设计具有ARQ功能的全双工数据电台

摘要：对一般的HF电台和VHF/UHF电台而言，它们采用半双工的工作方式，要实现ARQ功能，电台必须进行收发转换，牺牲了系统资源。本文设计的数据电台采用TDD（Time-Division Duplex）协议，利用MCU、扩频芯片W9310及射频模块W9306构成全双工数据电台，为系统提供全双工信道，用户在DTE终端设备通过软件编程，实现ARQ功能。

    关键词：半以工/全双工 ARQ 数据电台 TDD协议

1 系统组成

系统由全双工数据电台和用户的DTE终端设备组成，框图如图1所示。

全双工数据电台提供数传通道，全双工最大传输速率为64kb/s，ARQ功能由DTE终端通过软件编程实现。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
2 数据电台的硬件设计

全双工数据电台由MCU 89C51、扩频芯片W9310、射频模块W9360、MAX238（RS232接口芯片）、扩展并口8255及电台的参数设置、波道显示等电路组成，如图2所示。

W9310为直接序列扩频加解扩和数据处理芯片，它内部包括6个功能模块：

*串行总线接口SBI—与MCU实现双向通信；

*接收机—完成扩频接收机的所有数字信号处理功能；

*发射机—产生扩频的PN码，并将加扩结果输出到射频模块W9360；

*TDD控制器—实现TDD协议和各种握手信号、接口信号；

*发送和接收的FIFO—作为发送和接收数据的缓冲器；

*主时钟产生器—产生驱动W9310各模块的时钟信号。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
    图2中，各部分的作用是：

*MAX238为4入/4出的RS232接口芯片，实现TTL电平与RS232电平转换。

*W9310的串口信号线（RTS、CTS、DCD、DTR、DSR、TXD、RXD）通过MAX238与DTE终端相接。另外，W9310为用户提供接收时钟（FCLK_RT）和发送时钟（MHZ2_ST），在MHZ2_ST的上升沿采样Tx引脚上的信号，在FCLK_RT的下降沿采样Rx引脚上的信号。

*W9310与射频模块W9360的接口信号线有：DI、MODOUT、PLLSW、TXEN和RFPWR。其中，DI是W9360接收机送来的解调信号；MODOUT是W9310扩频后的基带信号，它输出给W9360射频模块；TXEN控制射频模块的收/发转换；PLLSW用来切换电台的PLL；REPWR控制发射机功放电源的开关。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
    *89C51通过8255读取电台的工作参数设置，包括：全双工/半双工、发射的高/低功率、PN码组、同步特字UW（Unique Word）、主叫方/被叫方、电台的工作波道等；89C51在读取电台的工作参数后，通过它的P1口设置W9310、W9360的相应寄存器并将相关的引脚设置为高、低电平；89C51通过8255将当前工作的波道号送LED显示，电台的各种工作状态指示送发送二极管显示。

*W9360模块提供基带到RF和RF到基带的信号转换，模块内Philips公司生产的UMA1015M双频率全台器及两个VCO，组成发送、接收波道选择的两个锁相环。MCU根据设置的波道通过串口编程UMA1015M的控制寄存器。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
    综合以上内容，图3给出了DTE终端、MAX238、W9130和W9360的连线图。

DTE与数据电台的数口信号完全符合RS232C标准。在开始数据通信前，用户必须使RTS、DTR信号有效，主叫方和被叫方完成捕获突发帧和空闲突发帧交换后，W9310使CTS有效，表示W9310已准备好传送Tx引脚上的数据；DCD信号有效时，表示W9310将接收的数据送到Rx引脚上。全双工接口时序如图4所示（假设RTS、DTR有效）。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
3 TDD协议原理

W9310通过TDD协议实现全双工。TDD协议将W9310轮流设置为发射机和接收机，当两部电台通信时，一部为主叫方，另一部为被叫方。TDD协议保证主叫方发送时，被叫方接收，反之亦然。对用户而言，他们只关心在保证要求的传输速率下，电台是否全双工工作，所以，W9310的实际传输速率要高于用户的数据速率。理想情况下，假设W9310的传输效率100%，而且不附加任何同步数据，那么，它的收发速率是用户数据速率的2倍，一半时间发送数据，一半时间接收数据。但实际情况是，W9310为保持同步，它要在用户的数据前添加同步开销数据，所以，它的实际传输速率是用户速率的2.6倍。

