无线调制解调器（精选八篇）
无线调制解调器 篇1
湖泊具有面积大、流态复杂等特点, 不容易建设水文遥测站, 湖泊水文自动监测一般采用水上建站, 浮标往往成为湖泊水文的监测手段之一。
浮标常用于海洋监测, 参考海洋浮标设备设计, 将其小型化, 研制成功直径1.20 m, 质量约60 kg的小型水文浮标, 并在江西省鄱阳湖水域成功投运。该水文浮标站由浮标体、湖泊湖流传感器组、数据采集终端机、通讯系统、环形太阳能电源、航标警示灯等组成[1]。数据接收在岸站 (水文站) 完成, 岸站与湖泊浮标的距离小于3 km。
目前水文遥测系统通信信道已经广泛采用GPRS、卫星等通信手段, 技术设备成熟, 因产生运行费用, 未被选择为本项目湖泊浮标到岸站的通信手段;其他近距离通信手段还有Zigbee、蓝牙等, 因通信距离达不到3 km, 无法实现湖泊浮标数据通信。
超短波通信在早期水文测报系统应用极多, 目前在水库、水电厂等小规模水文测报系统还有应用, 国家无线电管理机构已经将230 MHz频段划归为水文遥测专用。该超短波频段的主要特点是适用视距通信, 且有一定的绕射能力, 因此本项目采用低功率超短波甚高频无线通信模块, 设计1 200 bit/s调制解调器, 完成岸站与湖泊浮标近距离无线传输。
1 硬件结构
常规水文遥测系统超短波通信以230 MHz频段为数传频段, 收发信机载波发射功率为10~25 W, 以300 bit/s传输速率传输水情遥测数据, 终端机数据副载波产生的代表器件为MC145442, 副载波频率分别为980 和1180 Hz, 分别代表数字信号“0”和“1”[2], 引用的国际标准为CCITT V2.1。
在常规超短波通信的基础上, 为了提升数传通信速率, 采用集成芯片MSM7512 作为关键器件, 研发MD-1200A通信模块。MD-1200A通信模块基于MSM7512 单片副载波发生器和解调器, 内部嵌入了CCITT V2.3 标准, 通信速率可提高到V2.1 的4 倍, 因距离近, 收发信机发信功率可降低到1.0 W内 (实际运用时0.1~1.0 W可编程设置) 。
湖泊浮标体内置小型遥测终端机RTU, RTU包含处理器, 值守电源电路、湖流传感器组接口、GPS定位接口系统和通讯电路等。主控芯片采用S12双核微处理器芯片, 该芯片为军用级芯片, 工作温度范围宽, 可靠性高[3,4]。通信电路采用内置MD-1200A模块的方式, 与主控芯片为TTL通信方式, 浮标RTU结构图如图1 所示。
MSM7512B是一种低成本内置式调制解调器芯片, 特点如下:1) 单电源工作, 低功耗, 工作模式时功耗为25.0 m W (典型值) , 掉电模式时功耗为0.1 m W (最大值) ;2) 具有片内回音消除电路, 大大简化了外围电路;3) 具有载波检测和自环测试功能;4) 采用3.579 545 MHz振荡器进行同步;5) 数据接口与TTL电平兼容。
调制解调器硬件结构框图如图2 所示, 连接控制电路如图3 所示。
依据CCITT V2.3 通信标准, MSM7512B芯片将需要传输的数字信号经过调制后, 形成“1 300 Hz”和“2 100 Hz”的副载波模拟信号组合, 该模拟信号通过小功率无线收发信机调制到230 MHz高频载波上发射出去。接收方通过无线接收模块接收高频信号, 接收到的高频信号被解调成相应的“1300 Hz”和“2100 Hz”FM模拟信号, 再通过MSM7512B芯片解调出对应的数字信号进入接收计算机。
调制解调器工作模式有4 种, 通过的MOD1和MOD2端子进行控制[5], 工作状态如表1 所示。
浮标RTU将调制解调器同数字接口连接, 加上少量的外围控制电路, 研发出MD-1200A通信模块, 做到了微型化, 集成在RTU主板上, 也可以单独置于收发信机中。
2 软件设计
因数据传输速率固定1200 bit/s, 故在S12 双核微处理器芯片初始化程序中将数据通信波特率发生器寄存器设置为1 200。
2.1 浮标RTU嵌入式软件工作流程
浮标系统RTU嵌入式软件工作流程包括RTU初始化, 数据采集与计算, 数据传输等。
每次工作时首先对芯片、时钟模块、通信模块初始化, 数据采集完成后发送定时报文, 为达到低功耗 (降低静态值守电流) , 程序需要定时控制开关机。浮标系统主工作流程如图4 所示。
远程修改参数包括修改系统基本配置、运行参数, 设置系统时间和恢复出厂设置等。
2.2 浮标数据传输设计
系统采用的通讯协议符合水利行业标准《水文监测数据通讯规约》。采用HEX/BCD编码方式, 便于日后系统集成和数据整合;报文传输规约是适用于本项目水文浮标遥测站与中心站之间的近距离数据传输通信协议规定[6]。
报文分为上行和下行报文, 报文正文结构如表2和3 所示。
3 应用实例
本项目实施地点在江西省鄱阳湖棠荫水文站所辖水面, 水文站东面3 km处为赣江南支、中支、和信江、抚河、饶河汇合后形成的鄱阳湖东水道, 水量占5 河入水总量的55%。因其独特的地理位置和极好的水文、生态、气象代表性, 是开展鄱阳湖水文监测实验研究的理想场所。
3.1 浮标装置
