摘? 要: 介紹了全數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,構成了一個可用于野戰信息傳輸的擴頻收發系統。
關鍵詞: 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的信息數據被偽隨機碼(Pseudo Code)調制,實現頻譜擴展后再傳輸,接收端則采用同樣的PN碼進行解調及相關處理,恢復原始信息數據。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,再通過相關處理恢復成窄帶后,解調數據,因此具有偽隨機編碼調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、可以碼分復用等突出優點。目前在軍事和民用上都得到了廣泛的應用,如目前正在蓬勃發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,其擴頻的實現方法比較容易,電路的設備量小,應用廣泛,本設計將采用這種擴頻方式進行數據的傳輸。
1 系統結構
本系統以STEL-2000A為核心,與一個射頻收發模塊一起組成點對多點的移動通信系統,也可以獨立工作。結構框圖見圖1,其工作過程如下:發射端待傳輸的數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,經過QPSK調制形成滿足傳輸需要的模擬信號,之后送到后面的射頻發射部分去,在射頻發射部分通過上變頻、濾波、功放后由天線發射。來自射頻天線的信號經過低噪聲放大器、下變頻之后送入本系統的接收端。在本系統中,輸入模擬信號經過移相功分、寬帶放大、高速A/D采樣,轉換為兩路正交的數字信號,然后進行解擴、QPSK解調和差分解調,輸出得到還原后的數字信號,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,使系統工作在預定的方式下。
2 STEL-2000A主要功能介紹
STEL-2000A芯片是美國STANDFORD TELECOM公司出產的可編程直接序列擴頻收發芯片,它可以工作于全雙工方式下,以全數字處理的方式完成一個直擴系統的收發工作。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據碼元的擴頻,其長度和PN碼序列可編程控制,最長可達64位長;
(4)可支持數據速率高達2.048Mbps;
(5)能源管理特性,某些功能塊不工作時,可暫時關閉以降低能耗。
由圖1可見STEL-2000A的內部結構,在發射端的關鍵部分是擴頻模塊,發射時所用的擴頻PN碼由單片機編程寫入,存儲在STEL-2000A內的發射PN碼寄存器中,在QPSK方式下,數據以比特對的格式(I、Q兩路正交數據信號)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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在接收模塊的關鍵部分是數字下變頻和解擴模塊。數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數乘法器,8位輸入信號同NCO(數控振蕩器)產生的數字正弦和余弦信號相乘。要正確地數字下變頻,只要在NCO中寫入合適的頻率控制字即可,因為片內的閉環頻率跟蹤環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碼應該與發射來的信號所使用的PN碼一致,才能夠正確接收數據,否則獲得的將是一片噪聲。PN碼寄存器中的PN碼與數據信號在PN匹配濾波器中作相關積分運算,由于PN碼的一個重要特性就是它的自相關系數很高,而互相關系數很低,所以只要相關的兩路信號的PN碼一致,就可以獲得相關積分的峰值,這就意味著解擴的成功。
3 系統的重要參數
在綜合考慮了STEL-2000A的性能和電路的實現難易程度之后,確定了如下的重要參數:
(1)系統的工作方式為直接序列擴頻通信,系統收發數據的數據率為2.048Mbps,這是STEL-2000A的最大數據速率。
(2)系統采用的PN碼為11位長的巴克碼,即系統的擴頻增益為11,這也是為了滿足系統的2.048Mbps數據率而選用的PN碼長。本設計采用的這11位PN碼是:11100010010。
(3)系統的收發時鐘為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)系統的中頻調制方式為片外的QPSK調制方式,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過帶通濾波器。實際的接收端中頻信號帶寬應該是: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,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,接收機的解擴相關處理的相關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制擴頻碼的上升和下降時間,所傳輸信號的射頻包絡及相關函數受到影響,解擴后會帶來一定的信噪比損失,但遠小于1.7dB。這項技術在國外很多系統中得到了應用,所以本設計帶通濾波器也選為主瓣寬度的60%。
(5)系統帶通的采樣頻率為45.056MHz(即中頻采樣頻率fSA,與RXIFCLK一樣),這是由于STEL-2000A的接收部分實現數字下變頻的參考時鐘為RXIFCLK的緣故。
(6)系統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。本系統的基帶采樣時鐘由內部RXIFCLK通過分頻產生,為fRXIFCLK/(n+1)。這里n為地址02H控制寄存器的位0~5內的值,而fRXIFCLK=45.056MHz,可知n應該設為1。
4 帶通采樣
帶通采樣也稱為欠采樣,它是本設計接收電路的關鍵部分。它直接對調制到載頻的中頻或者射頻帶通信號進行采樣,以便后續的數字處理,本系統使用一個雙路的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。本設計中采用的中頻達到100MHz,如果用普通基帶采樣,根據奈奎斯特定理,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,實現難度大,完全不必要。本系統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,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,才不會在采樣時出現頻率混疊,這種情況就是帶通采樣了。本設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,將數據帶入式中,可知上面兩式都成立,所以本設計中帶通采樣是可以實現的。
5 電路調試結果
根據以上分析進行了電路設計和調試,獲得了比較理想的結果。STEL-2000A的收發時鐘信號由一個晶體振蕩器產生,經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。在調試中,將這個信號提供給一個計數器,通過簡單的邏輯門電路就可以產生速率為2.048Mbps的數字信號作為輸入,見圖2。它是從計數器出來的周期信號,碼序列為00011。輸入的數據經過差分編碼、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。擴頻碼經過QPSK調制等處理后發射,在接收端獲得了與原來的輸入數據一樣的信號,碼序列00011,如圖4。
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本設計充分利用了 STEL-2000A的功能,達到了它的最大數據傳輸率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計難度。具有外圍電路簡單,體積小,性能可靠等優點,可以比較好地滿足野戰信息數據傳輸的需要。
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參考文獻
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