??? 摘? 要: 介紹了一個(gè)多媒體擴(kuò)頻通信系統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程,并詳細(xì)描述了如何用硬件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的文件、語(yǔ)音、視頻通信。?
????關(guān)鍵詞: 擴(kuò)頻? PN碼? 通信口
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??? 在當(dāng)今各種信息快速傳遞的時(shí)代,要求更多的通信功能和通信資源,而現(xiàn)在頻帶已經(jīng)非常有限。為了提高頻帶利用率,要求單位波段能具有盡可能大的信息傳輸容量,移動(dòng)通信從頻分多址 (FDMA)到時(shí)分多址 (TDMA)一直發(fā)展到今天的碼分多址(CDMA)。這種碼分多址的技術(shù)基礎(chǔ)就是擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)。擴(kuò)頻通信技術(shù)可提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)、話音、圖像服務(wù)以及廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)互連,Internet接入服務(wù)。本文介紹一個(gè)直接序列擴(kuò)頻無(wú)線通信系統(tǒng),該系統(tǒng)既可作為CDMA無(wú)線多媒體通信系統(tǒng)的一部分,又可以作為一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。?
1 擴(kuò)頻通信技術(shù)及其特點(diǎn)?
??? 所謂擴(kuò)頻通信,簡(jiǎn)單地表述如下:擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式,其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬,頻帶的展寬是通過(guò)編碼及調(diào)制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的,并與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān);在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。?
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??? 擴(kuò)頻通信具有一系列優(yōu)良特性,諸如抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好、信息保密傳輸、任意選址、誤碼率低、抗多徑干擾等。現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)有多種(直擴(kuò)、跳頻、跳時(shí)),本項(xiàng)目使用直接序列擴(kuò)頻(DS)。直接序列擴(kuò)頻就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列,在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜,在收端用相同的擴(kuò)頻碼去進(jìn)行解擴(kuò)。把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始信息。?
2 系統(tǒng)框圖及功能?
??? 系統(tǒng)框圖如圖2所示,操作人員將文字、語(yǔ)音、視頻等信號(hào)輸入計(jì)算機(jī),系統(tǒng)用改進(jìn)后的NETMEETING平臺(tái)作為人機(jī)對(duì)話軟件。NETMEETING將信號(hào)發(fā)至定義過(guò)的RS-232通信口,然后由與RS-232通信口相連接的擴(kuò)頻數(shù)字收發(fā)信機(jī)①進(jìn)行擴(kuò)頻、調(diào)制成為偽隨機(jī)序列碼(頻譜大大地?cái)U(kuò)展)再發(fā)射,通過(guò)微波(或衛(wèi)星)建立鏈路;在接收端,天線將信號(hào)收至信機(jī)②解擴(kuò)、解調(diào),并將信號(hào)轉(zhuǎn)化為文字、語(yǔ)音、視頻。這樣可實(shí)現(xiàn)多人參與的視頻會(huì)議。?
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3 擴(kuò)頻數(shù)字收發(fā)信機(jī)(簡(jiǎn)稱信機(jī))的設(shè)計(jì)?
??? (1)利用zilog公司的Z2000擴(kuò)頻芯片設(shè)計(jì)了一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)收發(fā)信機(jī),具有與PC機(jī)的RS-232口通信的自適應(yīng)波特率(最高2048kb/s)接口。可以實(shí)現(xiàn)由2.48MHz的帶寬擴(kuò)頻至20.48MHz帶寬。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。?
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??? (2)該機(jī)器以89C52為系統(tǒng)核心處理器、以Z2000為主要功能芯片(實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻功能)、配合其他芯片完成基帶處理部分。?
??? 當(dāng)要傳輸數(shù)據(jù)時(shí),PC機(jī)對(duì)RS-232通信口進(jìn)行檢測(cè),而信機(jī)由RS-232口實(shí)現(xiàn)流控(具體的通信控制在第五部分)。當(dāng)PC機(jī)收到有效信號(hào)后便發(fā)出數(shù)據(jù),由RS-232口送入89C52,用時(shí)鐘為2048kb/s的信號(hào)進(jìn)行采樣,經(jīng)過(guò)Z2000的處理(先差分編碼,再用20.48MHz的偽隨機(jī)序列對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻),然后用MAX2452產(chǎn)生70MHz的載波頻率進(jìn)行調(diào)制,產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字化的中頻QPSK輸出信號(hào),經(jīng)過(guò)MAX436和單片放大后得到中頻為70MHz的信號(hào),DA轉(zhuǎn)換后經(jīng)中頻電纜送到(經(jīng)過(guò)一個(gè)多工器)射頻部分上變頻,進(jìn)行射頻調(diào)制并發(fā)送。?