水文监测浮标实际投放地点距水文站直线距离小于3 km, 属于视距通信, 浮标实物如图5 所示。
浮标站将水文监测传感器、数据采集终端和近距离通信设备进行技术集成, 转化为湖泊水文水上监测一体化应用平台。具体设置如下:
1) 浮标RTU处理器。采用Freescale双核微型处理器。
2) 数据接口。通用化为数字串口和模拟接口, 适应多种湖泊水文在线监测传感器;监测参数在浮标上完成采集和传输。
3) 浮标定位。GPS接收器位置定位。
4) 传感器。湖流参数监测传感器, 可根据现场监测需要配置其他湖泊参数自动监测传感器。
3.2 浮标数据通信效果
超短波通信数据量小, 通信时间短, 基于MSM7512B调制解调芯片, MD-1200A通信模块有效利用了超短波的特性, 平时将收发信机关闭, 需要传输数据时将发射机打开传输短报文, 中心站通过超短波收发信机接收数据。表4 为2013 年8 月27 日运行数据, 可以看出数据连续性好, 证明通信模块运行稳定可靠。
参照国家防汛指挥系统水情分中心项目建设测试方法, 连续统计了2 周时间的系统运行数据, 数据统计表明浮标数据畅通率为99.7%, 大于95% 的指标要求。
4 结语
通过近距离超短波通信MD-1200A通信模块的研发, 使湖泊水文浮标站实现了测验和近距离报讯实用化, 汛期运行实践证明其能抗水上恶劣环境, 工作可靠。
原先的湖泊水文检测采用人工测验, 动用水文测船, 恶劣天气和夜间无法施测。采用安装有MD-1200A通信模块的湖泊水文浮标站, 可使浮标测验实现采集传输自动化, 解决了人工测验需要测船下湖的实际困难, 数据的连续性也远高于人工湖流测验。
集成的水文浮标装置体积小、重量轻, 运输容易、安装快捷, 具有现场快速安装、投运的特点, 不仅满足湖泊湖流测验应用, 还可以在水库、入海口和近海进行水文水生态测验推广应用。
参考文献
[1]刘伟, 王吉星.水文浮标站应急监测装置设计与开发[J].水利信息化, 2013 (2) :29-32.
[2]水利部水利信息中心.水文自动测报系统技术规范SL61-2003[S].北京:中国水利水电出版社, 2003:16-17.
[3]邵贝贝, 宫辉.嵌入式系统中的双核技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008:2-12.
[4]孙同景, 陈桂友.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京:机械工业出版社, 2008:1-24.
[5]OKI.OKI Semiconduct MSM7512B 1200 bps FSK MODEMITU-T V.23[R].OKI, 2006:3-5.
无线调制解调器 篇2
摘要：MSM6882是日本OKI公司生产的、采用最小频移键控方法的数据调制解调器。该器件内含接收、发送和时钟产生电路，且数据传输波特率可在1200bps和2400bps中选择。文中介绍了MSM6882的主要性能和工作原理，给出了MSM6882在无线通信中的应用电路设计。
关键词：MSM6882;最小频移键控;无线数据通信
1 引言
计算机与数据终端的.普及使得无线数据通信技术在很多领域得到广泛应用。在无线数据传输设备中，调制解调器是不可缺少的一环。调制解调器的调制方式主要有频移键控(FSK)、相对相移键控(DPSK)等，其中最小频移键控(MSK)调制方式是FSK方式中较好的一种。MSK调制方式是连续相位频率键控(CP-FSK)方式的特殊情况，其调制系数为0.5。MSK信号在码元转换瞬间没有相位突变，因而信号频谱在频带之外的滚降会加快，占用频带比PSK信号窄，但却具有与PSK相同的性能，非常适合在无线通信中使用。
MSM6882是日本OKI公司生产的采用MSK调制方式的调制解调芯片。它的工作温度为-25℃～70℃，采用DIP22或SOC24封装，其主要特点如下：
●片内滤波器采用开关电容结构;
●数据传送波特率1200/2400bps可选;
●片内发送滤波器可作为音频信号滤波器单独使用;
●接收定时再生电路有两种同步方式供用户选择;
●片内集成有振荡电路;
●调制可采用正弦或余弦方式;
●采用单5V电源供电(MSM6882-5)。
2 MSM6882的引脚功能
MSM6882的引脚排列如图1所示，其引脚功能描述如下：
X1、X2：晶体输入脚。当外接时钟时，X1悬空。
MCS：时钟频率选择端。该脚为“0”时，外部晶振或时钟选择3.6864MHz，为“1”时，外部晶振或时钟选择7.3728MHz。
ME：调制器使能端。该端为“0”时，TI脚与发送低通滤波器相连，为“1”时，调制器与发送低通滤波器相连。
SD：发送数据输入脚。
ST：发送时钟输出脚。使用时可用ST信号的上升沿同步SD脚的
无线调制解调器 篇3
直接序列扩频/差分编码的4进制相移键控(DS/DQPSK)调制方式具有频谱利用率高、抗干扰能力强、保密性能好等优点,得到了广泛的应用。3G中的CDMA技术采用的调制方式就是DS/DQPSK。
