基于模拟广播信道的数字信息传输系统



基于模拟广播信道的数字信息传输系统

Digital communicationEarly warning system

0引言

城市、校园以及大多数乡村都有可利用的调频广播资源[1]，然而，就目前来看，大部分现有广播只能完成音频信息的发送，许多公众信息发布均利用移动通信网络技术实现，广播系统的利用率低。若能利用现有广播进行公众信息的发布，不仅可以扩展广播系统的功能、节省无线信道资源和使用移动通信方式产生的流量费，还可在地震等突发情况发生时，避免因部分网络通信设备的损坏而影响信息发布的及时性。

参考文献[2]给出了一种基于广播数据系统(radio data systems，RDS)的天气预警系统设计，实现了数据的收发功能。该系统需要专用的RDS发射机，这改变了现有广播发射系统结构，而没有充分利用现有广播资源。参考文献[3]利用数字水印算法，实现了基于模拟广播信道的文字发布系统，但其整个收发系统十分复杂，误码率高，难以实用化。

针对上述问题，本文基于HART调制解调技术和调频接收器RDA5820，实现数字信号与模拟信号的可靠转换和调频信号的有效接收，降低了系统设计复杂度，并完全利用现有广播发射系统资源，达到了提高广播资源利用率的目的。

1系统方案设计

系统由发射部分和接收部分组成，其整体框图如图 1所示。

图1　系统整体框图

发射系统负责信息的发布：上位机将待发送信息及相应的控制参数(信息发送速率、次数等)通过串口发送给微处理器，微处理器提取信息并进行编码、组帧等处理，然后通过HART调制器实现数字信号的模拟化。由于模拟化的信号幅度较低，必须进行幅值放大预处理，经过预处理后的信号通过音频接口线送入现有调频发射机进行调制并发送。

接收系统负责信息接收和恢复：FM解调器接收广播信号并解调，对解调后的调制信号进行放大预处理，然后送入HART解调器完成模拟信号的数字化;该数字信号直接送入微处理器的串口进行信息提取，并由微处理器进行数据解码，恢复发送系统上位机发送的原始信息；同时，将接收到的信息显示在显示终端上，并以txt文本形式存储在SD卡中。

2硬件电路设计

2.1核心处理器及电源设计

系统采用ST公司的STM32F405处理器。该处理器采用Cortex-M4结构，具有32位的RISC内核，最高工作频率为168 MHz；内部集成1 024 kB闪存和196 kB SRAM，具有很强的数字信号处理和并行计算功能；内部自带看门狗，可有效减小系统因外部干扰产生的不稳定性；包含标准和先进的接口，分别是3个IIC和SPI、2个UART、2个CAN和1个SDIO接口，以方便与外设直接通信。

系统需用到的电压包括3.3 V、5 V和-5 V。其中，±5 V电压给幅值放大电路供电，3.3 V电压用于给微处理器及板上其他数字IC供电。外部输入直流电压为6 V，经过电压转换芯片TPS62050，可以把电压稳定在5 V；5 V电压再经过TPS6735和ADP1710-3.3 V后，分别得到-5 V和3.3 V。

2.2HART调制解调器

HART协议物理层使用相位连续的频移键控(frequency-shift keying，FSK)调制技术[4-5]，在4～20 mA模拟信号上叠加一个幅度为0.5 mA、均值为0的频率信号，以1.2 kHz和2.2 kHz交流信号分别代替数字信号的“0”和“1”，可方便地实现数字信号与模拟信号的双向转换。HART调制波形如图 2所示。

图2　HART调制波形图

输入/输出信号分别为FSK信号和UART信号，避免了传统A/D和D/A转换的复杂性和转换误差。UART信号输入HART调制解调器的TXD引脚，在HART_OUT引脚即可输出对应的FSK信号。对于HART解调，FSK信号输入HART_IN引脚，在RXD引脚即可输出对应的UART信号。

本文选用ADI公司的专用HART调制解调器AD5700，其内部自带带通滤波器，数据传输率为1.2 Mbit/s[6]，可直接通过标准的UART接口与STM32F405通信。部分电路图如图 3所示。

图3　AD5700调制解调电路图

AD5700调制时，一方面通过UART接口与STM32F405进行串行通信，另一方面将输入的数字信号调制成频率分别为1.2 kHz和2.2 kHz的FSK频移键控信号，并由HART_OUT引脚输出。AD5700解调时，FSK信号由HART_IN引脚输入，将其转换为标准串口数据格式，送入STM32F405进行处理。