??? 接收時(shí),天線將擴(kuò)頻信號(hào)接收下來(lái),射頻模塊將它解調(diào)、下變頻,放大后送入信機(jī)(信機(jī)開機(jī)后處于自動(dòng)搜索狀態(tài)),主芯片Z2000的PN匹配濾波器篩選所接收到的信號(hào),一旦檢測(cè)到匹配數(shù)據(jù)將啟動(dòng)接收程序、進(jìn)入接收狀態(tài),經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益控制,再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)變成兩個(gè)(I和Q通道)數(shù)字信號(hào),然后經(jīng)Z2000處理得到2.048MHz的同步數(shù)據(jù)送入RS-232口。?
??? (3) 主要芯片的功能?
??? 89C52:主機(jī)接口、幀格式化、設(shè)置擴(kuò)頻芯片的控制寄存器、緩沖存儲(chǔ)器、通信協(xié)議、控制電路; ?
??? MAX233:由RS-232口電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換;?
??? MAX497:視頻緩存;?
??? MAX436:視頻運(yùn)放;?
??? MAX2452:是一個(gè)積分調(diào)節(jié)器,輸入振幅為1.35V、帶寬為15MHz的微分I和Q基帶信號(hào);輸出為70MHz的微分信號(hào)。這里作為第一中頻;?
??? tp3067:勤務(wù)編解碼器(語(yǔ)音處理);?
??? sn75108:線路驅(qū)動(dòng)器;?
??? cd4053:是一個(gè)三重雙信道模擬多路復(fù)用器,作為模擬開關(guān),切換信機(jī)的工作狀態(tài)(勤務(wù)或數(shù)據(jù));?
??? AD9059:是一個(gè)雙路8位D/A轉(zhuǎn)換器;?
??? QL12X16B:現(xiàn)場(chǎng)可編程器件,用于速率控制、分接同步、時(shí)鐘外圍等;?
??? CLC520:AGC,即自動(dòng)增益控制;?
??? 多工器:主要有四種功能(射、收、發(fā)、遙控)。?
4 計(jì)算機(jī)部分?
??? 整個(gè)系統(tǒng)的基本思路是在串行口上建立以太網(wǎng)仿真連接。完成后,串行口就是一個(gè)網(wǎng)卡,與普通網(wǎng)卡幾乎一樣,只是速度慢了。還有一點(diǎn)就是RTS線可以按照有無(wú)包發(fā)送來(lái)控制(筆者編了一個(gè)程序來(lái)控制,其中控制RTS/CTS應(yīng)答時(shí)序的方法:控制發(fā)送等待時(shí)間,若有包發(fā)送,先拉高RTS,等待CTS高或者通過(guò)時(shí)間點(diǎn)(time-out),就發(fā)送出去。還有空閑等待時(shí)間,若在一定的時(shí)間內(nèi)一直無(wú)包發(fā)送,就降低RTS,使信道機(jī)停止發(fā)送,讓出信道。參數(shù)值1~255,時(shí)間長(zhǎng)短與機(jī)器速度有關(guān))。只要能實(shí)現(xiàn)這兩點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)程序都可以用(只是為了簡(jiǎn)化要寫的程序)。?
??? 程序流程圖如圖4所示。?
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??? packet driver是一種簡(jiǎn)單且公開的Ethernet驅(qū)動(dòng)接口。slx_rzk是一個(gè)完全的串行口Ethernet仿真程序(不是簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的slip或ppp),可以用于任意一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)。要改變packet driver的流控方式,只需要外掛一個(gè)殼就行了。這個(gè)殼就是sliprts(當(dāng)然這個(gè)程序可以用到slip或ppp上)。但在windows中卻無(wú)法直接使用packet driver。所以只能通過(guò)ODI搭橋,這個(gè)橋就是pdether,但它與windows并不是100%兼容,要用自己的net.cfg。所以必須在autoexec.bat中多加一句copy net_cfg.cfg,用來(lái)對(duì)付windows的霸道行徑。配置好這些,再配好已存在的ODI適配器上的IP設(shè)置,兩臺(tái)PC的串行口用NULL MODEM線(交叉的RS-232線)連好。?
