無(wú)線通信電臺(tái)的通信協(xié)議研究

　　摘　要：通信協(xié)議是通信系統(tǒng)在通信鏈路上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的軟件構(gòu)架及程序編寫(xiě)規(guī)則，任何通信系統(tǒng)之所以能正常工作離不開(kāi)通信協(xié)議的支持。本文以研制一種通信電臺(tái)為例，提出了一種適合無(wú)線通信電臺(tái)的通信協(xié)議，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此協(xié)議具有很好的性能。
　　關(guān)鍵詞：通信電臺(tái)；通信協(xié)議；DSP；FPGA
一、引言
　　任何通信系統(tǒng)均有一定的通信協(xié)議支持來(lái)完成通信的任務(wù)，一般通信系統(tǒng)至少包括物理層通信協(xié)議和鏈路層通信協(xié)議。物理層通信協(xié)議用于在數(shù)據(jù)鏈路的實(shí)體之間為位傳輸所需要的物理連接的建立、保持和拆斷提供電氣的、機(jī)械的、功能性的特性。鏈路層協(xié)議是在通信系統(tǒng)的物理層正常工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步管理和控制，主要完成建立鏈路、拆除鏈路、流量控制、同步控制和差錯(cuò)控制的功能。本文提出的通信協(xié)議主要包括物理層協(xié)議和鏈路層協(xié)議，經(jīng)過(guò)通信電臺(tái)的試驗(yàn)證明它是一種可靠的高效的通信協(xié)議，具有較高的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

二、通信協(xié)議的原理
　　本文提出的一種通信協(xié)議用在一種無(wú)線通信電臺(tái)上，此協(xié)議能很好地滿足此通信電臺(tái)間歇式工作的要求，其原理如圖1所示。



　　當(dāng)無(wú)線通信電臺(tái)的天線接收到信息時(shí)，上變頻模塊把射頻端的數(shù)據(jù)送給現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列器件（FPGA）進(jìn)行解碼，F(xiàn)PGA解碼后的數(shù)據(jù)放在FPGA的發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，此緩沖區(qū)大小設(shè)置為1024 byte大小，當(dāng)此緩沖區(qū)滿時(shí)產(chǎn)生一中斷信號(hào)觸發(fā)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），DSP內(nèi)開(kāi)辟一個(gè)大小為1 024 byte的緩沖區(qū)txqueue，txqueue通過(guò)數(shù)據(jù)總線方式接收FPGA發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，當(dāng)txqueue滿時(shí)，再通過(guò)DSP的定時(shí)器中斷方式把txqueue內(nèi)的1 024 byte的數(shù)據(jù)發(fā)往接口器件（MAX3111E）內(nèi)的發(fā)送數(shù)據(jù)Buffer，此Buffer內(nèi)的數(shù)據(jù)最終發(fā)往個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)，PC機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。
　　當(dāng)PC機(jī)有數(shù)據(jù)和命令要發(fā)送時(shí)，首先把PC內(nèi)的數(shù)據(jù)或命令以9 600 bps的速度通過(guò)MAX3111E的接收數(shù)據(jù)FIFO發(fā)送到DSP中1 024 byte大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)rxqueue，當(dāng)rxqueue的數(shù)據(jù)滿時(shí)，查詢FPGA的接收數(shù)據(jù)緩沖有沒(méi)有空，如果FPGA的接收緩沖區(qū)空時(shí)，則把rxqueue的數(shù)據(jù)發(fā)往FPGA的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，F(xiàn)PGA對(duì)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理后送上變頻模塊。PC機(jī)發(fā)送的幀包括命令幀和數(shù)據(jù)幀，幀結(jié)構(gòu)如表1和表2所示。



　　命令幀用于向DSP發(fā)送開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、復(fù)位等命令用來(lái)監(jiān)控電臺(tái)的工作，數(shù)據(jù)幀用于定義PC和DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的格式。命令幀共5 byte，即5×8 bit，其 中 幀 頭為70 H、70 H表示一幀開(kāi)始傳輸，data1表示所要發(fā)送的命令（包括開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、復(fù)位等），校驗(yàn)字用于檢驗(yàn)所發(fā)命令是否正確，幀尾7EH表示幀傳輸結(jié)束。數(shù)據(jù)幀共128 byte，即128×8 bit，其中幀頭為7EH、7EH表示一幀開(kāi)始傳輸，Point1、Point0用于計(jì)算已傳輸出幀的個(gè)數(shù)，Point1表示計(jì)數(shù)器的高位數(shù)值，Point0表示計(jì)數(shù)器的低位數(shù)值，data0～data121表示所要發(fā)送的數(shù)據(jù)，校驗(yàn)字CRC1、CRC0用于檢驗(yàn)所發(fā)命令是否正確，此類幀采用循環(huán)校驗(yàn)碼CRC的16位校驗(yàn)方式，此幀不設(shè)結(jié)束標(biāo)志，校驗(yàn)結(jié)束即表示數(shù)據(jù)幀傳輸結(jié)束。��

