基于GPS探空儀的通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

在接收模式下，CC1020可看成是一個傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)。RF輸入信號經(jīng)低噪聲放大器(LNA和LNA2)放大后，翻轉(zhuǎn)經(jīng)過積分器(I和Q)產(chǎn)生中頻IF信號。在中頻處理階段，I/Q信號經(jīng)混合濾波、放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后進(jìn)行自動獲取控制、信道濾波、解調(diào)和二進(jìn)制同步化處理，在DIO引腳輸出解調(diào)數(shù)據(jù)。接收模塊通過單片機(jī)對CC1020寄存器進(jìn)行配置來完成接收模式。CC1020被設(shè)置為自動功率上升序列狀態(tài)，將被一個喚起信號自動進(jìn)行功率信號處理、檢測載波信號，單片機(jī)設(shè)置CC1020進(jìn)入接收模式，內(nèi)置的位同步器將同步時鐘與引入數(shù)據(jù)同步，并進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波、位同步器和數(shù)據(jù)解碼等處理后輸出有效數(shù)據(jù)。單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行去除同步頭和結(jié)束符處理后，將數(shù)據(jù)通過串口傳送入計算機(jī)。將中頻濾波器帶寬設(shè)置為50kHz，查表得GFSK解調(diào)在誤碼率為10-2時信噪比要求為9 dB，根據(jù)計算，噪聲系數(shù)為1.6 dB，接收靈敏度按下式計算：

　　Smin =-114+NF+10lgB+S/N (1)

　　經(jīng)計算，接收靈敏度為-116 dBm，符合總體設(shè)計要求。

　　單片機(jī)還可以對接收信號強度指示器(RSSI)寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，折算成接收電平送入數(shù)碼管進(jìn)行顯示，可以直觀反映當(dāng)前的接收電平。接收模塊的框圖見圖4。

饋線和低噪聲放大器的選擇

　　接收天線與接收機(jī)之間使用30米的SYV-50-5饋線，衰減約為10 dB。

　　低噪聲放大器的增益為20 dB, 噪聲系數(shù)為1.0 dB。考慮到低噪放安放在饋線的后級會影響接收機(jī)的靈敏度，因此，需要將低噪放安裝在饋線的前級。

　　為了避免雷擊的危險，保障人員和設(shè)備的安全，我們在天線與饋線之間串聯(lián)了同軸電纜保護(hù)器，其插入損耗為0.3 dB。

　　關(guān)鍵指標(biāo)的設(shè)計與計算

　　傳輸距離

　　接收通道總增益為20dB，發(fā)射天線增益Gt=-3 dBi，發(fā)射功率為Pt=200mW=23dBm，無線電波在空間傳輸，其自由空間損耗按下式計算：

　　Ls=32.45+20logf(MHz)+20logD(km) (2)

　　無線電波從發(fā)射模塊發(fā)射出去，經(jīng)過天線輻射，通過空中傳播，信號受到衰減，到達(dá)接收機(jī)時，接收場強電平將按下式計算：

　　Pr=Pt+Gt+Gr-Ls (3)

　　按總體指標(biāo)要求，最大傳輸距離為200km時，自由空間損耗為Ls=130.6dB，則到達(dá)接收機(jī)的接收電平為-90 dBm。接收靈敏度為-115dBm，技術(shù)衰落儲備為25dB。技術(shù)衰落儲備越多，抗干擾能力越強，誤碼越少。

　　假設(shè)GPS探空儀離接收天線的最近距離為20m，自由空間損耗為Ls=50.6dB ，到達(dá)接收機(jī)的接收電平為-10dBm，接收機(jī)的飽和接收電平為10dBm，能夠滿足接收系統(tǒng)的近距離傳輸要求。

　　視距

　　無線電波的傳輸距離不僅僅取決于功率，既要求接收機(jī)有一定的技術(shù)衰落儲備，還受發(fā)射和接收天線高度的影響，即視距的影響。

　　由于受地球曲率的影響，兩個點(天線高度分別為Hm和hm)之間最大可視距離(視距)D(km)可按下式計算：

　上式已考慮大氣處于標(biāo)準(zhǔn)折射狀態(tài)，等效地球半徑為8493km。

　　本系統(tǒng)中，由于接收部分的天線架設(shè)在地面，發(fā)射部分的天線隨GPS探空儀在空中，假設(shè)接收天線架設(shè)高度為h=4m，因此，要使本系統(tǒng)的視距D達(dá)到200km，則GPS探空儀最低高度必須不低于2167m。

　　結(jié)語

　　本文論述的GPS探空儀的通信系統(tǒng)原理樣機(jī)已經(jīng)通過測試和試驗驗證，各項技術(shù)指標(biāo)均符合設(shè)計要求。經(jīng)過GPS探空儀多次放飛和比對試驗，數(shù)據(jù)傳輸有效率達(dá)98%以上，最大傳輸距離大于200km，完全能夠符合GPS探空儀的通信要求。

　　為提高通信系統(tǒng)的可靠性，可以考慮采用適當(dāng)?shù)募m錯編碼技術(shù)來減少誤碼，這將在下一步的改進(jìn)設(shè)計中體現(xiàn)。