基于DSP技術實現(xiàn)專用無線數(shù)傳系統(tǒng)的設計與應用分析

引言

在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸是實現(xiàn)自控的基礎，數(shù)據(jù)傳輸可以簡單地分為有線（包括架設光纜或租用電話專線）和無線（分為建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)或借用CDPD，GSM，CDMA等公用網(wǎng)絡信息平臺）兩種方式。一般的自來水行業(yè)的取水泵站與凈水廠都有一定的距離（一般為幾公里到幾十公里），而中控室一般設在凈水廠，因而要求取水泵站遠程子站能夠將采集其信號并及時傳回中控室，同時將中控室的指令快速傳給遠程子站以實現(xiàn)取水泵站的自動控制。這就要求無線通信系統(tǒng)具有傳輸速率高、輪詢時問短、響應時間快等特點。所以，實現(xiàn)取水泵站的自動控制必須建立可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1、專用無線數(shù)傳系統(tǒng)的整體結構

圖1所示是一個無線數(shù)傳電臺的整體結構圖。現(xiàn)在國內大部分的遙控遙測電臺都是用模擬調頻對講發(fā)信機（即車載電臺）加MODEM芯片改制而成的。它不是專業(yè)的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸設備，而是工作于230 MHz／800 MHz數(shù)傳業(yè)務頻段和350 MHz／800 MHz集群業(yè)務頻段的對講機。這種方式在國外早已淘汰。用這種電臺傳輸數(shù)據(jù)存在著可靠性差、性能指標低、誤碼率高、靈敏度低、無網(wǎng)管等缺點。如果數(shù)據(jù)傳不回來或控制不能下達，它將無法判斷是停電、電源壞、信號差、天線饋線不匹配、溫度高還是PLC／／RTU無數(shù)據(jù)。因此，在要求高速度、遠距離、高可靠性的傳輸中，則應當采用本文給出的基于DSP （Digital SignalProcess-ing）等技術的數(shù)傳電臺。而美國MDS公司以及DATAIANC等廠家的設備，也具備這些功能。

2、無線數(shù)傳工作原理

無線數(shù)傳系統(tǒng)中上位機與模塊間的通信是通過異步串口來完成的。在通信前，串口的數(shù)據(jù)幀格式（8個數(shù)據(jù)位或9個數(shù)據(jù)位）與速率應與模塊一致。上位機與模塊間的通信內容有兩類，一類是數(shù)據(jù)，一類是命令。數(shù)據(jù)或命令可用DTR或DSR信號來區(qū)分。無論是上位機傳給模塊還是模塊傳給上位機的數(shù)據(jù)都采用無格式傳送（透明傳送）。在使用中，一般用戶不會涉及到模塊間的數(shù)據(jù)傳輸控制及格式。但作為對模塊的基本工作原理的了解，以及在時序要求較嚴的應用中，對模塊間的傳輸格式以及傳輸中每一部分所占用的時間，都應有一定的了解。

2．1 模塊發(fā)送過程

當模塊收到上位機的數(shù)據(jù)后，模塊先通過DTR線判斷收到的數(shù)據(jù)是命令還是數(shù)據(jù)，若是命令則執(zhí)行相應的命令；若是發(fā)送數(shù)據(jù)，則先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到發(fā)送緩沖區(qū)，并同時將模塊的狀態(tài)由接收狀態(tài)轉換成發(fā)射狀態(tài)，這個轉換過程需要100 ms，狀態(tài)轉換完成后，再啟動發(fā)送打包程序。發(fā)送打包程序的功能是將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)打包成適合無線發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將一些控制信令動態(tài)地插入到數(shù)據(jù)包中，然后將這個數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)送到模塊中的數(shù)據(jù)調制口，并按V23協(xié)議以FSK的調制方式發(fā)射出去。在這個過程中，所有的進程均是并行完成的。

2．2 模塊接收過程

在接收狀態(tài)下，接收機總是接收碼流中的同步信息，一旦收到同步信息，將立刻進行位同步，獲得位同步后，再進行碼同步，碼同步完成后，即可接收數(shù)據(jù)及控制信息。收到數(shù)據(jù)后，再按規(guī)定的串口幀格式傳送給上位機。

