基于GPS探空仪的通信系统设计与实现

在接收模式下，CC1020可看成是一个传统的超外差接收机。RF输入信号经低噪声放大器(LNA和LNA2)放大后，翻转经过积分器(I和Q)产生中频IF信号。在中频处理阶段，I/Q信号经混合滤波、放大后经A/D转化成数字信号，然后进行自动获取控制、信道滤波、解调和二进制同步化处理，在DIO引脚输出解调数据。接收模块通过单片机对CC1020寄存器进行配置来完成接收模式。CC1020被设置为自动功率上升序列状态，将被一个唤起信号自动进行功率信号处理、检测载波信号，单片机设置CC1020进入接收模式，内置的位同步器将同步时钟与引入数据同步，并进行数据解码，经过数据滤波、位同步器和数据解码等处理后输出有效数据。单片机对数据进行去除同步头和结束符处理后，将数据通过串口传送入计算机。将中频滤波器带宽设置为50kHz，查表得GFSK解调在误码率为10-2时信噪比要求为9 dB，根据计算，噪声系数为1.6 dB，接收灵敏度按下式计算：

　　Smin =-114+NF+10lgB+S/N (1)

　　经计算，接收灵敏度为-116 dBm，符合总体设计要求。

　　单片机还可以对接收信号强度指示器(RSSI)寄存器数据进行读取，折算成接收电平送入数码管进行显示，可以直观反映当前的接收电平。接收模块的框图见图4。

馈线和低噪声放大器的选择

　　接收天线与接收机之间使用30米的SYV-50-5馈线，衰减约为10 dB。

　　低噪声放大器的增益为20 dB, 噪声系数为1.0 dB。考虑到低噪放安放在馈线的后级会影响接收机的灵敏度，因此，需要将低噪放安装在馈线的前级。

　　为了避免雷击的危险，保障人员和设备的安全，我们在天线与馈线之间串联了同轴电缆保护器，其插入损耗为0.3 dB。

　　关键指标的设计与计算

　　传输距离

　　接收通道总增益为20dB，发射天线增益Gt=-3 dBi，发射功率为Pt=200mW=23dBm，无线电波在空间传输，其自由空间损耗按下式计算：

　　Ls=32.45+20logf(MHz)+20logD(km) (2)

　　无线电波从发射模块发射出去，经过天线辐射，通过空中传播，信号受到衰减，到达接收机时，接收场强电平将按下式计算：

　　Pr=Pt+Gt+Gr-Ls (3)

　　按总体指标要求，最大传输距离为200km时，自由空间损耗为Ls=130.6dB，则到达接收机的接收电平为-90 dBm。接收灵敏度为-115dBm，技术衰落储备为25dB。技术衰落储备越多，抗干扰能力越强，误码越少。

　　假设GPS探空仪离接收天线的最近距离为20m，自由空间损耗为Ls=50.6dB ，到达接收机的接收电平为-10dBm，接收机的饱和接收电平为10dBm，能够满足接收系统的近距离传输要求。

　　视距

　　无线电波的传输距离不仅仅取决于功率，既要求接收机有一定的技术衰落储备，还受发射和接收天线高度的影响，即视距的影响。

　　由于受地球曲率的影响，两个点(天线高度分别为Hm和hm)之间最大可视距离(视距)D(km)可按下式计算：

　上式已考虑大气处于标准折射状态，等效地球半径为8493km。

　　本系统中，由于接收部分的天线架设在地面，发射部分的天线随GPS探空仪在空中，假设接收天线架设高度为h=4m，因此，要使本系统的视距D达到200km，则GPS探空仪最低高度必须不低于2167m。

　　结语

　　本文论述的GPS探空仪的通信系统原理样机已经通过测试和试验验证，各项技术指标均符合设计要求。经过GPS探空仪多次放飞和比对试验，数据传输有效率达98%以上，最大传输距离大于200km，完全能够符合GPS探空仪的通信要求。

　　为提高通信系统的可靠性，可以考虑采用适当的纠错编码技术来减少误码，这将在下一步的改进设计中体现。