基于SDR的短波数传装置设计①

舒贤宇 李鉴洋 朱浩楠 梁家和 李琪 王金聪

(东北林业大学机电工程学院 黑龙江哈尔滨 150040)

在数传方面，目前使用最广泛的几种方案有低成本的LoRa、Zigbee，但传输距离非常有限；有高速、稳定的GSM、NB-LoT，但需要投入建设和运营中继基站，成本不菲。而成本低且传输距离极远（＞100km）的数传设备暂时属于空白，并且远距离数据传输主要依赖光纤网络和卫星通信，其造价和运营成本都非常高，在一些特殊需求上无法建设并投入运营。因此短波数传方案在跨洲、跨洋等远距离数传需求上有很大应用空间，其成本低、传播距离远、组网方便，可应用于森林防火监控系统、野生动物动态监测系统、输油管网监测系统等特殊领域。

图1 发射机-接收机传输示意图

图2 短波数传装置整体结构示意图

图3 短波数传装置防护罩结构示意图

图4 单片机部分结构示意图

1 设计理念

本文设计介绍了一款基于SDR的短波数传装置，包括发射机和接收机两部分。

如图1发射机基于单片机软件开发，主要负责从传感器采集数据并调制信号，以短波作为载波发射，利用电离层对短波信号的反射实现跨数百公里的直接数据传输。

图5 电路结构示意图

图6 超外差电路示意图

图7 位同步原理图

接收机由超外差电路和FPGA模块构成，负责解调接收到的多路模拟信号，将解调所得数字信号输出到计算机。

此外，本装置还同时利用FPGA多阵列分频工作组建星型工作网络，以低成本的方式实现对广阔区域的覆盖和建立通信链路。

2 基于SDR的短波数传装置设计

2.1 短波数传装置整体结构设计

本装置主要由短波数传装置本体、单片机、射频发射电路板和防护罩等部分组成，具体见图2和图3。

2.2 短波数传装置单片机部分设计

本装置采用STM32单片机，在短波数传装置本体的内部安装单片机，在单片机的一侧安装有射频发射电路板，在射频发射电路板的一侧安装有天线，具体示意图见图4。

2.3 短波数传装置软件部分设计

（1）电路结构。

发射端由STM32单片机、射频发射电路和天线构成，单片机负责采集信号和调制；接收端由超外差电路、FPGA模块和天线构成，负责对信号的解调，并输出解调信号给计算机，见图5。

（2）超外差接收电路。

天线接收到的高频信号经过滤波和放大，送入混频器与本地振荡器产生的高频信号差频后获得一个中频信号，经过放大，完成对信号的变频，最后将中频信号送入解调器，见图6。

（3）位同步。

采用数字锁相环位同步，由可编程的FPGA来实现。当提取位同步基准脉冲后，锁相环读取表示位同步脉冲分频器的相位计数值，若相位差为零，则处于位同步状态；若为某一差值，则加大或减小分频器模值存储器的值，见图7。

3 基于SDR的短波数传装置有益效果

（1）远距离：以短波为载波，利用电离层对短波的反射，可以实现数百公里远距离的点对点数字通信；

（2）成本低：无需中继基站、无运营成本，可解决特殊应用领域的远程通信需求，填补空白市场；

（3）可组网：接收端采用FPGA可编程门阵列，可多路接收，易于组建星型拓扑网络；

（4）SDR：采用软件无线电(Software Defined Radio)的先进设计理念，SDR是当今无线电技术的发展方向，其具有技术前瞻性、可编程、通用性高、低功耗、体积小、成本低等优点。

4 结语

本装置通过利用SDR等技术，综合考虑了成本和传输距离等各种因素，设计了一款基于SDR的短波数传装置，不仅保证了成本，还能在使用的过程中方便组网，实现多路接收，并增加了有效通信距离，提高了数据传输速率，对于短波数传的应用等方面具有一定的参考价值。