p l l s p i u a r l 缩语表 a i l a l o g t od i 舀t a lc o n v e n e r b i t e r r o r r a t e - d i r e c tm 髓o r ya c c 岱s d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t 口 d i g 蹦s i 匦a lp r o c 铝s o r 脚e n c y s l l i r k e y f i e l dn o 鲫m a b l e g a t e 岫 h t 盯h t e g r a t e dc u r c i l i t m i c r oc o n 仃o lu n i t m u l l i c h a 衄e lb u 丘矗s e r i a lp o r t p h 鲳el o c kl 0 0 d s e r i a lp e r i p h e r a lh t 酬e u i l i v e r s a la s c h r o n o u sr e c e i v e r ，i k m 鲫【1 i t t e r 模数变换器 比特误码率 直接存储器访问 数模变换器 数字信号处理器 频移键控 现场可编程门阵列 两线式串行总线 微控制单元 多通道缓冲串口 锁相环 串行外围设备接口 通用异步收发器 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：卫生瞌_ 一日期：幽7 年d 月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：醯，盐 导师 日期 第一章绪论 1 1应用背景 第一章绪论 当今世界对石油资源的控制，已经成为大国间经济、政治、外交斗争与合作 的焦点之一。我国正处在经济高速增长时期，在发展中需消耗大量的石油天然气 等能源。我国的石油消费增长迅速，2 0 0 3 年与2 0 0 1 年相比石油消费净增总量超过 4 2 0 0 万吨，年递增8 7 【l 】。面对目前国内石油消费的持续增长和国际油价的不稳 定因素，在加强多元化石油进口渠道的同时，提高自身的勘探技术，加强勘测开 发力度，是保障我国能源安全的重要手段。 随着无线通信和计算机等技术的发展，石油勘探也逐渐进入信息化、数字化 时代。目前，在陆地石油勘探过程中，从震源激发、地质信号采集、地质结构分 析等石油勘探的各个环节，都溶入了现代通信技术、数字信号处理技术等。随着 新技术的引入，在减少勘探过程中人力消耗的同时，也提高了勘探的准确性。但 此时设备的稳定性和可靠性，将是决定勘探成败的重要因素。 本论文设计的遥爆系统，是石油勘探过程中的一种重要设备，负责震源激发、 井口数据采集，并保证震源激发和数据采集同步、采集到数据的无线传送，同时 还具有无线对讲功能，来保障勘探队内部的语音通信。 传统的遥爆系统，多将语音和控制系统分开设计，不仅提高了设备的成本， 不便于设备的升级，而且增加了野外组装的难度和系统的功耗。本文设计的系统， 采用全数字化设计，便于系统根据不同的地理环境进行升级改造；降低了系统功 耗，同时也提供了良好的组装和操作界面，提高了系统的完整性和稳定性。 1 2 研究现状 目前，石油勘探领域使用的遥爆系统，主要是由美国的s e i s i n i cs o u r c e 公司和 p d t o n 公司生产。在2 0 0 2 年以前，基本都是模拟遥爆系统，2 0 0 2 年以后他们开始 设计和推广数字遥爆系统【2 】【3 】，但语音通信依旧保留原有的m o t o r o l a 的模拟对 讲系统。通过国内一些勘探队在实际勘探过程反馈的信息得知，s e i s m i cs o u r c e 公 司和p d t o n 公司的数字遥爆系统在国内使用时，由于受到地形和其本身设计缺陷 的影响，组装和操作比较繁琐，有些时候存在比较严重的数据包丢失和误操作的 电子科技大学硕士学位论文 可能。由于国外设计时，并没有针对中国特有的地质结构和地理环境做出相应的 改进，难免给实际的勘探工作增加不少的不确定因素。 现在国内从事地质勘探设备研究与开发的企业非常少，且大部分企业都集中 在对地质结构的分析设备的研究。