GPS探空儀通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　引言

　　在眾多的高空探測(cè)手段中，GPS探空儀作為一種新型的探測(cè)手段，具有全球覆蓋、費(fèi)用低廉、探測(cè)精度高、垂直分辨率高等特點(diǎn)，越來(lái)越被氣象、水利、民航等業(yè)務(wù)部門廣泛地應(yīng)用，具有巨大的市場(chǎng)需求。因此，開(kāi)發(fā)GPS探空儀具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　GPS探空儀的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是將GPS探空儀實(shí)時(shí)探測(cè)的溫度、濕度、壓力和GPS定位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼和數(shù)字調(diào)制，經(jīng)功率放大器放大為數(shù)字射頻信號(hào)后從空中傳回接收機(jī)，接收機(jī)對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼處理后再傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本通信系統(tǒng)由發(fā)射部分和接收部分組成，工作方式為單工。發(fā)射部分由發(fā)射模塊和發(fā)射天線組成，接收部分由接收天線、室外云臺(tái)、電纜保護(hù)器、低噪聲放大器、30米饋線和接收模塊組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　天線設(shè)計(jì)

　　天線是通信系統(tǒng)的重要組成部分。在高空中，由于風(fēng)速較大和風(fēng)向不確定，發(fā)射天線采用1/4λ柔軟電纜制成的全向天線，接收電平波動(dòng)較小，其增益約為-3 dBi，長(zhǎng)度約為17.7cm(使用前必須嚴(yán)格測(cè)試其駐波比，根據(jù)駐波情況適當(dāng)增減長(zhǎng)度)。經(jīng)過(guò)GPS探空儀多次放飛試驗(yàn)證明，采用1/4λ柔軟電纜制成的發(fā)射天線，既能收到很好的接收效果，又能節(jié)約大量的成本。

　　接收天線采用波束寬度比較寬(水平面波瓣寬度為65o，垂直面波瓣寬度為53o)，增益達(dá)10dBi的八木定向天線。由于GPS探空儀在升空過(guò)程中具有方位不確定性，因此，接收天線必須帶伺服跟蹤機(jī)構(gòu)。采用八木天線目的就是降低伺服跟蹤的復(fù)雜度，減少設(shè)備量。

　　實(shí)際應(yīng)用中，由于接收天線較輕、波束寬度較寬，因此，選用了云臺(tái)作為伺服跟蹤機(jī)構(gòu)。云臺(tái)解碼器控制室外云臺(tái)旋轉(zhuǎn)，與計(jì)算機(jī)之間的通訊采用RS-485電平，支持長(zhǎng)線傳輸，采用PELCO-D協(xié)議。圖2為室外云臺(tái)的控制過(guò)程示意圖。

　　發(fā)射、接收模塊

　　在發(fā)射、接收模塊設(shè)計(jì)中，采用無(wú)線收發(fā)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)很好的選擇，具有成本小、集成度高、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。從工作頻率和接收靈敏度等方面考慮，本設(shè)計(jì)采用Chipcon公司的CC1020芯片，調(diào)制方式為GFSK。CC1020是一種理想的單片可編程RF收發(fā)芯片，專用于低功率和低電壓類無(wú)線電產(chǎn)品，特別應(yīng)用于窄帶系統(tǒng)，通過(guò)編程使其工作在300~1000MHz。它集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、GFSK調(diào)制解調(diào)、可編程控制等多種功能，主要工作參數(shù)能通過(guò)串行總線接口編程改變。

　在發(fā)射模式下，合成的RF信號(hào)直接饋送到功率放大器PA，射頻輸出的GFSK信號(hào)是由饋送到DIO引腳的基帶信號(hào)通過(guò)GFSK調(diào)制產(chǎn)生的。發(fā)射模塊要得到200mW的輸出功率，必須使用小功率放大器驅(qū)動(dòng)輸出?？紤]到設(shè)計(jì)及調(diào)試的方便性，采用WJ公司的集成單片放大器ECG003。ECG003是一種高動(dòng)態(tài)通用放大器，采用InGaP/GaAS HBT技術(shù)，ECG003的P1dB為24dBm，Gain為20dB，CC1020輸出僅需要3dBm就可以了。軟件分為CC1020發(fā)射模式配置軟件和數(shù)據(jù)幀編碼軟件，發(fā)射模式配置軟件是單片機(jī)通過(guò)對(duì)CC1020寄存器進(jìn)行配置來(lái)完成的，數(shù)據(jù)幀編碼軟件是將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加上同步頭和結(jié)束符組裝成幀后送入發(fā)射機(jī)變成射頻數(shù)據(jù)發(fā)射出去。同步頭因數(shù)據(jù)格式為異步UART模式，應(yīng)選用AAAA33CC這樣非連0或連1的字節(jié)，以便接收穩(wěn)定的直流電平。單片機(jī)選用Atmel公司的ATmega8L，其芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具有高性能、低價(jià)格特點(diǎn)，可以使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)。發(fā)射模塊的框圖見(jiàn)圖3。