本文以软件无线电技术为基础,采用高性能的FPGA和AD/DA构建一个通用的硬件平台,通过对FPGA进行动态配置,在FPGA上实现了DS/DQPSK的调制解扩解调,可以适应不同基带数据速率、不同伪随机码和不同中频的DS/DQPSK信号的调制和解扩解调。与常规方法不同的是,该方案直接在中频上进行数字信号处理,不要进行数字下变频,也不需要进行伪码同步捕获和载波提取,易于数字实现。其最大的特点是同步速度很快,对无静默工作方式电台有广泛的应用前景。此算法不仅得到了计算机仿真验证,并已用于某系统中。
1 DS/DQPSK调制解扩解调原理
调制部分主要完成差分编码、扩频、数据分路及相位映射、电压产生、升余弦滚降滤波和正交调制等功能。调制器原理如图1所示,升余弦滚降滤波可以抑制码间串扰和带外功率旁瓣,然后使用高性能的数字调制芯片AD9779直接进行数字中频正交调制,并且由片内DA转换为模拟中频已调信号。
解扩和解调部分主要完成AD采样、匹配滤波、延时差分解调以及判决等功能。解扩和解调是扩频通信的核心技术之一,也是本文研究的重点,其原理如图2所示。
设DS/DQPSK的基带数据为{an},为了避免解调时出现相位模糊,需要对{an}进行差分编码,即用前后码元的变化表示‘1’,不变表示‘0’。设差分编码后的数据为{dn}。若用‘+1’表示‘1’,‘-1’表示‘0’,则有:
dndn-1=-an, (1)
dn=-dn-1·an。 (2)
设I、Q两路伪码为{Cn}和{C′n},长度均为N,码速率为Rc,码片宽度为Tc。发端的中频载波频率ωl取伪码速率的M倍(M为正整数),即为MRc,这样每个伪码码片内刚好有M个载波,而且每个码片内对应的载波相位相同。
接收机接收到的DS/DQPSK射频信号经过混频、滤波和放大等预处理之后,送给解扩解调器进行处理。假若没有发生频率偏移,即中频载波频率仍为ωc,则这时DS/D-QPSK信号的表达式为:
式(3)中,[]表示向下取整运算,mod表示求模运算。
然后直接在中频进行带通采样。采样频率取伪码速率的K倍(K为正整数),即为KRc。这样在每个伪码码元内刚好进行了K次采样,从而可以保证收端的伪码时钟与发端的伪码时钟相位相差为任意值时,总能采到满足数字相关器输入信噪比要求的码片样值。这样伪码时钟可以由本地异步产生,省去了伪码同步时钟恢复电路,并大大提高了电路的稳定性。
由于AD采样的相位是随机的,所以可以在采样信号中增加一个初始相位ϕi。由于采样速率ωs和中频ωI均为伪码速率的整数倍,所以每隔K次采样ϕi就重复一次,即ϕi有K种取值,且ϕi依次滞后2πM/K。采样数据的表达式为:
将AD采样得到的数据通过数字相关器进行解扩解调。数字相关器也是利用伪码具有尖锐的自相关函数和接近于零的互相关函数的特性,来对特定的码字进行相关处理,从而完成扩频信号的解扩。本方案中的数字相关器,只需要通过软件的方法改变本地伪码的生成多项式,就可以实现对不同扩频码(不同码型、码长和速率)的扩频信号的解扩。数字相关器的I路结构如图3所示,Q路的结构完全相同。现仅以I路为例进行分析。由图3可见,数字相关器每隔K个点取一个数据,共取N个数据,然后进行相关求和:
由于I、Q两路伪码的互相关性很小,所以式(5)中第2项的值很小,相对于第1项的相关峰值来说可以忽略不计。当n为N的倍数时,第1项刚好相关,得到的相关峰值为:
corr′(n)=corr(k)/k=Nn=cos(ϕi)dnRI(0)。 (6)
式(6)中,RI(0)为I路伪随机码的自相关值。由式(6)可见,相关峰中已不再包含伪码,即实现了解扩。
将数字相关器输出的相关峰延时一个基带数据的码元宽度,即NTc之后,与当前相关值峰相乘得:
经过低通滤波后,就可以得到平坦的相关峰:
由式(1)可知,式(8)可化简为,
由此可见,延时相乘刚好实现了解调和解差分。负相关峰解码出来的基带数据an=+1,而正相关峰解码出来的基带数据an=-1。将I、Q两路的相关值累加求和后进行判决。经过判决,就可以恢复出基带数据和时钟。
2 DS/DQPSK调制和解扩解调器的实现方案
本方案中FPGA选用的是Xilinx公司的XC2VP30,300万门的高端产品,标称频率为400 MHz。选这个器件主要是从容量和速度进行考虑,因为数字相关器要消耗大量的资源。XCF32P是目前Xilinx公司推出的可编程容量最大的PROM,其存储容量为32 Mbit。该芯片支持FPGA串行或并行配置接口,能够存储多个设计版本用于动态配置和升级。解调器方案实现框图如图4所示。
3 结束语
本文提出的DS/DQPSK通用数字调制和解扩解调器在实际应用中取得了良好的效果和抗干扰性,证明了本方案是正确的、可行的和稳定可靠的。同时在构建的软件无线电平台上只需要改变软件就可以实现其他的调制解调方式,利于系统功能的升级和扩展。
参考文献
[1]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].电子工业出版社,2001.
[2]查光明,熊贤祚.扩频通信.西安:西安电子科技大学出版社[M].1990.
[3]关清三,崔炳哲,张岩译.数字调制解调基础.北京:科学出版社[M].2002:165-167.
