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設計具有ARQ功能的全雙工數(shù)據(jù)電臺
摘要：對一般的HF電臺和VHF/UHF電臺而言，它們采用半雙工的工作方式，要實現(xiàn)ARQ功能，電臺必須進行收發(fā)轉(zhuǎn)換，犧牲了系統(tǒng)資源。本文設計的數(shù)據(jù)電臺采用TDD（Time-Division Duplex）協(xié)議，利用MCU、擴頻芯片W9310及射頻模塊W9306構(gòu)成全雙工數(shù)據(jù)電臺，為系統(tǒng)提供全雙工信道，用戶在DTE終端設備通過軟件編程，實現(xiàn)ARQ功能。
關(guān)鍵詞：半以工/全雙工 ARQ 數(shù)據(jù)電臺 TDD協(xié)議
1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由全雙工數(shù)據(jù)電臺和用戶的DTE終端設備組成，框圖如圖1所示。
全雙工數(shù)據(jù)電臺提供數(shù)傳通道，全雙工最大傳輸速率為64kb/s，ARQ功能由DTE終端通過軟件編程實現(xiàn)。
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2 數(shù)據(jù)電臺的硬件設計
全雙工數(shù)據(jù)電臺由MCU 89C51、擴頻芯片W9310、射頻模塊W9360、MAX238（RS232接口芯片）、擴展并口8255及電臺的參數(shù)設置、波道顯示等電路組成，如圖2所示。
W9310為直接序列擴頻加解擴和數(shù)據(jù)處理芯片，它內(nèi)部包括6個功能模塊：
*串行總線接口SBI—與MCU實現(xiàn)雙向通信；
*接收機—完成擴頻接收機的所有數(shù)字信號處理功能；
*發(fā)射機—產(chǎn)生擴頻的PN碼，并將加擴結(jié)果輸出到射頻模塊W9360；
*TDD控制器—實現(xiàn)TDD協(xié)議和各種握手信號、接口信號；
*發(fā)送和接收的FIFO—作為發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的緩沖器；
*主時鐘產(chǎn)生器—產(chǎn)生驅(qū)動W9310各模塊的時鐘信號。
圖2中，各部分的作用是：
*MAX238為4入/4出的RS232接口芯片，實現(xiàn)TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換。
*W9310的串口信號線（RTS、CTS、DCD、DTR、DSR、TXD、RXD）通過MAX238與DTE終端相接。另外，W9310為用戶提供接收時鐘（FCLK_RT）和發(fā)送時鐘（MHZ2_ST），在MHZ2_ST的上升沿采樣Tx引腳上的信號，在FCLK_RT的下降沿采樣Rx引腳上的信號。
*W9310與射頻模塊W9360的接口信號線有：DI、MODOUT、PLLSW、TXEN和RFPWR。其中，DI是W9360接收機送來的解調(diào)信號；MODOUT是W9310擴頻后的基帶信號，它輸出給W9360射頻模塊；TXEN控制射頻模塊的收/發(fā)轉(zhuǎn)換；PLLSW用來切換電臺的PLL；REPWR控制發(fā)射機功放電源的開關(guān)。
*89C51通過8255讀取電臺的工作參數(shù)設置，包括：全雙工/半雙工、發(fā)射的高/低功率、PN碼組、同步特字UW（Unique Word）、主叫方/被叫方、電臺的工作波道等；89C51在讀取電臺的工作參數(shù)后，通過它的P1口設置W9310、W9360的相應寄存器并將相關(guān)的引腳設置為高、低電平；89C51通過8255將當前工作的波道號送LED顯示，電臺的各種工作狀態(tài)指示送發(fā)送二極管顯示。
*W9360模塊提供基帶到RF和RF到基帶的信號轉(zhuǎn)換，模塊內(nèi)Philips公司生產(chǎn)的UMA1015M雙頻率全臺器及兩個VCO，組成發(fā)送、接收波道選擇的兩個鎖相環(huán)。MCU根據(jù)設置的波道通過串口編程UMA1015M的控制寄存器。
綜合以上內(nèi)容，圖3給出了DTE終端、MAX238、W9130和W9360的連線圖。
DTE與數(shù)據(jù)電臺的數(shù)口信號完全符合RS232C標準。在開始數(shù)據(jù)通信前，用戶必須使RTS、DTR信號有效，主叫方和被叫方完成捕獲突發(fā)幀和空閑突發(fā)幀交換后，W9310使CTS有效，表示W(wǎng)9310已準備好傳送Tx引腳上的數(shù)據(jù)；DCD信號有效時，表示W(wǎng)9310將接收的數(shù)據(jù)送到Rx引腳上。全雙工接口時序如圖4所示（假設RTS、DTR有效）。
3 TDD協(xié)議原理
W9310通過TDD協(xié)議實現(xiàn)全雙工。TDD協(xié)議將W9310輪流設置為發(fā)射機和接收機，當兩部電臺通信時，一部為主叫方，另一部為被叫方。TDD協(xié)議保證主叫方發(fā)送時，被叫方接收，反之亦然。對用戶而言，他們只關(guān)心在保證要求的傳輸速率下，電臺是否全雙工工作，所以，W9310的實際傳輸速率要高于用戶的數(shù)據(jù)速率。理想情況下，假設W9310的傳輸效率100%，而且不附加任何同步數(shù)據(jù)，那么，它的收發(fā)速率是用戶數(shù)據(jù)速率的2倍，一半時間發(fā)送數(shù)據(jù)，一半時間接收數(shù)據(jù)。但實際情況是，W9310為保持同步，它要在用戶的數(shù)據(jù)前添加同步開銷數(shù)據(jù)，所以，它的實際傳輸速率是用戶速率的2.6倍。
