GPS探空系统通信模块的DSP设计

高玲娜,姚振东

(成都信息工程学院,成都 610225)

1 引 言

目前,我国高空探测中同时存在L频段雷达-电子探空仪系统和701雷达-59探空仪系统两种业务系统,后者是落后的测风系统,最终将被淘汰。随着技术的发展,GPS气象探空系统在欧美等发达国家中得到重视,该系统的测风优势明显优于雷达测风系统。由于GPS高空测风和压力反算精度高,地面设备无需复杂的发射、测距和伺服控制系统,天线系统简单,地面设备价格低,设备维护量小,芬兰VAISALA公司和国内一些公司先后推出了GPS探空仪测风系统。中国气象局也把GPS探空仪系统作为下一代布网主要设备。

设计一个可靠性高、抗干扰能力和探测性能强、低成本的探空系统具有重要的实践意义。通信单元是遥测系统最关键的环节,它决定了遥测数据的可靠性、实时性和正确性,设计一个遥测系统必须选择合理的通信方式。以往的GPS探空仪收发系统编译码采用的是汉明码,硬件上选用TI公司的收发芯片CC1110F或者其它单片机实现。而本文采用的是纠错性能更好的向前纠错码中的级联编码(RSCC),再加入交织技术,然后使用DSP TMS320VC5402信号处理器,从而得到一个传输性能更为良好、抗干扰能力更强、成本更低的探空系统。本GPS探空仪通信模块要求的误码率在10-3以下,并用Matlab仿真编、译码部分,验证了所选方案符合系统要求。

2 数据传输方案设计

由于GPS系统处于L频段,为了避免干扰,探空仪收发系统不能采用L频段的气象频段,只能采用国际电联规定的400MHz的气象频段[1]。采用怎样的发射、接收技术体制既能提高系统抗干扰能力和探测性能,又能降低成本是系统设计师需要精心规划的课题。

GPS探空仪通信系统的软件设计核心是数据的编码及调制方式的选取,本文着重讨论编码方式的选取与论证。

2.1 传输方案规划

GPS探空系统采用射频是气象专用400MHz,该频段无线电干扰严重,且信道兼有随机错误和突发错误,使得误码率增大;球载设备在空中姿态变化时容易产生信道快衰落;天线剧烈晃动会影响信号强度。

结合上述数据传输的信道的特点,采用差错控制编码可有效降低系统的误码率。扩大接收机的动态范围或者提高其灵敏度可接收到更大范围的信号。快衰落造成的误码为长串误码,而不是单独的。交织技术是将待传的信息重新排序,这样可以把突发的连串错误打散,变成单个的错误,因此能很好地消除快衰落产生的影响。

2.2 编码方案的选取

在无线信道中主要存在两种性质的错误:一类是随机性错误,即错误出现的位置是随机分布的,各个码元是否发生错误是互相独立的,错误通常不是成片地出现,这种情况一般是由信道的加性随机噪声引起的;另一类是突发性错误,即错误是一连串出现的,在一个突发错误持续时间内,开头和末尾的码元总是错的,中间的某些码元可能错也可能对,但错误的码元数相对较多,这种情况主要表现在移动通信中信号在某一段时间内发生了衰落或是在某些频点上受到了电磁干扰等。在随机错误与突发错误并存,且误码率较高的无线信道中,为了避免纠错性能与设备复杂性的矛盾,通常选用级联码的纠错方式[2]。级联编码通信系统结构框图如图1所示。

图1 级联编码通信系统Fig.1 Cascade coding communication system

将具有极强随机误码纠错能力的卷积码(Convolutional Code)与具有极强突发误码纠错能力的里德-所罗门(Reed-Solomon)码级联,作为本系统所采用的编码方案。下面对此种级联方式进一步阐述。

信道编码定理指出,随着码长 n的增加,译码错误概率按指数接近于零。因此,为了使码有效,必须使用长码。但是,随着码长的增加,在一个码组中要求纠错的数目相应增加,译码器的复杂性和计算量也相应增加,一直难以实现。为了解决性能与设备复杂性的矛盾,1966年福尼(Forney)提出了级联码概念,把编制长码的过程分成几级完成。使用非二进制码作为外码、二进制码作为内码的单级级联码已广泛应用于通信和数字数据存储系统中,以获得较高的可靠性并减小译码复杂度。内码一般较短,使用软判决译码算法进行译码;非二进制的外码一般较长,使用代数译码方法进行译码。在大多数应用中,使用RS码作为外码。级联码不仅有极强的纠突发错误和纠随机错误的能力,更重要的是利用级联码的构造方法,能达到信道编码定理给出的码限,构造出渐近好码(Shannon码)。

