短波通信中常采用多音并行和單音串行兩種體制來進行高速數據的傳輸。單音串行體制僅采用一個載波，串行發送數據信號。由于每個碼元占據了整個頻譜，碼元寬度窄，當傳輸高速數據時，實現復雜，且碼間串擾嚴重。而多音并行體制的主要思想就是把高速串行信道分裂成許多低速的并行信道，以適應短波信道低速傳輸的特性，在每個子信道上傳送一個副載波，采用頻分正交調制，用多個副載波并行傳輸的方法提高速率。并行體制的傳輸，是采用加寬碼元寬度，使其遠大于多徑時延，消除多徑衰落的影響。并行體制技術成熟、成本低，具有較高的性價比。本文以32音體制為例說明短波并行體制調制端的DSP具體實現方法。
1 32音并行體制調制端的設計
本并行體制在音頻頻帶內采用32個正交副載波音，對比特同步數據傳送采用正交差分相移鍵控(QDPSK)調制。
具體設計要求：
(1)在數據輸入端口接收不同速率的串行二進制數據：300 b·s-1，600 b·s-1，1 200 b·s-1；
(2)對接收到的二進制數據完成前向糾錯(FEC)編碼和交織；
(3)每個單音上采用QDPSK調制；
(4)采用32個正交載波音，每個音相隔56.25Hz；
(5)采用某種分集方式。
圖1為多音并行體制下發射端功能框圖。
多音平行體制" title="多音平行體制">多音平行體制調制端的實現" height="206" src="http://files.chinaaet.com/images/20110621/a9512b9a-41bb-4430-a7cb-1127e5d5e319.jpg" width="400" />
2 軟硬件平臺介紹
本文實現多音并行調制端的硬件平臺如圖2所示，主要由計算機PC、DSP-TMS320C6416、A/D芯片TLV320AIC20組成。DSP通過多通道緩沖串口1(McBSP1)與計算機相互通信，同時通過多通道緩沖串口0(McBSPO)與TLV320AIC20相互通信。
本平臺采用的TMS320C64xx" title="TMS320C64xx">TMS320C64xx系列是2000年3月TI正式發布的定點系列，主頻1.1GHz，處理速度接近9 000 MI·s-1總體性能比C62xx提高了10～15倍。
TLV320AIC20是TI公司生產的一款低功耗高性能的雙通道A/D芯片，可含有兩個16位A/D通道和兩個16位D/A通道，完成模擬與數字話音的轉換工作，軟件可編程寄存器內含有6種可編程的控制寄存器，配置方便。
軟件平臺采用CCS(Code Composer Studio)系統，其包含一整套用于開發和調試嵌入式應用的工具。它包含適用于每個TI器件系列的編譯器、源碼編輯器、項目構建環境、調試器、描述器、仿真器以及多種其它功能。
3 并行體制關鍵模塊的具體實現
3.1 核心模塊-FFT
由于發送信號是一組余弦函數的疊加。假設信號是由一組N個頻率為f1，f2，f3，…，fN，初始相位為θ1，θ2，θ3，…，θN，幅度為A的余弦信號，故其疊加后的信號為
其中，RES[]是取函數的實部。
從式(1)中可以看出，利用反傅里葉變換(IFFFT)可以方便地產生前導序列和生成調制信號方便。同時反傅里葉變換在DSP中運算量不大，并可以直接調用傅里葉變換，將輸入信號的格式稍加處理即可得到反傅里葉變換的結果。
本文設計的并行體制要求32個數據音中，相鄰兩個音之間相隔56.25 Hz并且正交，這32個數據音分別為450Hz，506.25Hz，…，2193.75Hz。同時采用128點的快速傅里葉變換實現前導序列和數據信息的調制。由于32個數據音中最大頻率是2193.75Hz，根據Nyquist采樣定理，采樣速率fs應大于信號最大頻率的2倍，本文使用fs=7200Hz的采樣速率。
由于設計的調制后碼元周期是22.5ms，在7200Hz采樣率的條件下，需要162個樣點構成一個碼元，而IFFT的點數是128<162，所以對于IFFT的輸出需要補充34點才能構成162點滿足一個碼元要求。補充樣點的方法是：直接從IFFT輸出數據的最前面截取34點補充到128點以后，這樣做的同時也能保證一個碼元內信號相位的連續性。