无线电信号调制浅探 篇4
空中无线电波看不见、摸不着。无线电监测原始的方法就是接收并测量无线电频谱。频谱可以告诉人们在什么频率有信号, 但频谱反映的信号特征非常有限。现代无线电管理会采用数字中频的无线电接收机, 对感兴趣的信号基带进行采集和分析, 来识别信号特征。射频信号通过变频产生中频信号, 经过中频带通滤波, 送到ADC数字化。数字化后的波形进入数字信号处理模块。在数字信号处理模块中将中频数字波形分别乘以余弦和正弦波形, 再通过低通滤波, 就可以还原出感兴趣的频点信号的基带信号。由于基带信号载波频率为0, 时域波形体现为复数I (t) +j Q (t) , 所以通常称基带信号为IQ信号。
2 信号处理和识别
2.1 波形N次方的频谱
这个算法就是将基带波形做N次方然后分析频谱。这个算法对于调制和编码的频率敏感。
简单来说, 直接做 (1次方) 频谱, 就可以看到FSK信号频偏数量;2次方频谱, 可以分析ASK码速率, PSK和MSK的载波和码速率;4次方频谱可以分析PSK和QAM的码速率。
图1为信息台的2FSK信号, 直接做频谱, 可以看到2个频率点上的峰值。对于CDMA基站下行信号, 直接做频谱只是看到如图1 (b) 显示的宽带频谱, 但是对基带信号做4次方后再做频谱, 就显示出如图1 (c) 的峰值, 这个特征峰表达了CDMA基站信号的特征。
2.2 直方图统计
对信号解调后, 可以用直方图显示其调制特性。例如, ASK的符号数、FSK的载波和符号数、PSK的符号数和符号速率、MSK的符号数。要注意的是对于PSK信号解调相, 要消除载波频偏导致的相位线性漂移。将信息台FSK信号按照调频解调, 就得到频率随时间变化的曲线, 将该曲线在频率轴上做直方图统计, 就得到直方图统计。在联合视频分析可以得出频率跳变有一些波动, 所以在直方图里面可以得出2个频偏显示出一定扩散分布。
2.3 频谱自相关
对波形载噪比进行模拟, 可以发现信噪比降低对谱图影响很小。同样, 对其他参数进行试验, 如频偏、脉冲成形滤波和少量码速率变化, 都不敏感。也就是说, 码速率接近的BPSK信号频谱自相关谱图稳定不变。频谱自相关对不同调整方式敏感。也就是说这个算法对调制方式识别有较好参考价值。
3 应用实现
聚星仪器推出了基于软件无线电架构的高性能无线电接收机V3X。该接收机采用多级下变频器, 将射频转换到中频, 然后通过高性能中频处理器采集并处理成IQ基带信号。基带信号通过高速通用总线传给计算机, 做频谱和各种分析, 同时提供原始基带信号存储功能。目前聚星仪器的接收机有多种款式, 覆盖3.6 GHz和6 GHz两个频率范围, 瞬时中频带宽20MHz、40 MHz可选。
本文利用仿真和采集到的实际无线电信号, 实践试验了国际电联推荐的信号调制参数识别方法。实验结果表明, 这些方法都有较显著效果, 可以为无线电科研和管理提供先进的深度信号分析和识别工作平台。
参考文献
软件识别无线电调制信号 篇5
随着通信技术的发展, 无线通信环境日益复杂, 通信信号在很宽的频带上采用不同调制参数的各种调制样式。为了实现通信设备高度的通用性和灵活性, 实现通信网络互连互通, 在构造不同通信系统之问的智能网关时能够对信号进行识别并调用相应的模块, 软件无线电技术的信号识别和调制解调技术应运而生。
二、软件无线电
软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托, 通过软件编程来实现无线电台的各种功能, 从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路。尤其是减少模拟环节, 把数字化处理 (A/D和D/A变换) 尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性, 通过软件的更新改变硬件的配置结构, 实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构, 以利于一个模块的不断升级和扩展。
软件无线电具有灵活性、可扩展性等主要特点, 主要是因为软件无线电的所有功能都是用软件来实现的, 通过软件的增加、修改或升级就可以实现新的功能。所以, 功能的软件化是软件无线电的最大优势之一。
三、自动调制识别技术
信号调制识别的基本任务是在多信号环境和有噪声干扰的条件下确定出接收信号的调制方式和其它信号参数, 从而为进一步分析和处理信号提供依据。
通信信号的自动调制识别的基本方法, 一般认为有两类, 即基于决策论的最大似然假设检验方法和基于特征提取的统计模式识别方法。最大似然假设检验方法是一种多假说的测试问题, 通过对信号的似然函数进行处理, 得到用于分类的充分统计量, 然后同一个合适的门限进行比较, 从而实现调制样式的分类。由于该种方法需要大量的先验知识, 如信号的载频、码速率、码元定时甚至基带成形脉冲等, 工程中不易于应用。所以, 本文采用统计模式方法进行调制样式识别。
为了有效地实现分类识别, 必须对原始的输入数据进行变换, 得到最能反映分类差别的特征。这些特征的提取和选择是非常重要的, 它直接影响分类器的设计和性能。理想情况下, 经过提取和选择的特征矢量应对不同的调制类型具有明显的差别, 然而在实际中却不容易找到那些具有良好分辨率的特征, 或受条件限制不能对它们进行测量, 从而使特征提取和选择的任务复杂化, 因而特征提取和选择是信号调制识别系统中首要和基本的问题。分类识别时依据信号特征的观测值将
其分到不同类别中去, 选择和确定合适的判决规则和分类器结构, 也是信号调制识别系统中的重要内容。
四、联合调制识别算法
在1995年-1998年的三年间, A.K.Nandi和E.E.Azzouz发表了多篇文章, 利用他们提出的七个特征, 分别采用决策理论、神经网络和神经网络级联的方法对模拟信号集 (AM, DSB, VSB, LSB, USB, FM, AM-FM) 、数字信号集 (2ASK, 4ASK, 2FSK, 4FSK, 2PSK, 4PSK) 以及模拟数字联合进行分类识别, 在信噪比大于10d B时, 具有良好的识别效果。
A.K.Nandi和E.E.Azzouz等提出的算法在目前调制识别技术中仍占主导地位, 特别是他们提出的特征参数为人们广泛接受和引用。因此, 本文采用该算法来进行信号识别以及特征参量提取。主要用到以下几种特征来区分信号:
1、零中心归一化瞬时幅度值谱密度的最大值γmax
2、零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量的标准偏差σdp
3、零中心非弱信号段瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差σap
其它采用的特征参数还有中心化归一瞬时幅度的峰度值和中心化归一瞬时频率的峰度值等, 后续章节将一一阐述。
在实际应用中, 软件无线电所需识别的信号是模拟和数字的混合, 这就还需增加三个参数:
4、零中心归一化非弱信号段瞬时幅度的标准偏差σa:
σa用来区分信号是DSB还是2PSK信号, 也可以区分是AM-FM还是4PSK信号。因为2PSK和4PSK信号没有幅度调制信息 (除了在相邻符号变化时刻) , 所以σa≈0, 而DSB或AM-FM信号含有幅度信息, 故σa≠0, 这样就可以通过设置合适的判决门限t (σa) 来判断是DSB信号[σa>t (σa) ]还是BPSK信号[σa
代码中用函数void generate_Oa () 来产生σa。
5、零中心归一化瞬时幅度的紧致性 (四阶阵) μa42:
μa42主要用来区分是AM还是ASK信号, 即区分是模拟幅度调制还是数字幅度调制。因为AM信号的瞬时幅度, 具有较高的紧致性且μa42值较大, 而ASK
信号由于只有2个或4个电平值, 其紧致性较差即μ42a值较小, 所以可以通过设置一个适当门限t (μa42) 来判断是AM信号还是ASK信号
代码中用函数void generate_u42a () 来产生μa42。
6、零中心归一化瞬时频率的紧致性 (四阶阵) μf42:
μf42用来区分信号是FM还是FSK信号, 即区分是模拟调频信号还是数字调频信号。因为FM信号其瞬时频率具有较高紧致性即μf42值比较大, 而FSK信号其瞬时频率只有2个或4个值, 其紧致性较差即μf42值较小。所以可以通过设置一个适当门限t (μf42) 来判断是FM信号[μf42>t (μf42) ]还是FSK信号[μ4f2
五、结束语
随着自动识别调制信号技术在信号确认、干扰识别、无线电侦听、信号监测和威胁分析等军用民用领域的广泛应用, 将软件调制信号自动识别技术硬件化日渐成为人们的迫切需要, 这也将引导信号识别技术的主流发展趋势。
摘要：通过软件来实现通信信号的自动调制识别已是目前信号识别技术的主流发展趋势。本文在阐述了软件识别无线电调制信号的原理基础上, 模拟数字调制信号的联合自动识别
关键词：软件无线电,调制,自动识别
参考文献
[1]杨小牛、楼才义、徐建良编:《软件无线电原理与应用》, 电子工业出版社, 2001年。
[2]钮心、杨义先编著:《软件无线电技术与应用》, 北京邮电大学出版社, 2000年。
[3]胡延平、李广森等:《利用参数统计方法自动识别数字调制信号》, 《通信学报》, 2002年。
无线调制解调器 篇6
随着我国城市化进程不断深入,城市建设的版图不断扩大。面向防火、防灾等应用场合的警报系统需求逐渐增多,并要求实现远程控制功能。为了提高防灾警报系统的适用性和稳定性,本文基于CMX469开发了透明式无线调制解调器作为无线通讯模块,该模块可为防灾警报控制信号提供一个准确、稳定的无线信号传输方式。本文将根据远程统控的实际应用需求以及CMX469的使用特性,论述基于CMX469所开发的无线调制解调器的控制软件设计部分。
1 CMX469解码芯片
现代数字调制技术的发展方向是最小频带占用率的恒包络数字调制技术,其关键在于相位变化的连续性,从而减少频带占用带宽。连续相位频移键控调制技术(CPFSK)在码元转换期间无相位突变,较好地解决了频谱扩散的问题,提高了频带利用效率。最小频移键控(Minimum shifting Keying,MSK)是CPFSK的一种改进形式,是全响应连续相位频移键控信号的特殊情况,是调制指数为0.5的正交信号。
MSK信号具有良好的传输特性,基于CMX469A开发的MSK信号调制解调器设计结构简单,稳定性好,便于与收发信机互连,特别适合于中低速数据的传输。
CMX469A是CML公司新推出的全双工无线Modem芯片,它采用CMOS工艺制造,工作电压为2.7～5.5V。而CMX469A采用快速移频键控FFSK/MSK调制方式,可广泛应用于无线通讯系统中(例如水文检测系统、船载监控系统等)。CMX469A的主要特性如下:
(1)具有独立的发送、接收使能控制;
(2)可以接外部1.008MHz或4.032MHz晶振;
(3)可选择三种波特率:1 200bit/s、2 400bit/s、4 800bit/s(4 800bit/s传输时,需要外接4.032MHz晶振);
(4)具有载波检测、接收时钟故障恢复功能;
(5)低电压、低功耗(电源为3V时,典型工作电流为2mA;节能模式下,供电电流只有300μA);
(6)抗干扰性能优良,在信号条件比较差的情况下具有优良的灵敏度,同时可通过外部电容设置载波检测周期,以使器件在高噪音环境下具有更完善的性能[1]。
基于CMX489的通讯模块是作为单片机与警报终端配置的电台之间的沟通桥梁。同时CMX489是采用中断模式接口,传送数据包送至电台,并采用电台载波的方式送至统控主站;或者从统控主站接收数据包,并通过CMX489的通讯模块,把接收到的数据包送至单片机进行处理,并送至上位机进行分析与管理。
2 基于CMX469开发的无线调制解调器
2.1 基于CMX469的MODEM模块典型应用模型
如图1所示,该应用模型不仅仅可应用于远程统控的防灾警报系统,也可应用于多种远程传送参数或数据的场合,如:远程传送压力、温度、照明等级等物理参量,同样地,亦可通过MODEM模块传送控制信号从而影响相关物理参量[2]。
2.2 基于CMX469的无线调制解调器的整体电路设计
整体设计框图如图2所示。串口COM是作为CMX469所发送的模拟信号的数字信号源,以DA-TA 1发送至单片机,通过单片机的串口通信模块接受相关数字信息。根据单片机内的发送程序(tx function),将对应的数字信息按照CMX469的传送时序传送至CMX469,并从CMX469的Tx signal out传送模拟信号,完成一个传送(transmission)的调制过程。