2.3放大电路

在发送系统中，由于HART调制解调器AD5700输出的FSK信号的峰峰值大约在200 mV，所以必须对其进行幅值放大，以更好地满足调频发射机对调制信号的要求。同时，由于接收系统FM解调后的信号比较微弱，也必须对其进行幅值放大后再送入HART解调器中，以降低误码概率。

本设计中，均采用由TI公司的精密运算放大器OPA743构成的同相比例放大电路。该放大器具有很低的内部噪声和很高的压摆率，可以对信号进行有效的线性放大；同时，采用同相比例放大电路，利用其高输入阻抗特性，起到了阻抗匹配的作用，减小了调频发射机对调制信号的影响。

2.4FM接收解调

在接收系统中，设计了FM信号解调电路。该电路以调频接收芯片RDA5820为核心，其工作频段为65～108 MHz，内部集成了4 kB存储器，在保存频率信息和数据时具有独特优势。RDA5820内置高精度A/D及数字频率合成器采用噪声消除电路设计，具有非常高的接收灵敏度，噪声小，抗干扰能力强[7]。其硬件电路设计如图 4所示。图4中，D1、D2为ESD二级保护管。

图4　FM接收解调硬件电路图

将MODE引脚拉低，RDA5820便通过IIC总线接口与STM32F405进行通信，并将FM解调后的FSK信号送入HART解调器的HART_IN端，进行HART信号解调，以恢复数字信号。

3软件设计及实现

3.1软件整体设计

本系统软件由3部分组成：发送端上位机软件、发送端下位机软件和接收端下位机软件。其设计流程图如图 5所示。

图5　程序流程图

发送端上位机软件完成待发送信息的管理，包括信息编辑、信息发送次数以及发送速率的控制等，并通过串口与发送端下位机通信。发送端和接收端下位机软件完成相应的硬件初始化和信息的编解码等处理。

3.2通信协议

对于本数据传输系统，发送方和接收方需约定统一的通信协议，以便接收方判断接收的数据是否有效，并对数据进行分类处理等。

本文通过二进制编码的方式进行通信，通信协议帧结构如图 6所示。

图6　通信协议帧结构示意图

该结构由起始字符、帧长度、信息类型、信息字段和结束字符组成。起始字符和结束字符分别由2个不同的字节数据构成，表示一帧数据的开始和结束；帧头信息包含一个完整帧的字节长度，由4字节构成；信息类型表明该信息帧属于哪类信息(如：科技类、财经类、体育类等)，由1个字节构成；信息字段包含上位机发送的数据和信息校验位，通过该校验位可完成数据的纠错功能。

3.3混合纠错编码

循环冗余校验(cyclic redundancy check，CRC)码是一种在二进制通信系统中常用的差错检测方法[8]，通过在原始数据后加冗余校验码来检测差错，其生成原理参考文献[9]。

文献[10]给出证明：在典型的无线环境下(传输信道误码率p为10-3～10-5，帧长n=128～1 024 bit，np<1)，当p→0时，1bit错误帧在总的错误帧中的比率为R→1，表明当比特误码率p足够小的情况下，绝大部分帧错误是每帧1bit错误，因此纠正每帧1bit错误有实际价值。

本文设计了一种基于CRC和偶校验结合的混合纠错算法，采用G(x)= x3+x+1的(7，4)循环码。其包含4个信息位和3个校验位，将信息字节拆开成高、低4位并和校验位组成一个字节分别发送；在每字节的最后一位添加偶校验位，以避免偶数位同时出错情况下的纠错。信息位的许用码组如表 1所示。

表1　许用码组表

续表1

由表 1可以看出，该码组最小海明距离为3，所以可以检测2位错和纠正1位错。对接收到的信息进行CRC校验，根据其校验所得的余数可检测出错位的具体位置，其对应关系如表 2所示。

表2　出错位与校验结果关系

编码时，将表 1中所有许用码字的后4位放入查找表中，根据待发送的字节数据的高4位和低4位进行查表，并对4位信息位加上对应的校验信息，最后将编码后的数据发送出去。解码时，结合CRC校验和偶校验以及表 2给出的关系，对接收的字节数据进行纠错,其纠错流程如图 7所示。