三、通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
1.通信協(xié)議的硬件實(shí)現(xiàn)
　　通信協(xié)議的硬件實(shí)現(xiàn)是在通信電臺(tái)基帶信號(hào)處理的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，通信協(xié)議的物理層硬件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵包括DSP與PC交換數(shù)據(jù)電路和FPGA與DSP交換數(shù)據(jù)電路兩部分。DSP與PC交換數(shù)據(jù)如圖2所示，采用TMS320VC5416型DSP為通信電臺(tái)的基帶主控芯片，DSP通過(guò)MAX3111E型UART接口芯片與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，MAX3111E芯片內(nèi)有發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)MAX3111E收到DSP發(fā)來(lái)的一個(gè)byte時(shí)或接收到PC發(fā)來(lái)的一個(gè)byte時(shí)均產(chǎn)生中斷觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)DSP的外部中斷三（INT3），DSP完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，從而達(dá)到與PC交換數(shù)據(jù)的目的。FPGA與DSP交換數(shù)據(jù)如圖3所示，F(xiàn)PGA發(fā)送緩沖區(qū)滿或接收緩沖區(qū)空時(shí)，產(chǎn)生一低電平觸發(fā)DSP的一個(gè)外部中斷（如INT2），首先在中斷服務(wù)程序中判斷是FPGA發(fā)送緩沖區(qū)滿事件產(chǎn)生的中斷還是FPGA接收緩沖區(qū)空事件產(chǎn)生的中斷，如果是FPGA發(fā)送緩沖區(qū)滿事件中斷時(shí)，F(xiàn)PGA通過(guò)數(shù)據(jù)總線方式向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)；如果是FPGA接收緩沖區(qū)空事件中斷時(shí)，DSP通過(guò)MCBSP1口發(fā)送數(shù)據(jù)至FPGA的接收緩沖區(qū)。FPGA數(shù)據(jù)緩沖空或滿狀態(tài)作為DSP的中斷觸發(fā)事件，避免了DSP的CPU采用查詢方式，節(jié)省了DSP的CPU資源和軟件開(kāi)銷。




2. 通信協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)
　　通信協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)程序流程包括電臺(tái)接收數(shù)據(jù)和電臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)兩部分，電臺(tái)收發(fā)數(shù)據(jù)的程序流程與圖1中所示的通信原理基本相同。本文用C5416型DSP為數(shù)字信號(hào)的主處理器，接收下變頻模塊來(lái)的數(shù)字信號(hào)完成解擴(kuò)、同步等功能后進(jìn)行去除符號(hào)間干擾的算法，再送FPGA完成編碼信號(hào)的解碼，解碼后的信號(hào)送C5416通過(guò)MAX3111E接口電路上傳給PC機(jī)。PC機(jī)把需要發(fā)射的數(shù)據(jù)或命令通過(guò)MAX3111E、C5416送給FPGA進(jìn)行信號(hào)編碼以起到抗信道干擾的作用。本文在硬件平臺(tái)上采用TPC（64，57）x（32，26）的信道編碼方式，并且進(jìn)行速率匹配（碼率為0.75）和1.6 s交織后，在高斯信道下可以獲得大約2.5dB的增益，仿真結(jié)果如圖4所示，在瑞利信道下可以獲得大約4 dB的增益，仿真結(jié)果如圖5所示。




　　本通信協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在與如何用MAX3111E接口芯片實(shí)現(xiàn)DSP與PC的數(shù)據(jù)交換，硬件接口如圖2所示，其中DSP通過(guò)多通道緩沖口（MCBSP）工作于串行同步接口（SPI）協(xié)議方式，軟件主要包括MCBSP的初始化程序、MAX3111E的驅(qū)動(dòng)程序、DSP外部中斷INT3的服務(wù)子程序等部分，其中中斷INT3的服務(wù)子程序流程圖如圖6所示。



四、結(jié)論
　　通過(guò)通信電臺(tái)的測(cè)試結(jié)果表明，此通信協(xié)議設(shè)計(jì)正確、可靠，能順利地保障通信電臺(tái)之間信息的收發(fā)，具有較高的理論指導(dǎo)意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

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