另外一个原因就是它是一个专用设备，开发此 设备需要得到各地质勘探公司的技术和人力支持，因此进一步限制了国内一些小 型电子设备研发公司进入此领域。国内也曾经有公司推出过模拟的遥爆系统，但 因为性能的原因而没有推广应用。所以，目前国内石油勘探领域的遥爆系统，基 本还是由美国的产品所垄断，而且价格非常昂贵。 1 3 可行性分析 本论文将控制、数据、语音的处理过程全部进行数字化处理，可以有效地提 高以下四方面的性能： ( 1 ) 由于d s p 器件的定时精度比较高，较容易实现2 0 1 1 s 的同步精度要求。 ( 2 ) 本文引入卷积码信道编码，克服信道的衰落特性，之后进行交织处理来克 服信道的突发差错。在接收端，进行反交织和t e r b i 译码来恢复数据，中 间采用b a r k 盯码作为帧同步码来提高帧同步精度。这样可以有效地克服无 线信道衰落特性和其他干扰所带来的影响。 ( 3 ) 全部采用数字化技术后，整个通信过程可以完全通过软件控制，便于系统 的升级和修改。 ( 4 ) 通信协议的设计，可进一步提高多设备之间通信的灵活性。 1 4 本文工作 数字遥爆系统与模拟遥爆系统的不同之处，就是要利用数字信号处理的优势， 提高系统所需要的同步精度和抗干扰能力，以及多设备之问的通信质量。 系统中的任何一台设备经过配置后，都可以作为编码器( e n c o d e r ) 、译码器 ( d e c o d e f ) 、或者是中继器( r e p e a t e r ) 进行工作。其中，编码器主要负责发送点 火命令以及系统同步；译码器主要负责系统同步和引爆雷管；中继器主要负责转 发指令，保证在距离较远以及地形复杂时，编、译码器之间能够正常通信。也就 是说，在相同的硬件平台上，设备可以工作在不同的模式，从而实现不同的功能， 各种工作模式之间的切换主要通过软件完成。工作模式的选择取决于具体的工作 2 第一章绪论 环境，如地形、距离、天气等。 单套设备共分为三个模块进行开发，强电板( 震源激发) ，射频板( 信号的无 线收发) ，数字板( 各种数字信号处理和通信过程设计) 。本文负责数字板部分的 研制工作。 本论文的具体工作如下： ( 1 ) 设计出切实可行的数字信号处理硬件平台。 ( 2 ) 研究一种简单可行的通信协议，来完成整个过程的控制，以及数据、语音 通信。 ( 3 ) 研究一种方法来保证震源激发和数据采集同步精度。 ( 4 ) 研究和选择一种合适的信道编解码技术，改善无线信道链路特性。 ( 5 ) 研究和选择一种合适的帧同步技术，完成整个通信过程中数据包的正确获 取。 本文工作分为硬件实现部分和软件实现部分，硬件实现主要包括以美国德州 仪器( t i ) 公司的定点d s p 芯片1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 【4 】，以下简称c 5 4 0 9 以及l i 姒公 司的f p g a 芯片x c 2 s 3 0 0 e 嘲为核心的语音对讲与遥爆控制系统硬件平台的搭建。 软件实现，包括软件的总体框架、通信协议的设计、同步系统的设计、信道链路 改善技术的具体实现过程等。 本文介绍了该方案的原理，重点讨论了算法的软件实现，并对结果中存在的 问题进行了分析，针对这些问题提出了相应的改进方案。 1 5 本文结构 本文组织如下： 第一章为绪论，介绍项目背景以及本文的主要内容； 第二章介绍无线信道特性，本文研究的设备所工作的无线信道环境，以及选 取的无线信道改进技术等； 第三章简要介绍本方案工程实现的硬件方案，即以c 5 4 0 9 和x c 2 s 3 0 0 b 为核 心的语音对讲与遥爆控制系统硬件平台的搭建，及相关器件的驱动程序； 第四章重点介绍了本方案工程实现的功能设计部分。包括系统的总体框架、 通信协议的设计、同步系统的设计、信道链路改善技术的具体实现过程等。 第五章提供本系统实际测试的结果，分析了其中的不足并提出了相应的改进 措施。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章无线信道特性及本文应用环境 数字对讲与遥爆系统，外在表现为一个无线通信电台，该电台需要承担语音、 数据、控制命令三种通信模式。