ＬＰＣ９１７在短波调制解调器中的应用
摘 要：分析短波调制解调器中使用的XR2206的工作方式，指出其生成的频率不稳定的原因。这里用LPC917替代原系统调制端的XR2206和解调端的同步积分电路,详细介绍完成4FSK和同步积分运算的方法和过程，给出程序流程图和主要控制信号的时序示意图,并指出LPC917与XR2206相比具有成本低、性能高及可编程等方面的优势。经实践证明，本方案完全可行。
关键词：XR2206；LPC917；4FSK；同步积分
中图分类号：TP368.1;TN919.72文献标识码：B文章编号：1004-373X(2008)22-178-03
Application of LPC917 in Shortwave Modem
LIU Genju1,HE Erchao2,XUE Weiwei1,WANG Haijun1,LI Yin1
(1.Xi′an Innovation College,Yan′an University,Xi′an,710100,China;2.College of Information,Yan′an University,Yan′an,716000,China)
Abstract：This paper analyzes the working of XR2206 used before in shortwave,and points out the cause of instability of frequency derived by it.Using LPC917 replaces XR2206 which islocated in modulation end and synchronous integrated circuit in demodulation end,introduces the method and process of completing the 4FSK and the synchronous integral operation,it gives the program flow chart and the main control signal timing diagram,and indicates the advantages of LPC917 compared with XR2206 in aspects of low cost,high performance and programmability and so on.Proved by the practice,this plan is feasible.
Keywords：XR2206;LPC917;4FSK;synchronous integral
1 引 言
短波通信是利用波长为100~10 m(3~30 GHz)的电磁波进行的无线电通信，由于发射功率小、传输距离远、建站迅速、便于机动，至今仍是军用无线电通信的主要方式之一。但由于短波是通过电离层的1次或多次反射传播,而电离层的高度和电子密度随昼夜、季节、年份的不同而变化，使得短波通信的可通率及通信质量受到了很大的限制，尤其是信道噪声、干扰及衰落都比较大，因此需要使用具有抗强背景噪声和抗强干扰的调制解调器，才能保证在信道已通的情况下基本可靠的传输数据。又由于短波通信使用单边带（SSB）方式,虽然SSB具有发信功率有效利用率高、占用频带窄、信噪比较高等显著优点,但是SSB通信系统由于不发射载频，接收端在恢复载频时不可避免的产生频差，这种缺陷直接引入解调频率的差异，给数据解调带来困难。针对其信道及制式的缺陷，目前比较常用的调制解调方案大多采用频移键控(FSK)模式。因为FSK信号为恒包络信号，其信息完全包含在信号的过零点上，抗噪声与抗衰减的性能较好。虽然有频差，但由于这种频差对于移频频率而言是产生等距移频，可以通过其他方式给予校正，因此在中低速数据传输中FSK得到了广泛的应用。本文介绍的短波通信系统正是采用FSK调制方式。这里主要介绍对原来系统的改进部分。
2 原系统基本情况
原系统采用了经典XR2206(调制)和XR2211(解调)进行调制和解调，该芯片在我国得到了普遍应用。其中调制端的XR2206通过使用两个不同阻值的电阻(R1和R2)和1个电容(C)来产生频率，其频率分别为(f1=1/(R1C),f2=1/(R2C)),由于电阻和电容受温度和湿度的影响较大,使频率的稳定度大大降低,如果采用温度稳定性好的精密电阻和电容,则导致成本成倍增加，更重要的是在调试时由于对频率准确度要求高，其电阻需要精配带来的工作量非常大。可见,此种方式对于生产控制、维护和升级十分不便。
解调端除了使用滤波器，还采用了锁相环为基础的XR2211，利用它的鉴相输出来识别不同的调制频率。为了防止随机干扰影响，还在其后进行同步积分，即对在一个码元内的鉴相值（电平）进行积分，这样就可以更可靠的判决。这个积分电路采用运放和阻容器件来实现，同样由于阻容器件的使用,环境温度对积分结果有着直接的影响，调试的工作量也很大。所以，为了解决这些问题，根据技术的发展提出用LPC917来解决上述问题，改进短波调制解调器的性能，并降低成本和减少工作量。
3 解决方案
3.1 LPC917芯片简介