??? 另外,還使用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的windows的NETMEETING作為多媒體通信的人機(jī)對(duì)話軟件和主要通信軟件。?
5 通信口控制的修改?
??? (1)通信口是根據(jù)計(jì)算機(jī)串行通信原理設(shè)計(jì)的。主要的通信控制在于RS-232C接口(Recommended Standard)的握手控制。本項(xiàng)目用到了它的七個(gè)控制信號(hào),其中兩根是自己端短接(DTR和DCD),只有檢測(cè)到DCD有效,那些串口通信程序才工作,而PC機(jī)開機(jī)后DTR是有效的。它的RTS和CTS控制信機(jī)和PC機(jī)的工作(流控)。?
??? (2)RS-232C接口的信號(hào)說(shuō)明如表1所示。?
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??? (3)在收發(fā)過(guò)程中的通信控制。信機(jī)檢測(cè)RTS,如果為低則僅僅接收信號(hào);如果為高則啟動(dòng)發(fā)送程序處于發(fā)送狀態(tài),同時(shí)PC機(jī)必須檢測(cè)到CTS有效(表示信機(jī)準(zhǔn)備好發(fā)送工作,若CTS無(wú)效可阻止PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),防止信機(jī)丟失數(shù)據(jù))才將數(shù)據(jù)傳入信機(jī)。?
??? (4)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。利用全向天線作為主天線,定向天線為從天線,通過(guò)主PC機(jī)中一個(gè)(修改89C52中PN碼的)控制軟件達(dá)到選擇多點(diǎn)的目的。?
6 射頻部分?
??? 射頻部分原理圖如圖5所示。?
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??? 其工作原理如下:?
??? ·發(fā)送端:信道機(jī)輸出的70MHz中頻擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)2340MHz混頻調(diào)制到射頻為2410MHz,再經(jīng)帶通濾波器、LPA后,由天線發(fā)射出去。?
??? ·接收端:天線接收到2450MHz的信號(hào)經(jīng)過(guò)LNA、帶通濾波器后,被2340MHz解調(diào)至110MHz的中頻信號(hào),再經(jīng)中頻電纜傳到信道機(jī)。?
??? ·性能指標(biāo):?
??? 主端:Tx:2410MHz? ?? 從端:Tx:2450MHz?
??? ??? ?Rx:2450MHz??????? Rx:2410MHz?
??? 頻寬:20.48MHz?
??? 接收天線的靈敏度:-86dBm@BER=10-6?
7 參數(shù)的選定?
??? 接收主時(shí)鐘頻率:Fr=40.96MHz?
??? 取樣頻率:fSA=40.96MHz?
??? 中頻頻率:f1=10.7、70、0MHz?
??? PN片速率:RC=20.48MHz?
??? 發(fā)射主時(shí)鐘頻率:fT=45.056MHz?
??? 接收時(shí)基帶取樣頻率:fq=40.96MHz?
??? 信息數(shù)據(jù)碼率:rD=2.048MHz?
??? PN匹配濾波器檢測(cè)門限值:0.7?
??? 擴(kuò)頻增益:10?
??? 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想基于簡(jiǎn)化無(wú)線通信的多媒體終端的制造。借助windows中NETMEETING平臺(tái),并利用擴(kuò)頻技術(shù),使系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉,并具有帶寬寬、保密性能好、抗干擾能力強(qiáng)、任意選址、誤碼率低等許多優(yōu)點(diǎn)。?
參考文獻(xiàn)?
1 王秉鈞.擴(kuò)頻通信.天津:天津大學(xué)出版社,1993.8?
2 李文臣.新型擴(kuò)頻收發(fā)器Z2000.半導(dǎo)體雜志,1996;21(4)?
3 李文臣.擴(kuò)頻芯片Z2000中的編碼與解碼.半導(dǎo)體雜志,1997;22(3)?
4 李文臣.用芯片Z2000設(shè)計(jì)的擴(kuò)頻通訊系統(tǒng)如何啟動(dòng).?半導(dǎo)體雜志,1999;24(2)?
5 李文臣.論擴(kuò)頻芯片Z2000中的視口設(shè)置.半導(dǎo)體雜志,?1999;24(1)