为保障系统安全有效地工作，本文的应用环境及 该环境下的无线信道特性，是系统设计过程中需要首先考虑的。本章分析了无线 信道的基本特性，并根据本论文的应用环境，给出了本文所用无线信道的一些基 本特征。 2 1无线信道的特性 本节简要介绍了无线信道的基本概念和基本特性，为分析本文所用信道的基 本特性做好基础。 2 1 1 无线信道的概念 各类信号从发射端发送出以后，在到达接收端之前经历的所有路径，统称为信 道。其中，如果传输的是无线电信号，电磁波所经历的路径，称为无线信道。与其他通 信信道相比，无线信道是最为复杂的一种，其衰落特性取决于无线电波传播环境 【6 j 【7 l 。不同的环境，其传播特性也不尽相同。无线信道可能是很简单的直线传播，也 可能会被许多不同的因素所干扰，例如：信号经过建筑物、山丘、或者树木反射而产 生的多径效应，使信号放大或衰落。在无线信道中，信号衰落是经常发生的，衰落深度 可达3 0 d b 。对于数字传输来说，衰落使比特误码率( b e r ) 大大增加。这种衰落现象 严重恶化接收信号的质量，影响通信的可靠往。 2 1 2 无线信道的一般特性 电波传播特性，包括在无线移动通信信道中传播的快衰落与慢衰落、多径衰 落和多普勒频移。 无线移动通信信道，是由长期慢衰落和短期快衰落效应来表征的。忽略热噪 声时，接收机接收的信号可以表示为 4 第二章无线信道特性及其相关理论 ，( f ) = 埘( f ) + ( f )( 2 - 1 ) 式中，m ( o 表示长期慢衰落，其幅度是对数正态功率密度函数；( f ) 表示短 期快衰落，即多径或瑞利衰落分量。 长期慢衰落是由无线通信信道路径上的固定障碍物( 建筑物、山丘、树林等) 的阴影引起的，衰落特性一般服从d 1 律，平均信号衰落和关于平均衰落的变化具 有对数正态分布的特征。 ， 短期快衰落是由移动台运动和地点变化而产生的。其中多径产生时间扩散， 引起信号符号间干扰；运动产生多普勒效应，引起信号相位变化。 在无线传播环境中，到达电台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径 来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的传输距离不同，因而经由各个 路径的反射波到达时间不同，相位也不同。不同相位的多个信号在接收端叠加， 有时同相相加增强，有时反相相加减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，产 生衰落。这种衰落是因多径引起的，所以称为多径衰落【7 】【8 】。 2 2本文所用频段及其特性参数 本论文的通信频段为1 3 8 z 1 3 9 m h z ，石油勘探部门的专用频段，位于 f 频段。本节将就这一频段的特性做出相应分析，同时结合设备的具体应用环境， 给出相应的特性参数。 在地球表面任意两点间的无线通信中，电波传播通常有四种方式，即1 ) 直射 波；2 ) 地表绕射波；3 ) 地面和建筑及山丘等地的反射散射波；4 ) 天波【9 】。 在频段通信中，通常地表绕射波随频率的提高而衰减很快。当天线高出 地面几个波长，或通信频率在5 z 以上时，地表绕射波的影响就可以被忽略。 天波一般指电离层反射波，有时也包含对流层散射波。电离层对电波的反射作用， 一般限于3 0 m h z 以下频率。因此，在 f 频段通信过程中，一般以直射波和反 射波为主。 本论文的应用环境为野外乡村环境，该电台的设计要求为在2 0 m 的可视距离 范围内，能实现正常通信。由于是可视距离，因此在通信过程中，接收端将能够 收到较强的直射波信号，直射信号将会在整个通信过程中占据支配地位，接收信 号包络的衰落变化服从莱斯( m c i 强) 分布( 如果没有直射波信号，仅有许多反射 波信号，接收到的信号包络的衰落变化服从瑞利分布) 。当接收到信号中有视距传 5 电子科技大学硕士学位论文 播的直达波信号时，视距信号成为主接收信号分量，同时还有不同角度随机到达 的多径分量，叠加在这个主信号分量上。 莱斯分布的概率密度表示： m ) = 砉考厶( 多删 ， 。 ( 2 _ 2 ) p ( ，) = 0 r 2 0 肠脚，因此假设本文通信的无线信道为非频率选择性衰落信道，多 径效应未产生码间干扰。 2 3信道特性总结 本文的应用背景为野外石油勘探，样机设计要求为，在2 0 南 视距内能够完成 正常的语音、数据和控制命令的通信。其使用专用频段，且为乡村环境，因此其 信道质量将会好于普通的乡村无线信道。 鉴于其特殊的应用场合和2 2 节中对信道特性的分析，本文所使用的无线信道 具有如下特性： 7 电子科技大学硕士学位论文 点对点通信，收发双方在工作过程中基本不移动，因此通信过程中无多普 勒频移。 由于是专有频道，所以受外界的人为无线电干扰比较少。 信号主要经过直射、反射到达接收端。 多径时延扩展一般在5 淞以内，相关带宽大于3 1 8 5 圈嘞，信道上信号速 率在2 0 鼢哪以下。因此可认为，信道是一个非频率选择性衰落信道，多 径效应未引入码间干扰。 通信过程中因天气或同一工作队中其他设备，可能会引入突发干扰。 本设备在样机开发过程中，可假设无线信道质量较好( 无多普勒频移和多 径引起的码间干扰) 。 2 4本文采用的信道链路改善技术 无线信道的最大特点是具有多径效应，多径传播使接收信号产生时延等。另 外，阴影衰落( 当信号受到地形起伏等的阻挡，接收到的信号幅度将降低) 会使 接收信号幅度降低j 气象条件等的变化会影响信号的传播，使接收信号的幅度和 相位发生变化，这些都是无线信道独有的特性。 为了提高无线通信系统的性能，分集、均衡和信道编码这三种技术被用来改 进接收信号质量【n 【8 】。分集技术用于补偿衰落信道损耗和降低突发干扰；均衡用于 补偿信号中由于多径效应而产生的码间干扰；信道编码通过在发送信息时加入冗 余的数据位来改善通信链路的性能。由2 3 节的总结可知，本系统暂不考虑多径引 入的码间干扰，因此本系统将不引入均衡技术，而采用分集和信道编码的方法来 改善信道质量。 2 4 1分集和信道编码介绍 分集技术是用来补偿衰落信道损耗的。它通常分为两大类：显分集和隐分集。 最通用的显分集技术是空间分集，即设置若干天线，接收机选择各个天线接收到 的最佳信号作为输入。隐分集主要是指把分集作用隐蔽于传输信号之中( 如交织编 码，扩频技术等1 ，在接收端利用信号处理技术实现分集。隐分集不需要采用多副 天线，因此得到了广泛的应用。本文采用交织编码技术作为无线通信的分集技术。 信道编码通过在发送信息中加入冗余的数据位，来改善通信链路性能。在发 射机的基带部分，信道编码器把一段数字序列映射成另一段包含更多比特的码序 8 第二章无线信道特性及其相关理论 列。接收机可以用信道解码，来检测或纠正由于在无线信道中传输而引入的误码。 信道编码通常有两类：分组编码和卷积编码，本文采用卷积编码，相应的译码技 术采用劬i 译码。 2 4 2 卷积编码 鼽序 图2 - l 卷积编码的一般结构图 卷积码编码器的一般形式如图2 1 所示，它包括一个由k 段组成的输入移位 寄存器，每段有k 级，共k 他位寄存器；一组由n 个模2 加法器组成的组合逻辑 电路；一个由n 级组成的输出移位寄存器。输入数据每次以k 比特移入移位寄存 器，同时有n 比特数据作为已编码序列输出。移位寄存器中的内容被称为当前的 编码状态，共有矿个编码状态。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 4 2 2卷积编码状态图和网格图 状态是系统内的一类变量，既因为新的系统输入而改变，同时也影响当前系 统的输出。卷积编码器的第z 时刻的内部状态口( d ，简称状态盯，是描述第z 时刻 存储k 段消息的存储器变量。卷积编码器的状态转移，是卷积编码器在状态盯( d 时，根据编码器机构和输入段“u ) 产生编码输出段c ( d 并转换为状态盯( z + 1 ) 的过 程。 ，时刻状态z + 1 时刻状态 图2 2 状态转移图 以状态盯为节点，转移分支( 盯，“) 为有向边，构成的描述卷积码的所有不同的 状态转移的有向图，称成为卷积码的状态转移图。状态转移图的概念如图2 2 见下 图所示，盯。与( 盯，“) 的关系称为卷积编码的状态转移方程，c 与( 盯，“) 的关系则称 为卷积编码的输出方程。 