摘? 要: 介紹了全數(shù)字式直接序列擴頻芯片STEL-2000A的主要性能和用法,并以STEL-2000A為核心,輔以若干外圍器件,構(gòu)成了一個可用于野戰(zhàn)信息傳輸?shù)臄U頻收發(fā)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞: 擴頻通信? 直接序列? PN(偽隨機)碼? 帶通采樣
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擴頻通信是將待傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)被偽隨機碼(Pseudo Code)調(diào)制,實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸,接收端則采用同樣的PN碼進行解調(diào)及相關(guān)處理,恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。這種通信方式與一般常見的窄帶通信方式相反,是在擴展頻譜后,寬帶通信,再通過相關(guān)處理恢復(fù)成窄帶后,解調(diào)數(shù)據(jù),因此具有偽隨機編碼調(diào)制和信號處理兩大特點。它具有強抗干擾性、抗噪聲、抗多徑衰落、可以碼分復(fù)用等突出優(yōu)點。目前在軍事和民用上都得到了廣泛的應(yīng)用,如目前正在蓬勃發(fā)展的第三代移動通信全都采用了利用擴頻進行CDMA通信的方式。直接序列擴頻方式作為擴頻通信中的一種,其擴頻的實現(xiàn)方法比較容易,電路的設(shè)備量小,應(yīng)用廣泛,本設(shè)計將采用這種擴頻方式進行數(shù)據(jù)的傳輸。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)以STEL-2000A為核心,與一個射頻收發(fā)模塊一起組成點對多點的移動通信系統(tǒng),也可以獨立工作。結(jié)構(gòu)框圖見圖1,其工作過程如下:發(fā)射端待傳輸?shù)臄?shù)字信號先進行差分編碼成為兩路正交信號,然后進行直接序列擴頻,經(jīng)過QPSK調(diào)制形成滿足傳輸需要的模擬信號,之后送到后面的射頻發(fā)射部分去,在射頻發(fā)射部分通過上變頻、濾波、功放后由天線發(fā)射。來自射頻天線的信號經(jīng)過低噪聲放大器、下變頻之后送入本系統(tǒng)的接收端。在本系統(tǒng)中,輸入模擬信號經(jīng)過移相功分、寬帶放大、高速A/D采樣,轉(zhuǎn)換為兩路正交的數(shù)字信號,然后進行解擴、QPSK解調(diào)和差分解調(diào),輸出得到還原后的數(shù)字信號,再送至基帶信號處理器中。另外,由于STEL-2000A具有很靈活的工作方式,所以還需要有一個單片機來控制它,使系統(tǒng)工作在預(yù)定的方式下。
2 STEL-2000A主要功能介紹
STEL-2000A芯片是美國STANDFORD TELECOM公司出產(chǎn)的可編程直接序列擴頻收發(fā)芯片,它可以工作于全雙工方式下,以全數(shù)字處理的方式完成一個直擴系統(tǒng)的收發(fā)工作。它具有以下一些突出特點:
(1)可利用編程功能支持多種工作模式,包括BPSK、QPSK等;
(2)在發(fā)射和接收模式下支持高達11Mbps的PN碼速率;
(3)兩路獨立的 PN碼序列,分別用于快捕頭和數(shù)據(jù)碼元的擴頻,其長度和PN碼序列可編程控制,最長可達64位長;
(4)可支持數(shù)據(jù)速率高達2.048Mbps;
(5)能源管理特性,某些功能塊不工作時,可暫時關(guān)閉以降低能耗。