2．3 基本數(shù)傳功能

常見的數(shù)傳模塊的功能一般分為基本數(shù)傳功能、擴展功能、高級擴展功能等三種。這里主要介紹實現(xiàn)基本數(shù)傳功能的硬件連接方式。如果用TX表示設備端口上的數(shù)據(jù)發(fā)送（數(shù)據(jù)離開功能塊）端子，用RX表示設備端口上的數(shù)據(jù)接收（數(shù)據(jù)進入功能塊）端子，那么，設備A與設備B之間的串口連接方式如圖2所示。

如果將串口連線也看成一個兩端口的設備，并對這兩個端口的端子做標注，則兩設備進行串口通訊的連接電路如圖3所示，其中圖3中間框內的串口連線可以看成一個兩端口的設備。如果用無線數(shù)傳模塊替代串口連接線，則設備A與設備B之間的通信連接電路如圖4所示。

對比圖3與圖4可以看出，如果將兩個無線模塊組成的無線信道也看成是一個兩端口的設備，則對設備A與設備B而言，串口通訊時有線連接與無線連接的端子的對應關系是一樣的。

3、組網(wǎng)設計和現(xiàn)場測試

3．1 理論計算

無線數(shù)傳電臺的通信距離、聯(lián)通后的誤碼率大小和系統(tǒng)抗干擾及穩(wěn)定性等指標，在理論上取決于傳輸視距和接收物強度等兩個因素。

對于視距傳輸而言，電波信號的傳輸根據(jù)工作波長（頻段）的長短不同，具有地面波傳輸（長波）、電離層反射傳輸（短波）和空中傳輸（超短波、微波1三種方式。我國無線電管理部門將專用無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務主要分配到200～240 MHz頻段（另外還有800 MHz等頻段），這個頻段的電波傳播是通過空中進行的。由于地球曲率的影響、兩個點（主站天線高度為H，遠程站天線高度為h）之間最大可視距離D為：

考慮到230 MHz電波具有一定的繞射能力。并假設天線理論最遠可以通過50 km左右。因此，天線架設的相對高度是決定通信距離的第一因素。

當接收場強電波從電臺發(fā)出后，再經(jīng)過饋線和天線，它將通過空中向遠方傳播。而當信號受到衰減并到達遠端接收機時，其場強電平為：

Pr=P1+G1+Gr-Lt-Lr-Lo

式中，Pr為正常接收電平（dBm），只為發(fā)信功率（dBm），Gt、Gr為收發(fā)天線增益（dBm），Lt、Lr為收發(fā)饋線損耗（dBm），Lo為自由空間損耗（dBm）。其中自由空間損耗為Lo=32．45+201gf（MHz）+201gD（km）。其中f的單位為MHz，D的單位為km。

電波信號到達接收機的場強不同，解調輸出信號的信噪比亦會不同，從而會影響系統(tǒng)的判斷而造成誤碼。如果場強太小，即使距離再近，接收機也接收不到。所以接收場強是決定通訊距離的第二因素。

接收場強Pr與接收機的門限電平（即在BER小于10-6時接收機要求的場強電平值。不同的電臺，該指標不同，一般為-11O dBm）的差距即為衰落儲備。Pr與接收門限電平的差距越大，衰落儲備應當越多，抗干擾能力越強，誤碼越少，一般要求衰落儲備在20 dBm以上。

3．2 實際側試

由于自來水系統(tǒng)的要求，一般取水泵站與凈水廠都有一定的距離和高差，以便充分利用勢能來輸送水。因此，遠程分站與主站的實際環(huán)境往往有山丘、建筑物、樹木等。這種情況會以不同程度和方式影響信號的傳輸。故在工程設計前，必須進行現(xiàn)場信號傳輸和接收場強的測試（應準確到dBm），以便根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和工作要求，確定主站和各遠程子站電臺的功能、天線類型、架設高度等參數(shù)，只有使上下信號具有足夠的抗干擾能力，才能實現(xiàn)有效可靠的數(shù)據(jù)采集和控制。

4、結束語

本文提供了實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)高效可靠傳輸?shù)囊环N新途徑。事實上，只要選用技術指標高、質量穩(wěn)定可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸產品，再通過現(xiàn)場測試來確定天線類型、架設高度和電臺的功率，那么，用無線數(shù)傳電臺就一定能夠實現(xiàn)高速率、高穩(wěn)定、高可靠性的無線數(shù)據(jù)傳輸。

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