摘? 要: 介紹了高增益擴頻" title="擴頻">擴頻芯片SX043的特點、主要性能及用法,并以SX043為核心,設計實現了高增益擴頻Modem。?

　　關鍵詞: 擴頻通信? PN碼? 處理增益? 直接序列擴頻芯片SX043? Modem?

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　　擴頻通信是當今國際上高新技術的熱點之一。擴頻通信是用PN碼對傳輸的信息進行調制,將其頻譜擴展后再傳輸,而在接收端使用相同的PN碼對接收到的信息進行解調,恢復原始信息的一種通信方式。擴頻通信可使信噪比改善20到50多分貝,而且具有抗噪聲、抗干擾、抗衰落、抗多徑能力強,可以采用碼分多址實現多址通信,易于多媒體通信組網,具有良好的安全通信能力等諸多優點,已在民用和軍事中被廣泛應用。?

　　本文介紹一種利用美國AMI公司生產的直接序列擴頻芯片SX043制作的Modem。?

1 SX043的性能及特點?

　　SX043的主要特點有:?

　　·具有可編程功能,通過內部108個寄存器的值控制芯片的收、發。?

　　·完成直接序列擴頻基帶處理的全部功能。?

　　·全雙工或半雙工通信。?

　　·支持的調制方式有:BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK、QAM(8或16)。?

　　·高達1Mbps(BPSK/DBPSK)、2Mbps(QPSK/DQPSK)、3Mbps(8QAM)、4Mbps(16QAM) 的數據速率" title="數據速率">數據速率。?

　　·可選長度為11碼片的Barker碼和最大" title="最大">最大碼長可達到2047的m序列或gold碼。?

　　SX043的突出優點是處理增益高。內部有收、發獨立的PN碼發生器,由11個移位寄存器組成,可產生m序列和gold碼序列,最大碼長可達2047,因此SX043處理增益高達33.1dB。同時用戶可選擇與傳輸使用的m序列互相關值最小的另一m序列,它們的互相關值加上用戶設定的偏移值作為跟蹤、捕獲環路的基準值,從而使得同步的誤判率減小。用戶還可以通過設定寄存器值,在信息傳輸完成后,使捕獲跟蹤環路保持在跟蹤狀態,繼續尋找一個新的同步頭。這個特性允許連續傳輸任意數量的數據塊,而不需要重新鎖定信息。由于SX043的內部時鐘為64MHz,因此在BPSK(DBPSK)方式下,可支持的最大數據速率為1MHz;在QPSK(DQPSK)方式下,可支持的最大數據速率為2MHz。?

　　SX043通過相互獨立的輸入、輸出FIFO作為數據緩沖器與微控制器" title="微控制器">微控制器通信,它最大可存儲16個字節。通過FIFO可監督數據傳輸、接收的狀態,在數據傳輸完成、數據溢出或數據傳輸被強行放棄時發出中斷信號送入微控制器。用戶可通過SX043的內部寄存器查看FIFO的狀態,控制FIFO在何狀態下送出中斷。?

　　SX043內部有包格式發生器,使用HDLC協議傳輸數據,也可以由用戶自定義協議通知收信方信息傳輸完成。如果在信息的傳輸過程中信息被放棄,SX043會發送放棄標志FF告知用戶。用戶還可以選擇是否對數據包的信息部分擾碼。SX043支持CRC-32和CRC-16兩種錯誤檢測方式,使用擾碼可增強數據傳輸的可靠性,消除長連0、連1現象,減小多徑干擾、碼間干擾等,但是使用擾碼會產生誤碼擴散現象。?

2? SX043的內部結構?

　　SX043的內部結構框圖如圖1所示。?

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　　由圖1可見,SX043由發送模塊、接收模塊、微控制器接口以及控制與標識寄存器組成。?

　　發送模塊由時鐘發生器、PN碼發生器、深度為16字節的FIFO及信息處理模塊組成。SX043通過外部輸入的參考時鐘和其內部的鎖相環,可產生64MHz的穩定工作時鐘。此時鐘被寄存器TVCO-DIV的值加1所除,作為PN碼時鐘(最大可達到64MHz)。待傳信息由FIFO輸入后,經過打包、擾碼(可選)再與用戶設定的PN碼相乘后送出。?

　　接收模塊由時鐘恢復電路、捕獲跟蹤環路、深度為16字節的FIFO、PN碼發生器及信息處理模塊組成。?

　　SX043接收模塊內有一PLL,其中的相位檢測器一端輸入TX的4MHz的參考頻率,另一端輸入fVCO/16。因為VCO輸出64MHz時鐘,其被寄存器RN4中的值加1所除,得PN碼時鐘。?

　　SX043接收模塊中,PN碼發生器產生的PN碼通過PN2引腳輸出,與接收到的擴頻信號相乘,再通過解調,產生接收信號強度指示信號(RSSI1、RSSI2)。此信號提供給捕獲跟蹤環路,完成對接收信號的正確接收。捕獲采用相位滑動法,跟蹤采用τ抖動鎖相環電路。根據設定的滑動速率,PN2每次滑動碼元長度的1/2,同時電路對RSSI1抽樣,一旦其值大于PN碼捕獲的基準值,電路轉到跟蹤狀態,開始同步頭的檢測。若在連續的16個符號周期內,沒有檢測到同步頭,則返回到滑動狀態;若已檢測到同步頭,則電路進入τ抖動狀態。用戶可設定抖動速率,抖動幅度可選為相關峰值的%,從而使得接收端的PN碼始終與接收到的PN碼同步,正確接收發送來的信號。?