由圖1可見STEL-2000A的內(nèi)部結(jié)構(gòu),在發(fā)射端的關(guān)鍵部分是擴頻模塊,發(fā)射時所用的擴頻PN碼由單片機編程寫入,存儲在STEL-2000A內(nèi)的發(fā)射PN碼寄存器中,在QPSK方式下,數(shù)據(jù)以比特對的格式(I、Q兩路正交數(shù)據(jù)信號)與寄存器中的PN碼相異或,從而完成擴頻,成為兩路正交的I、Q兩路擴頻信號。
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在接收模塊的關(guān)鍵部分是數(shù)字下變頻和解擴模塊。數(shù)字下變頻模塊接收的是外部ADC對兩路正交信號的帶通采樣信號。下變頻器包括一個復(fù)數(shù)乘法器,8位輸入信號同NCO(數(shù)控振蕩器)產(chǎn)生的數(shù)字正弦和余弦信號相乘。要正確地數(shù)字下變頻,只要在NCO中寫入合適的頻率控制字即可,因為片內(nèi)的閉環(huán)頻率跟蹤環(huán)會時刻輸出校正信號,與NCO的頻率相加,以令接收信號被精確地下變頻到基帶。而在STEL-2000A的解擴部分,則使用了一個PN匹配濾波器和PN碼寄存器。PN碼寄存器中的PN碼應(yīng)該與發(fā)射來的信號所使用的PN碼一致,才能夠正確接收數(shù)據(jù),否則獲得的將是一片噪聲。PN碼寄存器中的PN碼與數(shù)據(jù)信號在PN匹配濾波器中作相關(guān)積分運算,由于PN碼的一個重要特性就是它的自相關(guān)系數(shù)很高,而互相關(guān)系數(shù)很低,所以只要相關(guān)的兩路信號的PN碼一致,就可以獲得相關(guān)積分的峰值,這就意味著解擴的成功。
3 系統(tǒng)的重要參數(shù)
在綜合考慮了STEL-2000A的性能和電路的實現(xiàn)難易程度之后,確定了如下的重要參數(shù):
(1)系統(tǒng)的工作方式為直接序列擴頻通信,系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)率為2.048Mbps,這是STEL-2000A的最大數(shù)據(jù)速率。
(2)系統(tǒng)采用的PN碼為11位長的巴克碼,即系統(tǒng)的擴頻增益為11,這也是為了滿足系統(tǒng)的2.048Mbps數(shù)據(jù)率而選用的PN碼長。本設(shè)計采用的這11位PN碼是:11100010010。
(3)系統(tǒng)的收發(fā)時鐘為45.056MHz(即RXIFCLK=TXIFCLK=45.056MHz),這個工作頻率也是STEL-2000A的最高工作頻率。
(4)系統(tǒng)的中頻調(diào)制方式為片外的QPSK調(diào)制方式,所采用的中頻頻率為100MHz。這種情況下擴頻碼的速率為11×2.048Mbps×1/2=11.264Mbps(I、Q兩路,每一路都是11.264Mbps),中頻調(diào)制信號帶寬為22.528MHz(即信號的主瓣寬度)。這里要著重指出:這個帶寬不是實際接收時的帶寬,因為接收信號還沒有經(jīng)過帶通濾波器。實際的接收端中頻信號帶寬應(yīng)該是:22.528×60%=13.5168MHz,為方便計算取為14MHz。為什么要如此?原因如下:直擴信號的能量大部分集中在兩倍碼元速率帶寬內(nèi),即信號的主瓣寬度,如果選擇濾波器帶寬與擴頻信號的主瓣寬度相等,即fB=22.528MHz,則能夠通過90%的信號能量,損失10%。這樣,接收機的解擴相關(guān)處理的相關(guān)輸出將比理論值損失20log(R(τ)/R(0))=0.92dB;如果選擇中頻帶寬為頻譜主瓣寬度的60%,則它包含了主瓣能量的90%,信號能量損失了0.46dB,但此時噪聲功率下降了2.2dB。用這種簡單的壓縮帶寬的辦法得到了大約1.7dB的信噪比改善,但帶寬的壓縮限制了調(diào)制擴頻碼的上升和下降時間,所傳輸信號的射頻包絡(luò)及相關(guān)函數(shù)受到影響,解擴后會帶來一定的信噪比損失,但遠小于1.7dB。這項技術(shù)在國外很多系統(tǒng)中得到了應(yīng)用,所以本設(shè)計帶通濾波器也選為主瓣寬度的60%。