相反地,通过CMX469接受到外部的模拟信号,通过CMX469的解调过程,向单片机传送0/1逻辑电平,通过单片机内接收程序(rx function),接收逻辑电平,并运算至以字节为单位的数据包,保存于设定的数据缓冲区中,等待单片机与串口通讯传送。
2.3 软件程序设计
(1)关于CMX469传送时序图的分析
如图3所示,TX ENABLE是CMX469处于发送调制信号的使能端,当软件程序对其进行拉低,即赋值为0时,就使TX SYNC产生一连串的脉冲信号。当TX SYNC处于上升沿时,对有效数据进行采集;而在非上升沿的时刻,所接收的数据视为无效数据。根据CMX469所接收的有效数据,从Tx Signa Out发送已调制的模拟信号。
基于对CMX469发送调制信号的时序图的分析,软件程序处理必须涵盖两大部分。
1)确保TX SYNC处于上升沿时,能有效数据进行采集。基于能实时性地发送数据考虑,应将TX SYNC与单片机的外部中断管脚相连接,保证不错失任何有效数据位。
2)单片机内的中断服务子程序部分,应注意将所要发送至CMX469的每一字节数据,按照并行转化为串行数据的方式进行每一位的传送。
根据硬件电路图对CMX469设置波特率1 200,单个脉冲周期为800μs,中断服务子程序必须保证于800μs内对有效数据位处理完成。同时,在发送位数据时,注意应该按照从低位发送的顺序,以确保接收端能按照从最低位到最高位,正确地接收每一单位字节。
(2)关于CMX469的接受时序图的分析
如图4所示,该时序图体现CMX469从Rx signal in管脚中接收到调制信号,通过CMX469芯片内的解调模块,将解调后所得到的数字数据,以位单元的数字信号通过Clocked data out管脚送至单片机进行运算处理。
与发送过程相似地,当CMX469接收外界送至的模拟信号,将该信号通过芯片内部的解调模块,转化为有效的数字信号。并根据CMX469所产生的时序波形,即RX SYNC管脚所传送的时序波形,Clocked data out管脚所送出的有效数字信号将维持一个完整的时序波形脉冲周期,等待单片机接收。
基于对CMX469接收调制信号转化为数字信号的时序图的分析,软件程序处理必须涵盖两大部分。
1)确保RX SYNC管脚所传送的时序波形,于一个脉冲周期内,能完整接收到一位的数字信号。基于能实时性地接收数据考虑,利用单片机处理外部中断信号的实时性良好的特性,将RX SYNC管脚与单片机外部中断管脚相连。
2)在中断服务子程序部分,根据发送程序的发送顺序,应先接收到每一单元字节的最低位,按照串行转化为并行方式接收每一位数据。
(3)CMX469数据传送程序框图
CMX469数据发送程序如图5所示,当无线调制解调器传送数据,需初始化外部中断控制寄存器,并正确启动外部中断,以便数据在传送时序上升沿时完成有效数据传送。同时,所传送的数据包应包含同步码、前头码、有效数据。有效数据的按数据位传送、存储与效验将是中断程序的重要设计内容。
(4)CMX469数据接收程序框图
CMX469数据接收程序如图6所示,当无线调制解调器检测到外部模拟数据到来,程序马上启动并完成响应外部中断的初始化设置。当检测至时序波形上升沿,将启动正常的数据存储与效验程序。通过对比存储数据是否与同步码、前头码相同,从而准确判断所接收的数据是否为有效数据,并存储至相关程序数组中,以实现数据接收功能。
3 结束语
随着国家逐步重视防灾减灾工作,基于CMX469所开发的无线调制解调器将具有良好的应用推广前景,也为城市防灾警报系统的技术改良提供一定的技术支撑。
基于CMX469的透明式调制解调器模块应用于人民防灾警报系统中,并为人民防灾警报系统提供准确、稳定、高效的传输效率,使得人民防灾警报系统在更广泛的范围内具有更强的实用性和适用性,可广泛应用于山矿、水库、林场、公共安全等众多领域。
参考文献
[1]MX-COM,Inc Cmx469a03Datasheet Doc#20480191002[Z].2006.
[2]CML Microcircuits.Application Note,Simple Data Com munications with the CMX469A[Z].2006.
无线调制解调器 篇7
1、医院使用的护理器现状
目前医院使用的求助器是有线的而且是固定在墙壁上的, 老年人和由于行动迟缓, 特别是在疾病发作的时候, 即使挪动一步也比登天还难, 这个时候也是老人最需要帮助的时候, 看着有线呼叫器, 就是无法触及, 因此产生的遗憾太多太多。
2、家庭使用的护理器现状
目前市场上另一种用于家庭使用的无线护理求助产品, 由于其护理端体积大, 携带不便, 而未得到广泛使用。
二、无线护理求助器设计方案
1、发射机设计方案
发射机能够无线传输饥渴、疼痛、解手、紧急四种求助信息;四种功能按钮既有文字注明, 又有四种不同颜色的醒目的大按钮, 方便病人操作。
2、接收机设计方案
接收机能够接收四种求助信息;并发出和发射机按钮颜色对应的灯光提醒和报警声音, 来表示发射机发来的求助信息。
三、基于ASK的无线护理求助器
1、ASK调制的实现
幅移键控 (ASK) 是根据信号的不同, 调节正弦波的幅度。通过编码芯片的的控制实现载波在数字信号1或0的控制下通或断, 当信号的状态为1时载波接通, 此时传输信道上有载波出现;当信号的状态为0时载波被关断, 此时传输信道上无载波传送。在接收端通过译码芯片就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。
2、发射机的设计
编码芯片发出的编码信号由:地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字, 解码芯片接收到信号后, 其地址码经过两次比较核对后, 输出高电平, 与此同时相应的数据脚也输出高电平, 如果发送端一直按住按键, 编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时, 编码芯片不接通电源, 其编码输出端 (正常时为低电平) 为低电平, 所以315MHz的高频发射电路不工作, 当有按键按下时, 编码芯片得电工作, 其编码输出端输出经调制的串行数据信号, 当编码输出端为高电平期间, 315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号, 当编码输出端为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡, 所以高频发射电路完全收控于编码芯片的编码输出端输出的数字信号, 从而对高频电路完成幅度键控 (ASK调制) 相当于调制度为100%的调幅。