图7　纠错程序流程图

4测试结果及结论

本文选用CZE-15B型调频发射机和CZH车载天线验证系统功能，设定发送功率和频率分别为0.3 W和88 MHz，天线增益为3 dBi，固定收发系统直线距离为50 m，显示设备为TFT彩屏(实际应用时可根据具体环境更换显示设备)。由发送端上位机发送文字“Hello，欢迎来到这座城市！”，接收端液晶屏上显示文字“Hello，欢迎来到这座城市！”。结果表明，本系统具有稳定可靠的数据传输功能。

为进一步测试系统误码率，将系统置于空旷环境下，固定发射机位置并设定功率为0.3 W，单次发送字节数据为1×107个，调整接收系统与发射机的直线距离，并在同一接收位置进行10次实验，观察数据接收情况，统计传输误码率。通过实验，得到10次实验的平均误码率与距离关系如表 3所示。

表3　平均误码率与传输距离关系

由表 3可以看出，在200 m内，数据丢包数极少，误码率低于10-6，但随着距离增加，信道中电磁波减弱使误码上升。当传输距离超过500 m时，其误码率超过97%，基本失去通信能力。

5结束语

本文细述了一种基于模拟广播信道的数字信息传输系统的设计方法及其实现过程，通过HART调制解调器完成数字信号与模拟信号的转换，实现了在现有广播平台上的数字信息的发布和接收。本系统数据传输可靠，可用于校园、城市、企业单位等公众信息的发布，具有很好的推广价值和经济潜力，为数字通信手段提供参考。

[1] 陈泽虎,倪林,严杰.一种调频广播数据接收显示系统的设计[J].电视技术,2014,38(15): 114-117.

[2] 李丹.基于FM-RDS技术的灾害性天气预警系统的设计[D].郑州: 郑州大学,2013.

[3] 周红燕.基于模拟广播信道的文字信息发布系统[D].苏州: 苏州大学,2011.

[4] Hu F Z,Chen G L.Design and implementation of HART physical layer for smart transmitters[J].Applied Mechanics and Materials,2014: 530-531,1130-1133.

[5] Johnson T.HART communication networks are improved by small,flexible,low-power modem ICs [J].Analog Dialogue,2012,46(4): 21-23.

[6] 张燕,沈昱明.基于AD5700的HART协议通信接口设计[J].火控雷达技术,2015(1): 188-190.

[7] 王晓峰,王素香,武晓威,等.基于STC12LE5A16S2和RDA5820的校园调频无线广播系统的设计[J].电力学报,2013,28(5): 433-437.

[8] 周建红,刘晓斌,张超.ADS-B系统应答的一种纠错算法设计与实现[J].火控雷达技术,2011,40(3): 91-95.

[9] 蒲朝飞,张超.一种改进的循环冗余校验纠错技术[J].微电子学与计算机,2014,31(4): 83-86.

[10]杨杰,朱建锋,安建平.无线传输中的循环冗余校验码纠错应用扩展[J].北京理工大学学报,2005,25(8): 726-729.

Digital Information Transmission System Based on Analog Broadcast Channel

杨俊江虹张秋云

(西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳621010)

摘要：针对部分广播信道资源利用率低的缺点，提出了一套基于模拟广播信道的数字信息传输系统，并设计一种CRC校验和偶校验相结合的前向纠错算法，以降低系统误码率。系统以STM32F405为核心处理器，基于HART调制解调器AD5700实现数字信号的调制解调；利用现有广播发射台，完成数字信息的收发。实验表明，系统数据传输可靠，具有误码率低、实用性强等特点，推广价值高，为数字通信提供了一种有效途径。

关键词：广播信道HART调制解调器前向纠错算法误码率循环冗余检验数字通信预警系统

Abstract：Aiming at the disadvantage of low resource utilization in some of the broadcast channels, a digital information transmission system based on analog broadcast channel is proposed, and a forward error correction algorithm combining CRC and even-parity check is designed to reduce the error bit rate (BER) of the system. With STM32F405 as the core processor, and using HART modem AD5700, the modulation and demodulation of digital signals are implemented. The system realizes transceiving of digital information based on existing radio transmitting station. Experimental results show that the system features reliable data transmission, low bit error rate, strong practicability, and high popularization value, and provides an effective way for digital communication.

Keywords:Broadcast channelHART modemForward error correction algorithmBit error rate(BER)Cyclic redundancy check(CRC)

中图分类号：TP302+.1;TH89

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604010

中国工程物理研究院委托基金资助项目(编号：15zh0012)。

修改稿收到日期：2015-08-25。

第一作者杨俊(1991-)，男，现为西南科技大学信息与通信工程专业在读硕士研究生；主要从事通信与信息处理方向的研究。