仃( ，+ 1 ) = 妒( u ) ，( 功或仃( z ) = 烈仃，) ( 2 - 7 ) c ( ，) = 妒( 盯( f ) ，“) ) 或c = 矿( 盯，)( 2 8 ) 本文的4 5 1 小节，将详细讲解( 2 ，1 ，5 ) 卷积编码的状态转移图及其实现 过程。 卷积码的网格图或篱笆图，是开放形的状态转移图按时间顺序级，连成一个 由时间方向确定分支或者边的方向的有向图。 ( o o ，l1 ) ( 1 o ，0 1 ) ( 1 l ，o o ) ( o l l o ) ol23456 图2 - 3 ( 2 ，1 ，2 ) 卷积编码网格图 1 0 第二章无线信道特性及其相关理论 一个卷积码码字是起始于全零状态，又首次中止于瓯的一条编码路径。任意 一个卷积编码码字都是一条卷积编码路径，但是一条编码路径并不一定是一个码 字。对于k = 1 的二元卷积码，常用实线表示u = 0 时的输入产生的转移分支，用虚 线表示u - l 时输入产生的转移分支。 以( 2 ，1 ，2 ) 卷积编码为例，图2 3 表示该卷积编码的网格图形状。 2 4 3 t e r b i 译码 任何信息序列和码序列，将与网格图中的唯一一条路径相联系，而卷积译码器 的工作，就是找到网格图中的这一条路径。v i t e r b i 译码采用最大似然算法【1 3 】【1 4 】，能 达到最佳误码率，特别适用于加性高斯白噪声信道的前向纠错，而且其运算量完 全可以接受。 把编码器发送序列和译码器接收序列的联合条件概率( 似然函数) 作为选择路 径的标准，称为量度。t e r b i 译码可以采用硬判决，也可以采用软判决的方法，通 常在硬判决时采用汉明距离，而软判决时采用欧几里德距离，来作为计算支路长 度的度量，它们都能反映码和码之间的区别程度。卷积码网格图上的两条路径之间 进行判决的准则，是选取支路的似然函数累加和最大的一条路径，它使得正确判决 的概率最大，或等效于使信息比特序列的差错率最小，在这个意义上，这种译码器 是最佳的。 卷积码的移位寄存器共有2 “种状态，在网格图上每k 个状态有2 k 条支路 引入也有2 k 条支路引出。讨论k = 1 的情形：设仁o 时刻移位寄存器的初始状态 为全o ；由网格图的前k 1 条连续支路构成的路径互不相交，在t = k 1 时刻。最 初的2 “条各不相同的路径分别到达2 “1 个节点；当接收到第k 条支路时，每条路 径都有2 条支路延伸到第k 级节点上；把每个节点上延伸出的两条支路的量度 值，分别加到该节点原来的累积量度值上，并进行比较，选择较小的值作为该状态 新的累积量度值存储起来，具有较小累积量度的路径被称为“幸存”路径，其他的 路径被丢弃，经挑选后第k 级只剩下了2 k - l 条幸存路径。这一译码过程中被称 作“加比选”操作。有时会出现两条路径的对数似然函数相等的情形，在这种情 况下可以任意选择其中一条作为“幸存”路径。 既然在每一级中都有2 。1 条幸存路径，那么当序列发送完毕后，如何判断其最 后结果呢? 这就需要在网格图的终结处出加上( k - 1 ) 个已知信息作为结束信息 【l i 】【嘲。在结束信息到来时，由于每一状态中只有与已知发送信息相符的那条支路 电子科技大学硕士学位论文 被延伸，因而在每级比较后，幸存路径减少一半。因此，在接收到1 ) 个已知信 息后，在整个网格中只有唯一的一条路径保留下来，这就是译码所得到的路径。 该o ( _ 1 ) 个已知信息的插入有两种方法，一种是在译码端插入，另一种是在编码端 插入。本文采用在编码端插入该已知信息，又称为归零处理，即在卷积编码时在 编码的末尾插入( k - 1 ) 个o ，使得在译码结束时可以到达网格图中的零状态。 2 4 4交织与反交织 在实际应用中，经常用到的两种交织器，是分组交织器仍l o c ki n t c r l e a v 啪和卷 积交织器( c o n v o l u 哟n a l 盯l e a v 砷。本文将采用分组交织器。 分组交织器，最早应用于信道编码中，是行写列出或列写行出的交织器。图 2 - 4 是个m n = 3 3 的矩阵，从这个简单的交织矩阵中可看出，一共存在3 2 种 交织方式，这些方式的表现形式不一样，但就其本质来讲所表现的特性却是完全一 样的。