在具体的应用中, 编码芯片的外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节, 阻值越大振荡频率越慢, 编码的宽度越大, 发码一帧的时间越长。
3、接收机的设计
译码芯片使用的是和编码芯片配套的芯片, 译码芯片有自锁、互锁和无锁之分, 其中自锁和无锁都输出表示非锁存输出, 数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应;互锁输出表示锁存输出, 数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态, 直到下次遥控数据发生变化时改变;为了尽量使护理求助器使用方便可靠, 应选用后缀有L具有互锁功能的译码芯片。
译码芯片的地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示, 两个窄脉冲表示“0”;两个宽脉冲表示“1”;一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”。
编码芯片每次发射时至少发射4组字码, 译码芯片只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。因为无线发射的特点, 第一组字码非常容易受零电平干扰, 往往会产生误码, 所以程序可以丢弃处理, 保证了数据可靠传输, 接收机正是采用此方法设计的。
四、发射机和接收机的地址编码实现
每套装置必须通过编、译码器编写每套装置的特定编码进行工作, 以防相互干扰。其编码方法, 在通常使用中, 采用8位地址码和4位数据码, 这时编码电路和解码电路的8个地址设定脚, 有三种状态可供选择:悬空、接正电源、接地三种状态, 3的8次方为6561, 所以地址编码不重复度为6561组, 只有发射端的编码芯片和接收端的译码芯片的地址编码完全相同, 才能配对使用, 当两者地址编码完全一致时, 接收机对应的4个数据端输出约4V互锁高电平控制信号, 同时解码有效确认输出端也输出解码有效高电平信号。
设置地址码的原则是:同一个系统地址码必须一致;不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。至于设置什么样的地址码完全随客户喜欢。
结束语
文中通过对ASK调制的无线护理求助器的研究, 根据ASK原理, 形成部分模块, 最后在整体联调, 完成整体设计, 实现了发射机和接收机的ASK通信, 验证了设计的正确性, 说明用中规模集成电路设计的ASK求助器在呼救、求助等方面有较好的辅助作用!
摘要：幅移键控 (ASK) 是根据信号的不同, 调节正弦波的幅度。通过对编、译码器的编、译码, 发射、接收模块的控制, 给出了用ASK调制设计出发射机遇接收机部分的总模块。部分调试通过后, 形成部分模块, 最后在整体联调, 完成整体设计, 实现了发射机和接收机的ASK通信, 验证了设计的正确性, 说明用中规模集成电路设计的ASK求助器在呼救、求助等方面有较好的辅助作用!
关键词：ASK,发射机,接收机
参考文献
[1]樊昌信:《通信原理教程》 (第2版) , 电子工业出版社, 2009年。
无线调制解调器 篇8
关键词：二进制相移键控,全球定位系统,无线信标
0 引言
在导弹和其他特殊试验时，其弹载的记录设备如黑匣子等，因试验往往在沙漠戈壁等地，自然环境复杂，使得人工搜寻工作变得相对困难。如果单靠人的肉眼搜寻，会出现搜寻成本高、时间长和直接影响工程进度等问题。因此，在被搜寻设备中安装信标机设备可以使搜寻工作事半功倍。
本文设计的信标机安装于目标物体内，随目标物体运动。当目标物坠落在地面后，信标机开始自我定位，对GPS(全球定位系统)模块计算的经纬度等直观有效信号进行提取编帧后，通过一定频段的无线波，按照预定的帧格式将定位信息发射出去。接收机据此可探知目标的位置。
1 系统总体方案设计
无线信标机的总体结构图如图1所示，整个通信卡可分为3部分：GPS定位模块、信号处理电路和射频电路。
GPS定位模块：采用U-BLOX公司的GPS模块NEO-5Q来接收GPS信号，计算自身经纬度，并以一定帧格式传输至信号处理电路。
信号处理电路：使用FPGA(现场可编程门阵列)作为控制部分，控制GPS与DDS(直接数字频率合成器)的工作时序，并将从GPS定位模块接收的定位信号进行编帧与调试。采用ADI公司的DDS芯片AD9910能够进行高频的信号输出，并且支持频率、相位和幅度调制的多种组合。
射频电路：对DDS调制信号进行功率放大、滤波，最终达到发射的要求，以一定频段无线发射。
1.1 BPSK（二进制相移键控）调制描述
信标机通信时不能直接传送数字基带信号，需要对基带信号进行调制。虽然信标数据传输量不大，但数据的准确度直接影响搜寻的结果和时间。因此，在选择对信标的调制方式时，兼顾考虑系统的复杂性与传输数据量等因素，选择BPSK的调制方式[1]。BPSK是一种把模拟量转换为数据量的转换方式，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪来表示0和1，从而可以同时接收2值(1bit)。其方波的键控波形如图2所示。
发送信号以NRZ(非归零)来编码BPSK时，其表达式为
式中，函数g(t)为编码的BPSK波形;Tcode为码元周期。当码元频带宽度为T时，BPSK的第1零点带宽为2/T。误码率Pe与信噪比r的关系为，当信噪比较低时，误码率较高[2]。
1.2 GPS定位模块与数据格式
U_BLOX公司的GPS模块NEO-5Q集成了CPU(中央处理器)、射频电路、基带芯片和相关外围电路，GPS信息可直接从接口读出。它具有灵敏度高(达到-160dBm的跟踪灵敏度)、定位精度高(水平定位精度可以达到2.5m)、功耗低(典型功耗为105mW)和通信接口多(UART接口、USB接口、IIC接口和SPI接口)等特点。