由于采用128點的IFFT和7200的采樣率，故IFFT中每個頻點之間的頻率間隔為
可以看出56.25Hz的頻率分辨度正好是32個數據音之間的頻率間隔，且32個數據音都是56.25Hz的整數倍，這樣便于實現數據音的調制。
在DSP中利用FFT模塊，將輸入的復信息實部虛部的順序改為先虛部再實部。根據32個音的頻率f與頻率分辨度△f的比值得到頻點位置n= fi/△f，然后在對應的頻點處填寫復信息
。這樣就能通過IFFT得到需要的調制信息。各數據音對應的頻點位置和編號，如圖3所示。
3.2 前導同步數據構成
在數據傳送之前應發送同步先導信號，同步先導信號包含兩段。第一段持續10個碼元(碼元寬度225ms)，并包括675Hz、900Hz、1125Hz、1518.75Hz、1743.75Hz和1968.75Hz共6個等幅未經調制的數據音，幅度為3。第二段應持續一個信號碼元，包括32個數據音且幅度為1。最后一段前導序列產生了后續信號需用的啟動相位基準。
發送端一次發送的數據構成，如圖4所示。前導序列的發送包含了11個碼元，在進行前導序列的發送時，要保證每一部分都滿足規定的碼元持續時間。如果前導序列的構成不準確或持續碼元不足，都直接影響到接收端對信號的捕獲。
圖5所示為兩段前導同步信號在DSP中的生成圖。在每段前導序列生成圖中前兩個是IFFT時在各個頻點填充的復數值，第3個是經過IFFT后前導序列波形圖。
3.3 數據調制信號的實現
數據段發送32個已調制的數據音信號。各信號音的初始碼元相位已經確定，而后用數據比特流對32個數據音進行調制。各數據音采用的調制方式是QDPSK調制。QDPSK是正交差分相移鍵控調制，是一種相對移相的調制方式，它利用前一個碼元相位為參考，根據已知序列比特流進行調相，如表1所示。
假設某個數據音調制的初始相位為θ0，理論上，首先根據第一個碼字查表1得到其△01，計算IFFT要填充的復數為，而后進行第一個碼元的IFFT。再根據第2個碼字查表得△θ2，計算IFFT要填充的復數為
，而后進行第2個碼元的IFFT。以此類推，完成所有碼元的調制。在實際實現時，在DSP計算
時，會出現隨著碼元數的增加，cos()*cos()的值越來越小，最后計算出的
誤差較大。為避免這種情況，應減少復數相乘的次數。
具體的做法是：
(1)根據QDPSK的星座圖對待調制的碼字進行編碼：00→3，01→1，10→5，11→7。
(2)將前后碼字所對應編碼后的碼進行模8加，即得到當前碼字所對應的相位信息碼。相位信息碼只有8種可能{0，1，2，…，7}，對應的△θ分別是{0，π/4，π/2，…，7π/4}，這樣查表即可得到△θ。
(3)計算
，這樣只需計算一次復數乘就可以得到做IFFT所需的信息。
(4)記錄本碼字所對應的相位信息碼，以用于下一個碼字的相位信息碼的計算。
3.4 前向糾錯(FEC)編碼
所有未知輸入數據應具有附加的冗余位，用以糾正由傳輸媒介引起的錯誤。校驗位由一個縮短的Reed—Solmon碼(15，11)來計算，其生成多項式為
其中，a是伽羅瓦域的一個非零元素，GF(24)為GF(2)模形成的多項式域。所采用的是縮短為(7，3)的RS編碼。
RS(7，3)編碼采用3位16進制碼生成4位16進制的校驗監督位，即12bit信息編碼生成16bit校驗監督位，也就是RS(28，12，16)編碼。為了減小DSP的開銷，采用的編碼思想是預先建立校驗表而后逐位判決逐位編碼的方式。具體步驟如下：
(1)建立校驗表。編寫信息位是0800H，0400H，0200H，…，0008H，0004H，0002H，0001H所對應的校驗位分別是：03959H，08DBDH，04FCFH，02E6EH，…，0156FH，0983EH，0DC87H。這樣可以建立校驗表：
.int 03959H，08DBDH，04FCFH，02E6EH