TDD協(xié)議中用到捕獲突發(fā)幀、空閑突發(fā)幀和數(shù)據(jù)幀三種幀結(jié)構(gòu)，圖5為它們的結(jié)構(gòu)圖。
幀中各部分的位數(shù)如表1所列。
表1
TDD協(xié)議的工作過程如下：
開始時，TDD協(xié)議使用一種特殊的握手過程，通信雙方建立同步。主叫方首先發(fā)送捕獲突發(fā)幀，被叫方正確接收后，向主叫方發(fā)送捕獲突發(fā)幀作為響應；主叫方收到被叫方的捕獲突發(fā)幀后，發(fā)送空閑發(fā)幀，被叫方收到空閑突發(fā)幀后，作為對主叫方的響應，被叫方也向主叫方發(fā)送空閑突發(fā)幀；主叫方收到被叫方的空閑突發(fā)幀后，認為通信雙方已完成同步，通信鏈路已建立，在隨后的通信中，雙方開始傳送數(shù)據(jù)。TDD協(xié)議的工作過程如圖6所示。
在TDD協(xié)議工作過程中，接收機要經(jīng)過幾個階段。當正確接收捕獲突發(fā)幀中的4個特字UW后，接收機的LOCK輸出信號有效；當正確接收突閑突發(fā)幀后，接收同的RLOCK輸出信號有效。隨后，接收機的工作過程W9310內(nèi)部寄存器中的工作狀態(tài)位的設置有關(guān)，分兩種工作情況。當工作狀態(tài)位關(guān)閉時，一旦檢測不到特字UW，傳輸就停止，接收機等待新的捕獲突發(fā)幀，發(fā)射機開始不停地發(fā)送捕獲突發(fā)帖，直到接收到接收機發(fā)送的捕獲突發(fā)幀；當工作狀態(tài)位打開時，接收機在檢測不到特字UW時，并不是馬上使輸出信號LOCK無效，而是在連續(xù)兩次檢測不到特字UW時才使輸出信號LOCK無效。接收機狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖7所示。
圖7中，UW4DET表示正確接收到捕獲突發(fā)幀中的4個特字UW；當正確接收到空閑突發(fā)幀和數(shù)據(jù)幀中的特字UW時，UWDET有效；MSB表示W(wǎng)9310設置成主叫方（=1）還是被叫方（=0）；接收機內(nèi)部鎖相環(huán)鎖相時，NMODE有效。
4 數(shù)據(jù)電臺的軟件設計
圖8為數(shù)據(jù)電臺的軟件流程圖。電臺面板上有一個建鏈/拆鏈按鈕，每按一次，建鏈/拆鏈交換一次，且按鈕的一方為主叫方。W9310建立鏈路有兩個條件：一個是DTR信號有效，DTE加電后，提供給電臺；另一個是要設置W9310片內(nèi)的主叫方/被叫方的標志位MASTER=1。一旦滿足上述兩個條件，W9310立即與被叫方開始建立鏈路。定時器中斷子程序根據(jù)按鈕是否有動作，而決定是否設置鏈路建立標志位，供主程序查詢；主程序根據(jù)鏈路建立標志位，結(jié)合鏈路狀態(tài)標志位決定是建鏈還是拆鏈。
5 ARQ方式的三種形式
ARQ的作用原則是對出錯的數(shù)據(jù)幀自動重發(fā)，它有三種形式：停等協(xié)議ARQ、連續(xù)ARQ和選擇重傳ARQ。
（1）停等協(xié)議ARQ
*發(fā)方發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀后，必須等待收方的確認幀才可以發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀；
*在收方接收錯誤時，收方發(fā)一否認幀，要求發(fā)方重發(fā)該幀；
*為防止發(fā)送的數(shù)據(jù)丟失，發(fā)方內(nèi)部設置一個定時器，當超過定時時間發(fā)方仍未收到確認幀時，發(fā)方重發(fā)該幀；
*為防止確認幀丟失而造成發(fā)方重發(fā)同一數(shù)據(jù)幀，發(fā)方給每一個數(shù)據(jù)幀帶上一個序列號。
（2）連續(xù)ARQ
連續(xù)ARQ是連續(xù)發(fā)送若干數(shù)據(jù)帖，如果接收到收端的確認幀，則繼續(xù)發(fā)送；發(fā)方在每發(fā)完一個數(shù)據(jù)幀后，就啟動內(nèi)部超過定時器，在設置的超時時間內(nèi)未收到確認幀，則重發(fā)相應的數(shù)據(jù)幀。
圖8 數(shù)據(jù)電臺的軟件流程圖
（3）選擇重傳ARQ
這種方式只重傳出現(xiàn)差錯的數(shù)據(jù)幀或定時器超時的數(shù)據(jù)幀。
三種方法各有利弊，停等協(xié)議ARQ最簡單，便信道利用率最低；選擇重傳ARQ信道利用率最高，但它要求接收端的緩沖容量相當大；連續(xù)ARQ介于兩者之間。在應用中應根據(jù)實際情況選擇。
6 應用與結(jié)論
本文設計實現(xiàn)的具有ARQ功能的全雙工數(shù)據(jù)電臺可廣泛應用于點對點的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，由于它具有極低的誤碼率，且傳輸速率可達64kb/s，因而在要求可靠傳輸?shù)沫h(huán)境中，具有很好的應用前景。
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