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設計具有ARQ功能的全雙工數據電臺

時間：2023-02-21 00:16:21 電子通信論文我要投稿

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設計具有ARQ功能的全雙工數據電臺

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ARQ功能，電臺必須進行收發轉換，犧牲了系統資源。本文設計的數據電臺采用TDD（Time-Division Duplex）協議，利用MCU、擴頻芯片W9310及射頻模塊W9306構成全雙工數據電臺，為系統提供全雙工信道，用戶在DTE終端設備通過軟件編程，實現ARQ功能。

設計具有ARQ功能的全雙工數據電臺

關鍵詞：半以工/全雙工 ARQ 數據電臺 TDD協議

1 系統組成

系統由全雙工數據電臺和用戶的DTE終端設備組成，框圖如圖1所示。

全雙工數據電臺提供數傳通道，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。
(范文先生網m.baimashangsha.com收集整理)
2 數據電臺的硬件設計

全雙工數據電臺由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據處理芯片，它內部包括6個功能模塊：

*串行總線接口SBI—與MCU實現雙向通信；

*接收機—完成擴頻接收機的所有數字信號處理功能；

*發射機—產生擴頻的PN碼，并將加擴結果輸出到射頻模塊W9360；

*TDD控制器—實現TDD協議和各種握手信號、接口信號；

*發送和接收的FIFO—作為發送和接收數據的緩沖器；

*主時鐘產生器—產生驅動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TTL電平與RS232電平轉換。

*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/發轉換；PLLSW用來切換電臺的PLL；REPWR控制發射機功放電源的開關。

*89C51通過8255讀取電臺的工作參數設置，包括：全雙工/半雙工、發射的高/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后，通過它的P1口設置W9310、W9360的相應寄存器并將相關的引腳設置為高、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指示送發送二極管顯示。

*W9360模塊提供基帶到RF和RF到基帶的信號轉換，模塊內Philips公司生產的UMA1015M雙頻率全臺器及兩個VCO，組成發送、接收波道選擇的兩個鎖相環。MCU根據設置的波道通過串口編程UMA1015M的控制寄存器。

綜合以上內容，圖3給出了DTE終端、MAX238、W9130和W9360的連線圖。

DTE與數據電臺的數口信號完全符合RS232C標準。在開始數據通信前，用戶必須使RTS、DTR信號有效，主叫方和被叫方完成捕獲突發幀和空閑突發幀交換后，W9310使CTS有效，表示W9310已準備好傳送Tx引腳上的數據；DCD信號有效時，表示W9310將接收的數據送到Rx引腳上。全雙工接口時序如圖4所示（假設RTS、DTR有效）。

3 TDD協議原理

W9310通過TDD協議實現全雙工。TDD協議將W9310輪流設置為發射機和接收機，當兩部電臺通信時，一部為主叫方，另一部為被叫方。TDD協議保證主叫方發送時，被叫方接收，反之亦然。對用戶而言，他們只關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據速率。理想情況下，假設W9310的傳輸效率100%，而且不附加任何同步數據，那么，它的收發速率是用戶數據速率的2倍，一半時間發送數據，一半時間接收數據。但實際情況是，W9310為保持同步，它要在用戶的數據前添加同步開銷數據，所以，它的實際傳輸速率是用戶速率的2.6倍。

TDD協議中用到捕獲突發幀、空閑突發幀和數據幀三種幀結構，圖5為它們的結構圖。

幀中各部分的位數如表1所列。

表1

名稱位數預碼 32 特字UW 22 狀態碼ST 4 數據 288

TDD協議的工作過程如下：

開始時，TDD協議使用一種特殊的握手過程，通信雙方建立同步。主叫方首先發送捕獲突發幀，被叫方正確接收后，向主叫方發送捕獲突發幀作為響應；主叫方收到被叫方的捕獲突發幀后，發送空閑發幀，被叫方收到空閑突發幀后，作為對主叫方的響應，被叫方也向主叫方發送空閑突發幀；主叫方收到被叫方的空閑突發幀后，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，雙方開始傳送數據。TDD協議的工作過程如圖6所示。

在TDD協議工作過程中，接收機要經過幾個階段。當正確接收捕獲突發幀中的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內部寄存器中的工作狀態位的設置有關，分兩種工作情況。當工作狀態位關閉時，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幀，發射機開始不停地發送捕獲突發帖，直到接收到接收機發送的捕獲突發幀；當工作狀態位打開時，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，而是在連續兩次檢測不到特字UW時才使輸出信號LOCK無效。接收機狀態轉移圖如圖7所示。

圖7中，UW4DET表示正確接收到捕獲突發幀中的4個特字UW；當正確接收到空閑突發幀和數據幀中的特字UW時，UWDET有效；MSB表示W9310設置成主叫方（=1）還是被叫方（=0）；接收機內部鎖相環鎖相時，NMODE有效。

4 數據電臺的軟件設計

圖8為數據電臺的軟件流程圖。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；主程序根據鏈路建立標志位，結合鏈路狀態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據幀自動重發，它有三種形式：停等協議ARQ、連續ARQ和選擇重傳ARQ。

（1）停等協議ARQ

*發方發送一個數據幀后，必須等待收方的確認幀才可以發送下一個數據幀；

*在收方接收錯誤時，收方發一否認幀，要求發方重發該幀；

*為防止發送的數據丟失，發方內部設置一個定時器，當超過定時時間發方仍未收到確認幀時，發方重發該幀；

*為防止確認幀丟失而造成發方重發同一數據幀，發方給每一個數據幀帶上一個序列號。

（2）連續ARQ

連續ARQ是連續發送若干數據帖，如果接收到收端的確認幀，則繼續發送；發方在每發完一個數據幀后，就啟動內部超過定時器，在設置的超時時間內未收到確認幀，則重發相應的數據幀。

圖8 數據電臺的軟件流程圖

（3）選擇重傳ARQ

這種方式只重傳出現差錯的數據幀或定時器超時的數據幀。

三種方法各有利弊，停等協議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ARQ介于兩者之間。在應用中應根據實際情況選擇。

6 應用與結論

本文設計實現的具有ARQ功能的全雙工數據電臺可廣泛應用于點對點的無線數據傳輸系統中，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的環境中，具有很好的應用前景。