设计具有ARQ功能的全双工数据电台

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:对一般的HF电台和VHF/UHF电台而言,它们采用半双工的工作方式,要实现ARQ功能,电台必须进行收发转换,牺牲了系统资源。本文设计的数据电台采用TDD(Time-Division Duplex)协议,利用MCU、扩频芯片W9310及射频模块W9306构成全双工数据电台,为系统提供全双工信道,用户在DTE终端设备通过软件编程,实现ARQ功能。 关键词:半以工/全双工 ARQ 数据电台 TDD协议 1 系统组成 系统由全双工数据电台和用户的DTE终端设备组成,框图如图1所示。 全双工数据电台提供数传通道,全双工最大传输速率为64kb/s,ARQ功能由DTE终端通过软件编程实现。 2 数据电台的硬件设计 全双工数据电台由MCU 89C51、扩频芯片W9310、射频模块W9360、MAX238(RS232接口芯片)、扩展并口8255及电台的参数设置、波道显示等电路组成,如图2所示。 W9310为直接序列扩频加解扩和数据处理芯片,它内部包括6个功能模块: *串行总线接口SBI—与MCU实现双向通信; *接收机—完成扩频接收机的所有数字信号处理功能; *发射机—产生扩频的PN码,并将加扩结果输出到射频模块W9360; *TDD控制器—实现TDD协议和各种握手信号、接口信号; *发送和接收的FIFO—作为发送和接收数据的缓冲器; *主时钟产生器—产生驱动W9310各模块的时钟信号。 图2中,各部分的作用是: *MAX238为4入/4出的RS232接口芯片,实现TTL电平与RS232电平转换。 *W9310的串口信号线(RTS、CTS、DCD、DTR、DSR、TXD、RXD)通过MAX238与DTE终端相接。另外,W9310为用户提供接收时钟(FCLK_RT)和发送时钟(MHZ2_ST),在MHZ2_ST的上升沿采样Tx引脚上的信号,在FCLK_RT的下降沿采样Rx引脚上的信号。 *W9310与射频模块W9360的接口信号线有:DI、MODOUT、PLLSW、TXEN和RFPWR。其中,DI是W9360接收机送来的解调信号;MODOUT是W9310扩频后的基带信号,它输出给W9360射频模块;TXEN控制射频模块的收/发转换;PLLSW用来切换电台的PLL;REPWR控制发射机功放电源的开关。 *89C51通过8255读取电台的工作参数设置,包括:全双工/半双工、发射的高/低功率、PN码组、同步特字UW(Unique Word)、主叫方/被叫方、电台的工作波道等;89C51在读取电台的工作参数后,通过它的P1口设置W9310、W9360的相应寄存器并将相关的引脚设置为高、低电平;89C51通过8255将当前工作的波道号送LED显示,电台的各种工作状态指示送发送二极管显示。 *W9360模块提供基带到RF和RF到基带的信号转换,模块内Philips公司生产的UMA1015M双频率全台器及两个VCO,组成发送、接收波道选择的两个锁相环。MCU根据设置的波道通过串口编程UMA1015M的控制寄存器。 综合以上内容,图3给出了DTE终端、MAX238、W9130和W9360的连线图。 DTE与数据电台的数口信号完全符合RS232C标准。在开始数据通信前,用户必须使RTS、DTR信号有效,主叫方和被叫方完成捕获突发帧和空闲突发帧交换后,W9310使CTS有效,表示W9310已准备好传送Tx引脚上的数据;DCD信号有效时,表示W9310将接收的数据送到Rx引脚上。全双工接口时序如图4所示(假设RTS、DTR有效)。 3 TDD协议原理 W9310通过TDD协议实现全双工。TDD协议将W9310轮流设置为发射机和接收机,当两部电台通信时,一部为主叫方,另一部为被叫方。TDD协议保证主叫方发送时,被叫方接收,反之亦然。对用户而言,他们只关心在保证要求的传输速率下,电台是否全双工工作,所以,W9310的实际传输速率要高于用户的数据速率。