GPS模块有冷启动与热启动两种启动方式，由于NEO-5Q是ROM(只读存储器)架构，没有FLASH模块，因此掉电后数据会丢失。在没有后备电源供电的情况下，相对上次定位位置移动距离超过500km后，此时通电模块要对星历数据再计算，即为冷启动模式。如果有后备电源，数据不会丢失，再供电时能快速定位，几秒就可做到，即为热启动模式。冷启动模式需要的时间长，且功耗大，因此通常为GPS模块配备电池，作为后备电源[3]。
NEO-5Q模块的初始化串口波特率为9 600，数据位为8位，没有奇偶校验位，1位停止位，信息刷新频率为1 Hz。输出的参数格式为NMEA(数据传输标准工业协会)码，包括时间/经度/纬度、高度和信号强度等。NMEA数据帧格式如图3所示。
NMEA协议使用ASCII码形式，帧命令起始位为$，接着是用5个字节表示的地址域，其中前两个字节为识别符，后3个字节为语句类型，其后便是GPS数据，根据地址域的语句类型不同，数据含义也有所差异。其中语句类型有GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG和GPTXT等格式。例如，数据是GPRMC语句类型时，其格式为“$GPRMC，<时间>，<定位状态>，<经纬度信息>，<地面速度>，<航向>……”。随后是检验数据位，包括校验和前缀“*”和两个字节的校验和。最后以回车和换行结束。由于GPRMC格式中包含12组数据，为最小数据量的GPS信息，因此我们采用GPRMC信息，以减少无用信息输出，降低功耗。
为提取我们需要的信号，需要对信标数据进行编帧。以无信息的载波为帧头，用以提供同步信号，然后是15位系统同步信息和9位帧同步信息，与接收机进行帧同步，固定数据为识别信号是为了方便数据的识别。数据具体格式如下：1～15位为系统同步信息，16～24位为帧同步信息，25～58位为固定数据位，59位为纬度标志，60～71位为纬度数据，72位为经度标志，73～85位为经度数据，86～106位为纠错码，107～112位为帧尾标志。
1.3 BPSK调试设计
AD9910是一款400 MHz的模拟信号输出芯片。它有一种RAM(随机存取存储器)工作模式，可以利用RAM模式对信标进行BPSK调制。1 024×32位控制字组成的RAM，通过内部状态机的配合，可以非常灵活地生成随时间变化的任意波形[3,4]。
当需要DDS芯片产生波形时，先对RAM进行写操作，即向可编程寄存器写入RAM的起始地址和结束地址，然后使用profile引脚选择目标RAM的profile。芯片内部的状态机和累加器帮助profile找到目标RAM的位置，便可实现参数的写入，写入的参数可以为振幅、相位、频率或相幅组合;然后对RAM进行播放操作，同样使用profile引脚通过起始地址、结束地址、地址步进率和工作模式等信息寻址目标RAM后，将RAM中存储的目标参数输出到DDS内核中，通过转换模式实现波形输出。
RAM模式BPSK调制流程图如图4所示。首先通过控制寄存器1(地址0x00)中的RAM使能位来使能RAM操作模式，然后进入RAM的操作模式。编写寄存器中的模式控制字选择要进行操作的目标参数[5]。使用profile[2∶0]引脚选取需要播放的RAM波形。通过所选profile的RAM地址范围，从RAM中获取采样点的速率、操作模式以及是否使用非驻留功能来控制内部状态机。
1.4 信标机防护设计
信标机的工作场所环境较为恶劣，通常信标机会出现过载、冲击等现象，因此要求其抗过载、抗冲击能力强。本文设计的信标机采用灌封技术———用流动性较好的灌封材料将电路板与外部壳体黏合，风干后成为一体化结构，从而达到抗过载与抗冲击的目的。我们选择的灌封材料为聚氨酯，它具有粘结强度大、抗冲击能力好、硬度大、施工工艺简单和附着力强等优点。
2 测试和试验调试结果
2.1 GPS模块测试
GPS模块可以通过计算机的串口进行测试。测试时只需将GPS模块的输出端接至MAX232芯片进行电平转换后，连接至PC机，通过上位机读取GPS信息[6]。图5为U-center软件实测效果图和GPS模块搜星输出信息。从串口读取的数据可以看出定位时间为北京时间20时37分，定位位置为北纬38度东经112度等信息。
2.2 BPSK信号调制解调试验
BPSK信号调制效果可以通过示波器观测。图6为示波器抓取与频谱分析仪测得的BPSK调制信号。由于示波器抓取频率不能太高，在测试时只能抓到低频的信号。
BPSK信号经衰减后，在频谱分析仪上测得的频谱较为干净，中心点406 MHz的输出功率为2.83dBm，约为1.92mW。因为信号衰减为原来的1/1000，所以信号输入时的功率约为1.92 W。
3 结束语
采用软件无线电的设计思想，设计了一种其于BPSK调制方式的无线信标机。BPSK信号调制解调试验证明，本文设计的无线信标机的误码率、频带宽度和设备复杂度等性能较好，已成功用于导弹测试记录设备中。
参考文献
[1]胡东伟,陈杰,石寅,等.BPSK调制高动态遥测接收机的设计[J].电子科技大学学报,2005,40(5):691-695.
[2]HAAS E,KAISERS.Two-dimensional differential de-modulation for OFDM[J].IEEE Transactions onCommunications,2003,51:580-586.
[3]李俊.PSK调制方式的无线信标机关键技术研究[D].太原:中北大学,2011.
[4]XU Jun,WANG Fuping,WANG Zanji.The improve-ment of symbol rate estimation by the wavelet trans-form[A].2005International Conference on Communi-cations,Circuits and Systems[C].Piscataway:IEEE,2005.100-103.
[5]石彦丛,燕延.基于软件无线电的BPSK、DPSK信号解调技术[J].石家庄铁道学院学报,2002,15(2):37-39.
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