可以将其归纳为有限的四种形式。若用l 代表左，r 代表右，t 代表上， b 代表下，则这四种交织器依次可以表示成：删t b ，u vb t ，r ut b ，r ub t 。 其中l r 表示由左至右写入，t b 表示由上至下读出，其他它的表示形式也可以依 此类推。 l 23 4 5 6 789 交织矩阵读写方向 图2 4 分组交织器生成示意图 分组交织器的分组长度可以表示为l = m n ，故又称之为( m ，n ) 分组交织 器。它将分组长度l 分成m 列n 行，并构成一个交织矩阵。从发送端发来的信 息经过交织去交织后。将传输过程中产生的突发差错，变为无记忆的独立差错 【1 9 】【2 0 】。这种交织方法在数字通信中得到了广泛的应用。但是，它会带来2 m n 个 符号的延迟，而且还需要很大的存储器。为了更有效地改造突发差错为独立差错， m n 应取足够大。但是，大的附加时延会给实时话音通信带来很不利的影响，同 时也增加了设备的复杂性。 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 本章简要介绍本系统的硬件实现方案一一以美国德州仪器( 1 r i ) 公司的定点 d s p 芯片1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 ，以下简称c 5 4 0 9 ，和) ( i l i 皿公司的f p g a 芯片x c 2 s 3 0 0 e 为核心的语音对讲与遥爆控制系统硬件平台的搭建。包括核心器件的选取、系统 介绍及相应的驱动程序的编写等。软件部分将在后面的章节中介绍。 3 1系统核心器件的选取 实现本方案的硬件系统核心是c 5 4 0 9 和x c 2 s 3 0 0 e 。对这两个核心器件的选 取主要基于如下考虑： ( 1 ) 本硬件方案需要完成的核心算法有：信源编解码( g 7 2 3 1 语音压缩解压缩 算法，具体算法实现过程不属于本论文工作范畴) 、信道编解码( 卷积编 码、t e r b i 译码、交织反交织) 、同步算法( 帧同步，编解码器同步等) 、 控制命令解析等。算法种类较多且各种算法运算的侧重点都有差异。在样 机开发阶段需要为系统提供充足的处理能力。c 5 4 0 9 上的g 7 2 3 1 语音压缩 算法，、已有实现。为了增强系统的逻辑处理能力，引入了f p g a 芯片 x c 2 s 3 0 0 e ( 该芯片的具体指标将在后面介绍) 。 ( 2 ) 功耗。系统的应用场合在野外，使用电池供电，因此功耗将是系统考虑的 一个重要因素。 ( 3 ) 成本。为了实现量产，在样机开发阶段就必须考虑成本控制因素。 基于以上三点的考虑，选用了c 5 4 0 9 和x c 2 s 3 0 0 e 作为系统的核心处理器件。 c 5 4 0 9 和x c 2 s 3 0 0 e 都是两款性价比较高的器件，其典型技术指标如下： c 5 4 0 9 部分技术指标【4 】【2 l 】【2 2 l 。 高性价比的1 6 位1 1 定点d s p 芯片，工作频率可以达到1 0 0 z ，运行速度 可以到1 0 0 m 口s 。 c p u 先进的多总线结构( 一条程序总线、3 条数据总线和4 条地址总线) ， 4 0 位算术逻辑运算单元( a l u ) ，包括一个4 0 位的桶形移位寄存器和2 个 1 3 电子科技大学硕士学位论文 独立的4 0 位累加器。 1 7 位1 7 位并行乘法器，与4 0 位专用加法器相连，用于非流水式单周期乘 法累加( m a c ) 运算。 比较、选择、存储单元( c s s u ) ，用于v i t e r b i 译码。 指数编码器，可以在单个周期内计算4 0 位累加器中数值的指数。 双地址生成器，包括8 个辅助寄存器算术运算单元( a r a u ) 。 存储器 1 9 2 k 字可寻址存储空间( 6 4 k 字程序存储器、6 4 k 字数据存储器以及6 4 k 字的空间) o 片内r o m ，可配置为程序数据存储器。 片内双寻址r a m ( d 川；渔m ) 。 片内单寻址洲( s 创m m ) 。 c