　　在接收模式下，CC1020可看成是一個(gè)傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)。RF輸入信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器(LNA和LNA2)放大后，翻轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)積分器(I和Q)產(chǎn)生中頻IF信號(hào)。在中頻處理階段，I/Q信號(hào)經(jīng)混合濾波、放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)行自動(dòng)獲取控制、信道濾波、解調(diào)和二進(jìn)制同步化處理，在DIO引腳輸出解調(diào)數(shù)據(jù)。接收模塊通過(guò)單片機(jī)對(duì)CC1020寄存器進(jìn)行配置來(lái)完成接收模式。CC1020被設(shè)置為自動(dòng)功率上升序列狀態(tài)，將被一個(gè)喚起信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行功率信號(hào)處理、檢測(cè)載波信號(hào)，單片機(jī)設(shè)置CC1020進(jìn)入接收模式，內(nèi)置的位同步器將同步時(shí)鐘與引入數(shù)據(jù)同步，并進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)濾波、位同步器和數(shù)據(jù)解碼等處理后輸出有效數(shù)據(jù)。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去除同步頭和結(jié)束符處理后，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送入計(jì)算機(jī)。將中頻濾波器帶寬設(shè)置為50kHz，查表得GFSK解調(diào)在誤碼率為10-2時(shí)信噪比要求為9 dB，根據(jù)計(jì)算，噪聲系數(shù)為1.6 dB，接收靈敏度按下式計(jì)算：

　　Smin =-114+NF+10lgB+S/N (1)

　　經(jīng)計(jì)算，接收靈敏度為-116 dBm，符合總體設(shè)計(jì)要求。

　　單片機(jī)還可以對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，折算成接收電平送入數(shù)碼管進(jìn)行顯示，可以直觀反映當(dāng)前的接收電平。接收模塊的框圖見(jiàn)圖4。

饋線和低噪聲放大器的選擇

　　接收天線與接收機(jī)之間使用30米的SYV-50-5饋線，衰減約為10 dB。

　　低噪聲放大器的增益為20 dB, 噪聲系數(shù)為1.0 dB?？紤]到低噪放安放在饋線的后級(jí)會(huì)影響接收機(jī)的靈敏度，因此，需要將低噪放安裝在饋線的前級(jí)。

　　為了避免雷擊的危險(xiǎn)，保障人員和設(shè)備的安全，我們?cè)谔炀€與饋線之間串聯(lián)了同軸電纜保護(hù)器，其插入損耗為0.3 dB。

　　關(guān)鍵指標(biāo)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

　　傳輸距離

　　接收通道總增益為20dB，發(fā)射天線增益Gt=-3 dBi，發(fā)射功率為Pt=200mW=23dBm，無(wú)線電波在空間傳輸，其自由空間損耗按下式計(jì)算：

　　Ls=32.45+20logf(MHz)+20logD(km) (2)

　　無(wú)線電波從發(fā)射模塊發(fā)射出去，經(jīng)過(guò)天線輻射，通過(guò)空中傳播，信號(hào)受到衰減，到達(dá)接收機(jī)時(shí)，接收?qǐng)鰪?qiáng)電平將按下式計(jì)算：

　　Pr=Pt+Gt+Gr-Ls (3)

　　按總體指標(biāo)要求，最大傳輸距離為200km時(shí)，自由空間損耗為L(zhǎng)s=130.6dB，則到達(dá)接收機(jī)的接收電平為-90 dBm。接收靈敏度為-115dBm，技術(shù)衰落儲(chǔ)備為25dB。技術(shù)衰落儲(chǔ)備越多，抗干擾能力越強(qiáng)，誤碼越少。

　　假設(shè)GPS探空儀離接收天線的最近距離為20m，自由空間損耗為L(zhǎng)s=50.6dB ，到達(dá)接收機(jī)的接收電平為-10dBm，接收機(jī)的飽和接收電平為10dBm，能夠滿足接收系統(tǒng)的近距離傳輸要求。

　　視距

　　無(wú)線電波的傳輸距離不僅僅取決于功率，既要求接收機(jī)有一定的技術(shù)衰落儲(chǔ)備，還受發(fā)射和接收天線高度的影響，即視距的影響。

　　由于受地球曲率的影響，兩個(gè)點(diǎn)(天線高度分別為Hm和hm)之間最大可視距離(視距)D(km)可按下式計(jì)算：

　上式已考慮大氣處于標(biāo)準(zhǔn)折射狀態(tài)，等效地球半徑為8493km。

　　本系統(tǒng)中，由于接收部分的天線架設(shè)在地面，發(fā)射部分的天線隨GPS探空儀在空中，假設(shè)接收天線架設(shè)高度為h=4m，因此，要使本系統(tǒng)的視距D達(dá)到200km，則GPS探空儀最低高度必須不低于2167m。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文論述的GPS探空儀的通信系統(tǒng)原理樣機(jī)已經(jīng)通過(guò)測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)GPS探空儀多次放飛和比對(duì)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)傳輸有效率達(dá)98%以上，最大傳輸距離大于200km，完全能夠符合GPS探空儀的通信要求。

　　為提高通信系統(tǒng)的可靠性，可以考慮采用適當(dāng)?shù)募m錯(cuò)編碼技術(shù)來(lái)減少誤碼，這將在下一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。