数据接收端译码时采用维特比(Viterbi)译码。Viterbi译码算法是一种针对卷积码而提出的最大似然译码算法[3]。此算法基于卷积码编码器的状态与时间的关系,求出码集中与接收序列有最小距离度量的码字。在译码器中有一个与发送端一样的本地编码器,只不过这个编码器能遍历所有的编码路径,而译码就是在每一个时刻都将这些路径与接收序列进行距离度量,并去掉那些度量值小的编码路径,最后留下的那条路径就是正确的译码路径。

3 级联编码Matlab仿真

级联编码的仿真框图如图2所示。我们用Matlab对RSCC级联编码在AWGN信道下的性能作分析,采用的是[155,117]RS码和(2,1,3)的卷积码。如图3所示,纵坐标为此通信系统的误码率,横坐标为通信系统的信噪比(SNR)。由于SNR代表了相同的信道条件,这样可以更直观地对比出不同的编码方法在相同信道条件下性能差异。

图2 交织级联编码通信系统Fig.2 Cascade coding with interleave communication system

图3 不同编码方式的仿真Fig.3 Simulation of different encoding methods

级联码的误比特率为

因此,在AWGN信道中,级联编码的误比特率公式

从仿真图可得,由RS码和卷积码够成的级联编码在信噪比为4.5dB时,误码率即可达到系统所要求的10-3。在超过4dB后,相同的信噪比下,RSCC的误码率要比只使用卷积码的误码率低,加入交织技术的级联编码误码率要更低一些。

级联编码与卷积码在低信噪比时性能接近,是由于RS码是分组码,每个码块的纠错能力有限,一旦错误超过它的纠错能力,它就不进行纠错,以免引入更多的差错。也就是说,RSCC级联码在低信噪比下相当于只有卷积码在进行译码,而RS译码几乎不起作用,只有信噪比高到一定程度,使得卷积码的译码结果中的错误在RS码的纠错能力之内时,RS码才能把卷积码译码剩余的差错纠正过来[4]。

RSCC级联码在实际应用中比较广泛,是一类比较典型的级联码,纠错性能相对来讲也是比较好的,由于卷积码纠随机错误的能力比较强加上RS码具有较强的纠突发错误能力[5],使得它们在信噪比较低的情况下就能达到比较低的误码率。

4 通信模块硬件实现

GPS气象探空主要有空中射频转发和空中数字转发两种方式[6],本文所采用的通信方式为数字转发。数字转发是将GPS OEM板的定位数据直接与温湿压数据合成编码后转发。数字转发的优点是减少探空仪设备的复杂程度,把大量处理过程转移到地面,降低探空仪的成本。采用数字转发方式,发射功率利用率较高,避免发生自激,工作频点可调,可避开环境的干扰。探空仪通信单元总体结构由球上设备和地面设备两部分组成。

4.1 球载通信部分实现

球载通信单元的工作原理为:接收PTU(温压湿)数据和GPS数据,进行编码、合成,将数字信息进行FSK调制,转变成射频信号,发送给地面接收系统[7]。探空仪数据发送模块的硬件结构框图如图4所示。

图4 GPS探空仪发射部分Fig.4 GPS radiosonde transmitter

GPS探空仪数据发送部分的核心器件是TI公司DSP5000系列的TMS320VC5402数字信号处理器,由于DSP内部没有FLASH,所以需要用外部的FLASH进行程序的引导和加载[8],且5402有两个通用串行接口,故选用SPI接口的FLASH-AT25128作为程序加载芯片。在使用5402时,选用IS32LV16作为SRAM,外扩RAM空间。将信号进行处理和编码后,将数据送到并行DA处理器——ADI公司的AD9744。由于DA输出的电压信号为离散信号,需要用滤波器进行平滑,对模拟信号的带宽进行限制。将输出的信号用ADI公司的大电流输出宽带运放AD817进行驱动,然后将信号上变频到403±3MHz,经过无线信道传输到地面接收单元。

4.2 地面通信部分实现

地面通信单元的工作原理为:接收探空仪发射的射频信号,解调出数字信息,进行解码,输出为GPS通道数据以及PTU(温湿压)测量数据。探空仪数据发接收模块的硬件结构框图如图5所示。

图5 GPS探空仪接收部分Fig.5 GPS radiosonde receiver

数据接收部分的核心也采用TI公司DSP5000系列的TMS320VC5402数字信号处理器,将下变频后的无线信号先通过开关电容滤波器MAX262进行滤波,将带外的模拟信号滤除,对信号处理和放大后,使用TI公司的并行模数转换芯片ADS805对信号进行采集,将采集到的信号送到DSP中,DSP对信号处理后将得到的数字信号通过串口RS232发送到计算机终端。

5 结 论

本文将级联编码、交织方案应用于现有GPS探空仪中,并采用TMS320VC5402数字信号处理器实现数据发射接收系统,其性能稳定可靠,开发技术成熟,提高了GPS探空仪通信单元的抗干扰性能,并降低了系统成本,且GPS探空仪新的收发体制的提出对促进国产GPS探空系统技术的提高和发展具有积极的意义。本文的RSCC算法还未在硬件平台上实现,有待进一步研究。

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