(5)系統(tǒng)帶通的采樣頻率為45.056MHz(即中頻采樣頻率fSA,與RXIFCLK一樣),這是由于STEL-2000A的接收部分實現(xiàn)數(shù)字下變頻的參考時鐘為RXIFCLK的緣故。
(6)系統(tǒng)的基帶采樣速率為兩倍的PN碼速率,這是STEL-2000A正常接收所要求的,即2×11.264MHz=22.528MHz。本系統(tǒng)的基帶采樣時鐘由內(nèi)部RXIFCLK通過分頻產(chǎn)生,為fRXIFCLK/(n+1)。這里n為地址02H控制寄存器的位0~5內(nèi)的值,而fRXIFCLK=45.056MHz,可知n應(yīng)該設(shè)為1。
4 帶通采樣
帶通采樣也稱為欠采樣,它是本設(shè)計接收電路的關(guān)鍵部分。它直接對調(diào)制到載頻的中頻或者射頻帶通信號進行采樣,以便后續(xù)的數(shù)字處理,本系統(tǒng)使用一個雙路的ADC對兩路正交信號做正交帶通采樣。帶通采樣的一個最大優(yōu)點是可以用較低的采樣頻率對載頻較高的中頻或射頻帶通信號采樣,所以要求的ADC速率可以不用很高。本設(shè)計中采用的中頻達到100MHz,如果用普通基帶采樣,根據(jù)奈奎斯特定理,則所使用采樣ADC的采樣頻率要達到200MHz以上,這樣的電路成本高,實現(xiàn)難度大,完全不必要。本系統(tǒng)中的中頻信號是帶通信號,只要選擇合適的采樣頻率,完全可以實現(xiàn)帶通采樣。進行帶通采樣要滿足以下的這幾個條件:
式中的B表示信號的帶寬,fSA表示采樣信號的頻率,n為正整數(shù),f表示被采樣信號的頻率,它必須落在式(2)所示的范圍之內(nèi),才不會在采樣時出現(xiàn)頻率混疊,這種情況就是帶通采樣了。本設(shè)計的中頻信號帶寬為14MHz,中心頻率為100MHz,頻譜范圍在73～107MHz,采樣頻率45.056MHz,如果取式(2)中的n為2,將數(shù)據(jù)帶入式中,可知上面兩式都成立,所以本設(shè)計中帶通采樣是可以實現(xiàn)的。
5 電路調(diào)試結(jié)果
根據(jù)以上分析進行了電路設(shè)計和調(diào)試,獲得了比較理想的結(jié)果。STEL-2000A的收發(fā)時鐘信號由一個晶體振蕩器產(chǎn)生,經(jīng)過一個電壓比較器整形之后輸入給STEL-2000A。STEL-2000A的輸入信號定時為它的TXBITPLS輸出脈沖。在調(diào)試中,將這個信號提供給一個計數(shù)器,通過簡單的邏輯門電路就可以產(chǎn)生速率為2.048Mbps的數(shù)字信號作為輸入,見圖2。它是從計數(shù)器出來的周期信號,碼序列為00011。輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過差分編碼、擴頻后成為兩路正交的擴頻碼,如圖3。圖中通道1為同相信道,通道3為正交信道。擴頻碼經(jīng)過QPSK調(diào)制等處理后發(fā)射,在接收端獲得了與原來的輸入數(shù)據(jù)一樣的信號,碼序列00011,如圖4。
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本設(shè)計充分利用了 STEL-2000A的功能,達到了它的最大數(shù)據(jù)傳輸率2.048Mbps,采用單片機89C51對它進行控制,工作方式靈活,還采用了帶通采樣的方法,降低了電路成本和設(shè)計難度。具有外圍電路簡單,體積小,性能可靠等優(yōu)點,可以比較好地滿足野戰(zhàn)信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/P>
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參考文獻
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