.int 037EEH，08A77H，045AAH，02855H
.int 02ACDH，0156FH，0983EH，0DC87H
(2)根據校驗表逐位編碼。假設需要編碼的信息是A81H共3位16進制信息，將其轉換二進制數為101010000001B。第1位是1，則取A1=02C7AH，第2位是0，則取A2=0，第3位是1，則取A3=0935BH，第4位是0，則取A4=0，…以此類推得到A1，A2，…，A12，將這12個校驗碼進行異或得到這3位信息的4位校驗碼。
3.5 交織
交織是一種差錯控制技術。它的目的是使誤碼離散化，將突發差錯信道變為離散差錯信道，再通過糾正隨機差錯來改善數據傳輸質量。原理把信息碼流在時間順序上按一定規則打亂，即相互穿插交織后再發送到信道中去。若交織后的碼流出現突發差錯，再經過解交織還原成原來的碼流順序，則將突發連片差錯分散成隨機差錯，更加容易進行糾錯。由于接收機在收到了整個交織塊并進行解交織后才能解碼，所以交織帶來一個固有延時。
選取每種速率3種交織度來實現。分別是無交織(交織度為1)、短交織(交織度為4)、長交織(交織度為36)。
這里所說的交織度(1、4、36)指的是交織塊中一行所包含的4 bit碼字數。以短交織為例，說明一個交織塊的構成。
源數據以8bit作為1個單元，按列向交織區填充，如圖6所示。RS編碼時取4bit×3行數據作為1個碼字進行編碼，形成4 bit×4行的校驗位。圖6中對信息位(D0，D1，D2，D3，D8，D9，D10，D11，D16，D17，D18，D19)進行RS(7，3)編碼后生成校驗位為(P0，P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9，P10，P11，P12，P13，P14，P15)，并且依照圖中的格式存放在交織塊的對應位置。當一個交織塊填充滿后，就可以按行進行一個交織塊數據bit的輸出，(D0，D1，D2，D3，D4，D5，…，P47，P60，P61，P62，P63)。
3.6 分集方式
分集技術是通過多個信道接收到承載相同信息的多個副本，由于多個信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落就不會相同。接收機使用多個副本包含的信息能比較正確的恢復出原發送信號。本系統采用的是包含時間和頻率分集的方法。
在不同的數據速率下，1個碼元所用到的數據字大小不同，可以將300～1200 bit·s-1各種速率情況總結如下：1200bit·s-1速率時不做分集，一個數據字需要64bit信息；600bit·s-1速率時，一個數據字需要32bit信息；300bit·s-1對應的是16bit的數據字。換句話說，就是在300bit·s-1數據速率下，只要有16bit新信息，就可以進行一個碼元的調制。數據速率為600bit·s-1的情況，如表2所示。
在600bit·s-1數據速率情況下，要求在1～8及17～24號數據音傳送當前數據字，9～16及25～32號數據音傳送的是之前第8個碼元傳送的數據字。在DSP內存中開辟一個空間存儲過去8個碼元用到的數據字。
每次只要從i-8時刻提取數據字填充到9～16及25～32號數據音，而后進行32音調制即可實現帶內時間頻率分集。
4 結束語
發送端在DSP中實現的具體流程，如圖7所示。
具體實現時遇到的問題和難點：
(1)交織度、RS編碼方式、帶內時間/頻率分集方式都隨數據的不同而不同，所以要考慮到相對應程序的通用性，設定入口參數和參數下載的過程，這樣減小程序代碼段的開銷，但是增加了編程的復雜度。
(2)從源數據區向交織區填充數據時，要注意剩余bit的保存。從交織區向待調制區填數據時，要注意剩余bit的保存。
(3)在超級塊和超級塊的銜接處，存在剩余bit調制發送的問題。要把當前超級塊所剩下的bit全部調制發送完，才能進行下一個超級塊的構成和發送。
作者：何緯 中國電子科技集團 來源：電子科技