　　接收到的信息通過解擾、解包后送入FIFO,由微控制器接口輸出。?

　　微控制器通過微控制器接口將初始程序寫入,設置所有控制寄存器的值,并在數據傳輸和接收的過程中,監控各標識寄存器的值,從而控制SX043的狀態,保證信息傳輸的可靠性。?

3 擴頻Modem的設計參數?

　　綜合考慮了SX043的性能和電路的實現難易程度后,擴頻Modem的設計參數定為:?

　　(1)為了實現高擴頻增益,保證數據速率不能太低,數據速率定為32kbit/s,使用碼長為1023的m序列,從而保證擴頻增益不低于30dB。?

　　(2)采用BPSK調制方式。由于在SX043的內部擴頻,其輸出數據速率高達32Mbps,因而必須選用寬帶調制器。調制器中頻定為70MHz。?

　　(3)由于解調是在解擴后完成,因而可降低對解調器中頻的要求,故選擇10.7MHz為常用中頻頻率。選此中頻是由于本設計中選用的是AMI公司生產的配合SX043使用的可編程解調芯片SX061,它支持的最大中頻為13MHZ。也正是由于此原因,我們在接收端加入了混頻器,從而保證擴頻增益及數據傳輸的可靠性。?

4 擴頻Modem的系統設計?

4.1 硬件組成?

　　Modem的結構圖如圖2所示,可分為發送、接收和控制三部分。?

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　　在發送部分,待傳數據經過微控制器送入SX043,變為寬帶信號后送入外部的BPSK調制器變為中頻信號并濾波,然后送入射頻發射部分,經過上變頻、濾波、功放后由天線發射出去。?

　　在接收部分,接收來的信號經過低噪聲放大、下變頻、解擴及濾波處理后,與SX043產生的接收PN碼相乘,變為窄帶信號,通過混頻器使信號中頻變為10.7MHz后,再經過濾波解調器處理后變為基帶信號。此信號送入SX043處理變為原數據后輸出。?

　　在控制部分,用戶通過微控制器輸入、輸出數據,編寫SX043的內部寄存器值,控制系統時鐘,收、發狀態。?

4.2 軟件設計?

　　軟件設計主要由兩部分組成:一部分是SX043內部寄存器值的讀寫控制程序,另一部分是SX061的控制程序。有關SX043及SX061各寄存器的詳細設置請參考這兩個芯片的技術資料。下面僅就SX043的幾個重要寄存器的設置進行說明。?

4.2.1 發、收偽碼" title="偽碼">偽碼寄存器設置?

　　對發、收偽碼控制的寄存器分別為TPNA、TPNB和RPNA、RPNB,它們各占用11bit。將11bit中的某一位或多位置1,便可設定某個長度的PN碼。例如:若將TPNA設為00100001000,則其為長度511的m序列。由于RPNB與RPNA的互相關值加上寄存器RFO中的值作為同步檢測的基準值,因而RPNB要選擇與RPNA互相關值最小的m序列,從而保證同步碼捕獲的準確性。?

4.2.2 偽碼速率設置?

　　發端的偽碼速率由20位寄存器TVCO-DIV控制;收端的偽碼速率由20位寄存器RN4A控制。當接收模塊啟動時,自動將RN4A中的值裝入RN4。由于SX043的工作頻率為64MHz,因此,若TVCO-DIV或RN4A的值為N,則偽碼的碼速率為64/(N+1) (Mchips/s)。?

4.2.3 PN碼滑動幅度和抖動幅度的設定?

　　在偽碼速率較高的情況下,當RN4A的值為1～10時,采用VCO抽頭控制器控制PN碼的滑動與抖動幅度,具體可通過寄存器RN3設定。VCO抽頭控制器內部可自行實現滑動,只要將RN3的第5位置1即可。RN3的第4位為1時,則使其產生抖動。由于VCO有14個抽頭,因此,每一個抽頭較前一個抽頭延時工作周期的1/14,即1.11ns。因而,選定超前或滯后的抽頭數(由RN3的0～3位確定)就可以設定抖動的幅度。例如:假設偽碼速率為32MHz,則T=31.25ns,若抖動幅度設為相關峰值的±10%,則應選的抽頭數為3.125ns/1.11ns≈3,將0011寫入RN3的0～3位即可。?

　　在偽碼速率較低的情況下,采用RN4模塊設定PN碼的滑動及抖動幅度。滑動時環路自動將RN4B的值裝入RN4、超前抖動時將RN4C的值裝入RN4、滯后抖動時將RN4D的值裝入RN4,改變PN碼的周期,從而產生滑動及抖動。?

　　若滑動幅度為1/2碼元,則PN碼時鐘周期應增加50%,因而RN4B的值應為RN4A值的1.5倍。?

　　若抖動幅度為相關峰值的±10%,則RN4C的值應為RN4A值的90%,因而RN4D的值應為RN4A值的110%。?

　　電路經過調試,達到了比較理想的結果。假設輸入速率為32kbps的周期碼序列0111010(見圖3),在SX043內部與長度為1023的PN碼(見圖4)相“異或”后變為寬帶信號輸出(頻譜見圖5);接收端將接收到的信號解擴、混頻,再經解調后輸入SX043處理、恢復出原信號。?

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　　使用SX043達到了30dB的處理增益及較高的數據傳輸速率;采用單片機89C51對其控制,工作方式靈活;采用大規模集成電路,集成度很高,因而結構簡單,體積較小。此Modem可以應用于無線局域網、專用數據網、數據信息處理及其它無線系統中。由于高增益,它還可以應用于軍事上。?

參考文獻?

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4 徐淑華. 單片微型機原理及應用. 哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1997?