TDD协议中用到捕获突发帧、空闲突发帧和数据帧三种帧结构，图5为它们的结构图。

帧中各部分的位数如表1所列。

表1 

TDD协议的工作过程如下：

开始时，TDD协议使用一种特殊的握手过程，通信双方建立同步。主叫方首先发送捕获突发帧，被叫方正确接收后，向主叫方发送捕获突发帧作为响应；主叫方收到被叫方的捕获突发帧后，发送空闲发帧，被叫方收到空闲突发帧后，作为对主叫方的响应，被叫方也向主叫方发送空闲突发帧；主叫方收到被叫方的空闲突发帧后，认为通信双方已完成同步，通信链路已建立，在随后的通信中，双方开始传送数据。TDD协议的工作过程如图6所示。

在TDD协议工作过程中，接收机要经过几个阶段。当正确接收捕获突发帧中的4个特字UW后，接收机的LOCK输出信号有效；当正确接收突闲突发帧后，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>接收同的RLOCK输出信号有效。随后，接收机的工作过程W9310内部寄存器中的工作状态位的设置有关，分两种工作情况。当工作状态位关闭时，一旦检测不到特字UW，传输就停止，接收机等待新的捕获突发帧，发射机开始不停地发送捕获突发帖，直到接收到接收机发送的捕获突发帧；当工作状态位打开时，接收机在检测不到特字UW时，并不是马上使输出信号LOCK无效，而是在连续两次检测不到特字UW时才使输出信号LOCK无效。接收机状态转移图如图7所示。

图7中，UW4DET表示正确接收到捕获突发帧中的4个特字UW；当正确接收到空闲突发帧和数据帧中的特字UW时，UWDET有效；MSB表示W9310设置成主叫方（=1）还是被叫方（=0）；接收机内部锁相环锁相时，NMODE有效。

4 数据电台的软件设计

图8为数据电台的软件流程图。电台面板上有一个建链/拆链按钮，每按一次，建链/拆链交换一次，且按钮的一方为主叫方。W9310建立链路有两个条件：一个是DTR信号有效，DTE加电后，提供给电台；另一个是要设置W9310片内的主叫方/被叫方的标志位MASTER=1。一旦满足上述两个条件，W9310立即与被叫方开始建立链路。定时器中断子程序根据按钮是否有动作，而决定是否设置链路建立标志位，供主程序查询；主程序根据链路建立标志位，结合链路状态标志位决定是建链还是拆链。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
5 ARQ方式的三种形式

ARQ的作用原则是对出错的数据帧自动重发，它有三种形式：停等协议ARQ、连续ARQ和选择重传ARQ。

（1）停等协议ARQ

*发方发送一个数据帧后，必须等待收方的确认帧才可以发送下一个数据帧；

*在收方接收错误时，收方发一否认帧，要求发方重发该帧；

*为防止发送的数据丢失，发方内部设置一个定时器，当超过定时时间发方仍未收到确认帧时，发方重发该帧；

*为防止确认帧丢失而造成发方重发同一数据帧，发方给每一个数据帧带上一个序列号。

（2）连续ARQ

连续ARQ是连续发送若干数据帖，如果接收到收端的确认帧，则继续发送；发方在每发完一个数据帧后，就启动内部超过定时器，在设置的超时时间内未收到确认帧，则重发相应的数据帧。

图8 数据电台的软件流程图

    （3）选择重传ARQ

这种方式只重传出现差错的数据帧或定时器超时的数据帧。

三种方法各有利弊，停等协议ARQ最简单，便信道利用率最低；选择重传ARQ信道利用率最高，但它要求接收端的缓冲容量相当大；连续ARQ介于两者之间。在应用中应根据实际情况选择。

6 应用与结论

本文设计实现的具有ARQ功能的全双工数据电台可广泛应用于点对点的无线数据传输系统中，由于它具有极低的误码率，且传输速率可达64kb/s，因而在要求可靠传输的环境中，具有很好的应用前景。