LPC917是Philips公司900系列中一款只有16引脚的小型8位单片机,它采用高性能的处理器结构,指令执行时间只需2~4个时钟周期,6倍于标准80C51器件;外部时钟频率可从0~18 MHz，封装尺寸小,价格便宜，其资源包括：2 kB代码FLASH，256 B数据RAM、定时器0/1、看门狗、I2C、UART、14个可配置I/O口等，尤其是集成了1个8位、4路逐次逼近式模数转换（ADC）模块和1个数模转换（DAC）模块，为解决该系统的问题提供了方便。
3.2 LPC917在系统中的接线图
LPC917在系统中的接线图如图1所示。
相关引脚说明：
T/R:收发选择，高电平收/低电平发；
H/L:接收时速率选择；
DIS:接收时同步控制信号；
A3,B3:发送时移频频率选择，可产生4种频率；
ADC:接收时同步积分采样端(来自XR2211检相输出)；
DAC:发送时FSK输出/接收时积分输出；
CLK：外接16 MHz时钟输入。
3.3 LPC917工作方式及原理
3.3.1 LPC917产生4FSK调制信号并保证相位连续的方法
利用单片机产生移频信号，首先要解决的问题是产生频率准确的正弦波，其次要求相邻两个移频之间相位连续。这里采用一种新的方法，使得速度较低的单片机可以产生准确的频率。其基本思路是：
一般在用单片机产生正弦波时，往往在一个周期中利用相等的时间间隔依次通过DAC输出预先保存好的正弦波波形。一个完整的波形可以被划分为64或128或256个间隔，这里采用128点。由于输出时时间间隔相等，而每个时间间隔的分辨率受单片机机器周期的影响，不可能准确地设计成计算所需要的时间，于是产生了误差，这个误差经过128次累积就会使最终的正弦波周期和计算值差之甚远，结果造成很大的频率误差。解决的办法是根据产生的误差采用间隔不同，在128个间隔中一部分比另一部分多出一个最小时间单位（单片机机器周期），使得整个周期内的总时间值等于计算出来的时间值，这样在整个周期内的最大误差只有1个机器周期，消除了累计误差，所产生的正弦波比较准确，在所产生的频率中其误差不超过1 Hz。
解决了频率问题，根据FSK信号的基本要求要使其相位连续，否则会出现信号突变、频谱变宽，很不利于传输，更不利于解调。利用单片机的特性很方便地设计出相位连续的方案，将128个波形值重复2次存在1个256个单元中，该波形值正好占用1个字节（8位）所表示的地址空间，输出时仅给地址自动加1就可以，任何时候波形都自动循环输出。当需要改变频率时并不改变当前波形输出时序，仅根据频率改变其时间间隔(已存好)，这样从原来的频率转换成新频率相位自然是连续的。通过观察相位未发生突变，解调出来的波形非常规范，因此，使用这种方法完全可以替代原来的XR2206。
3.3.2 LPC917完成接收时的同步积分
由于短波信号在强背景噪声下传播,接收的信号信噪比很低,接收信号经过前级放大和滤波后进入XR2211，通过锁相环技术进行4FSK解调,其鉴相输出不同频率对应不同的电平，然后经电压跟随器和分压电路，变换成与LPC917端口（ADC）电气特性匹配的电平。
尽管在此之前采用很多有效措施，但由于短波信道的干扰非常大，其解调出来的电平经常会出现随机变化，如果采用普通的整形处理，由于波形不规则，输出会带有大量的上下随机变化的毛刺，这时采样判决就容易产生误判，为此引入同步积分运算，这里积分其实就是对一个码元内的电平进行统计和，这样对于随机的干扰就会排除掉。
同步保证每个积分结果（统计值）由一个码元内的值所产生。在每个码元周期开始时，根据同步信号产生一同步脉冲，先使积分结果清零，然后开始对本码元进行积分，在本码元周期结束时电平达到最大值，这时再采样判决。在结束后，再同步清零进入下一个码元的积分。
同步脉冲的产生和积分结果的判决由主CPU完成。LPC917主要通过ADC首先进行A/D转换，再根据速率选择参数进行积分（累加）运算，同时把运算结果通过DAC输出，等到下一个同步信号到来之前DAC输出达到最大值，这样就可以非常可靠地实现解调。由于整个积分过程是数字计算完成的，所以不存在温度及环境变化引起的误差，尤其对生产过程非常方便。
3.3.3 LPC917工作流程
LPC917工作流程如图2所示。
3.3.4 主要工作点波形
主要工作点波形如图3所示。
4 LPC917与XR2206的比较优势
(1) 频率由程序产生，其稳定度依赖于单片机时钟，而晶体振荡器与电阻和电容构成的振荡器相比，稳定度可以提高2个数量级,完全可以满足该系统的环境需求。
(2) 成本低（市场价6元/片），仅是单片机本身的成本，体积也小，并且省了许多外围器件；
(3) 软件控制，解决了生产调试工作量大的问题，维护和升级方便。
(4) 数字化处理，实现了由模拟向数字的转变，克服了模拟信号处理本身的种种缺陷，性能获得提高。
5 结 语
本文提出的正弦波精确频率产生办法具有一定的普遍意义，可以应用在很多场所，如信号发生器或其他特殊波形的产生等。同步积分技术同样适应波形变化的场所,尤其适应于具有计算要求的场所。总的来说扩展了单片机的应用范围。本例已在LPC917实验板上运行通过，并应用到原系统中，各项性能指标均好于前。但由于单片机工作对其他波形产生一定的幅度干扰，虽不影响系统正常工作，但还需要做进一步的改进。
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作者简介 刘根据 男,1957年出生,陕西礼泉人,延安大学西安创新学院，高级工程师。主要从事数据通信和检测方面的研究工作。