理想情况下,假设W9310的传输效率100%,而且不附加任何同步数据,那么,它的收发速率是用户数据速率的2倍,一半时间发送数据,一半时间接收数据。但实际情况是,W9310为保持同步,它要在用户的数据前添加同步开销数据,所以,它的实际传输速率是用户速率的2.6倍。 TDD协议中用到捕获突发帧、空闲突发帧和数据帧三种帧结构,图5为它们的结构图。 帧中各部分的位数如表1所列。 表1 名 称 位 数 预码 32 特字UW 22 状态码ST 4 数据 288 TDD协议的工作过程如下: 开始时,TDD协议使用一种特殊的握手过程,通信双方建立同步。主叫方首先发送捕获突发帧,被叫方正确接收后,向主叫方发送捕获突发帧作为响应;主叫方收到被叫方的捕获突发帧后,发送空闲发帧,被叫方收到空闲突发帧后,作为对主叫方的响应,被叫方也向主叫方发送空闲突发帧;主叫方收到被叫方的空闲突发帧后,认为通信双方已完成同步,通信链路已建立,在随后的通信中,双方开始传送数据。TDD协议的工作过程如图6所示。 在TDD协议工作过程中,接收机要经过几个阶段。当正确接收捕获突发帧中的4个特字UW后,接收机的LOCK输出信号有效;当正确接收突闲突发帧后, 接收同的RLOCK输出信号有效。随后,接收机的工作过程W9310内部寄存器中的工作状态位的设置有关,分两种工作情况。当工作状态位关闭时,一旦检测不到特字UW,传输就停止,接收机等待新的捕获突发帧,发射机开始不停地发送捕获突发帖,直到接收到接收机发送的捕获突发帧;当工作状态位打开时,接收机在检测不到特字UW时,并不是马上使输出信号LOCK无效,而是在连续两次检测不到特字UW时才使输出信号LOCK无效。接收机状态转移图如图7所示。 图7中,UW4DET表示正确接收到捕获突发帧中的4个特字UW;当正确接收到空闲突发帧和数据帧中的特字UW时,UWDET有效;MSB表示W9310设置成主叫方(=1)还是被叫方(=0);接收机内部锁相环锁相时,NMODE有效。 4 数据电台的软件设计 图8为数据电台的软件流程图。电台面板上有一个建链/拆链按钮,每按一次,建链/拆链交换一次,且按钮的一方为主叫方。W9310建立链路有两个条件:一个是DTR信号有效,DTE加电后,提供给电台;另一个是要设置W9310片内的主叫方/被叫方的标志位MASTER=1。一旦满足上述两个条件,W9310立即与被叫方开始建立链路。定时器中断子程序根据按钮是否有动作,而决定是否设置链路建立标志位,供主程序查询;主程序根据链路建立标志位,结合链路状态标志位决定是建链还是拆链。 5 ARQ方式的三种形式 ARQ的作用原则是对出错的数据帧自动重发,它有三种形式:停等协议ARQ、连续ARQ和选择重传ARQ。 (1)停等协议ARQ *发方发送一个数据帧后,必须等待收方的确认帧才可以发送下一个数据帧; *在收方接收错误时,收方发一否认帧,要求发方重发该帧; *为防止发送的数据丢失,发方内部设置一个定时器,当超过定时时间发方仍未收到确认帧时,发方重发该帧; *为防止确认帧丢失而造成发方重发同一数据帧,发方给每一个数据帧带上一个序列号。 (2)连续ARQ 连续ARQ是连续发送若干数据帖,如果接收到收端的确认帧,则继续发送;发方在每发完一个数据帧后,就启动内部超过定时器,在设置的超时时间内未收到确认帧,则重发相应的数据帧。 图8 数据电台的软件流程图 (3)选择重传ARQ 这种方式只重传出现差错的数据帧或定时器超时的数据帧。 三种方法各有利弊,停等协议ARQ最简单,便信道利用率最低;选择重传ARQ信道利用率最高,但它要求接收端的缓冲容量相当大;连续ARQ介于两者之间。在应用中应根据实际情况选择。 6 应用与结论 本文设计实现的具有ARQ功能的全双工数据电台可广泛应用于点对点的无线数据传输系统中,由于它具有极低的误码率,且传输速率可达64kb/s,因而在要求可靠传输的环境中,具有很好的应用前景。
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