??? 摘? 要： 介紹STEL-2000A的特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能，給出了它在一擴(kuò)頻遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，硬件部分著重STEL-2000A的接口設(shè)計(jì)，軟件部分著重STEL-2000A的內(nèi)部編程。
??? 關(guān)鍵詞： 擴(kuò)頻 PN碼 采樣 編程
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??? 近年來，隨著無線通信設(shè)備的迅猛增長，空間的電磁環(huán)境變得愈來愈復(fù)雜，相互間的干擾現(xiàn)象層出不窮。在對(duì)可靠性要求較高的場合，如保安、調(diào)度、指揮等，傳統(tǒng)的調(diào)幅、調(diào)頻通信系統(tǒng)，由于其抗干擾能力較弱，已不能很好地發(fā)揮作用。擴(kuò)頻通信技術(shù)以其抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、能抗多徑衰落、在采用低信號(hào)功率譜密度時(shí)對(duì)同頻段內(nèi)其它通信設(shè)備干擾小等優(yōu)點(diǎn)，在軍用民用通信領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。STEL-2000A是美國Standford Telecom公司與Zilog公司聯(lián)合研制的單片全數(shù)字?jǐn)U頻處理器，具有很強(qiáng)的信息處理能力，可應(yīng)用于多種無線擴(kuò)頻系統(tǒng)中，如無線局域網(wǎng)、無繩電話及其它數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)。
1 STEL-2000A的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)
STEL-2000A的主要特點(diǎn)有：
????·在單片CMOS集成電路中完成直接序列擴(kuò)頻及其突發(fā)包的調(diào)制解調(diào)等全部工作；
????·1bit數(shù)據(jù)可擴(kuò)展成11～64位擴(kuò)頻碼(chips)，最高擴(kuò)頻碼率為22Mchips/s；
????·兩個(gè)完全獨(dú)立的64位的偽隨機(jī)碼序列分別用于同步頭和數(shù)據(jù)的擴(kuò)展處理；
????·支持全雙工和半雙工操作，可實(shí)現(xiàn)頻分雙工和時(shí)分雙工；
????·可進(jìn)行中頻直接采樣；
????·具有豐富的可編程功能使之支持各種工作模式；
????·具有功率管理的特點(diǎn)便于實(shí)施發(fā)射功率控制；
????·100腳的PQFP封裝，可使設(shè)備體積減小。
???? 圖1是STEL-2000A的結(jié)構(gòu)框圖。它將數(shù)字下變頻器、PN匹配濾波器、差分解調(diào)器等集成在一個(gè)接收部分里，其輸入是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字中頻信號(hào)RXIIN7-0和RXQIN7-0;發(fā)送部分包括差分BPSK/QPSK編碼器、PN碼調(diào)制器以及BPSK/QPSK調(diào)制器等，其輸出是送給外部D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字中頻信號(hào)TXIFOUT7-0。
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????從結(jié)構(gòu)上看，STEL-2000A采用數(shù)字匹配濾波器(數(shù)字相關(guān)器)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)，解決了一般擴(kuò)頻系統(tǒng)為之付出重大代價(jià)的偽隨機(jī)碼同步問題。另外，它采用的差分解調(diào)方式，避免了相干載波的提取和相位模糊問題，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2 STEL-2000A的性能
STEL-2000A的PN碼長度為11～64bit，擴(kuò)頻增益為10.4～18.1dB，能在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)偽碼的捕獲。本人用SPW通信系統(tǒng)仿真軟件對(duì)STEL-2000A的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真，得到了如下結(jié)果：
·數(shù)字匹配濾波器對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)的載頻來說是一個(gè)窄帶濾波器，只有輸入的信號(hào)為“零中頻”時(shí)，才能得到最大的相關(guān)峰值。如下變頻率頻差不為0，即載頻不為0時(shí)，數(shù)字匹配濾波器輸出的相關(guān)峰值會(huì)減小。頻差對(duì)相關(guān)峰值的影響見表1(PN碼長=64bit，PN碼速率=1.024Mchips/s)。
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????·AFC環(huán)路的鑒頻器具有正弦鑒頻特性，其鑒頻函數(shù)為：
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其中Δf為頻差，F(xiàn)為符號(hào)率(在DBPSK調(diào)制方式時(shí)等于數(shù)據(jù)傳輸率，DQPSK調(diào)制方式時(shí)為數(shù)據(jù)傳輸率的一半)。當(dāng)f/F<0.5時(shí)，AFC環(huán)路能很好的鎖定。如符號(hào)率為16kbps時(shí)，允許的最大頻率差為8kHz。
·當(dāng)PN碼長度和速率一定時(shí)，下變頻頻差和調(diào)制方式是影響STEL-2000A抗干擾性能的主要因素。假設(shè)信道只存在高斯白噪聲，在帶限2.5MHz、輸入信號(hào)S/N=0dB的情況下，作數(shù)據(jù)傳輸仿真實(shí)驗(yàn)以考察系統(tǒng)的整體性能：當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率為32kpbs、下變頻頻差為1.6kHz時(shí)、采用DQPSK調(diào)制方式時(shí)，作10000個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果出現(xiàn)58個(gè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。將下變頻頻差改為1kHz后，再作相同實(shí)驗(yàn)，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤;當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率為16kbps、下變頻頻差為3.6kHz時(shí)，作10000個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果出現(xiàn)164個(gè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。將下變頻頻差改為2.6kHz后，再作相同實(shí)驗(yàn)，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。由此證明，DBPSK調(diào)制方式的抗干擾性能比DQPSK方式強(qiáng)，但付出的代價(jià)是在相同帶寬條件下數(shù)據(jù)傳輸率降低了一半。
3 STEL-2000A的應(yīng)用
下面介紹一個(gè)以STEL-2000A為核心的直接序列擴(kuò)頻遙控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為：數(shù)據(jù)傳輸率16kbps。偽碼長度64bit，擴(kuò)頻增益18dB，調(diào)制方式BPSK，發(fā)射載頻230MHz，帶寬2.048MHz。
3.1 發(fā)射機(jī)部分的硬件設(shè)計(jì)
圖2是遙控系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)部分。它主要由STEL-2000A擴(kuò)頻處理器、GMS90C31單片機(jī)、BPSK調(diào)制器和RF功放模塊等部分組成。GMS90C31是韓國LG公司生產(chǎn)的與8031完全兼容的單片機(jī)，具有40MHz的時(shí)鐘速度。它與外圍的EPROM2764程序存儲(chǔ)器、74AHC573地址鎖存器共同組成了基帶數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，完成STEL-2000A的初始化及控制、遙控指令幀的編碼等工作。圖中六位撥碼開關(guān)用來設(shè)置接收機(jī)的地址碼，使一臺(tái)發(fā)射機(jī)可同時(shí)遙控64臺(tái)接收機(jī)。
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????每條指令幀由一個(gè)15bit的突發(fā)數(shù)據(jù)包組成，指令幀的前6bit為地址碼，中間5bit為指令碼，后4bit為糾錯(cuò)碼。利用匹配濾波器能夠在一個(gè)調(diào)制數(shù)據(jù)的時(shí)間內(nèi)完成捕獲的功能，一個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)包只需一個(gè)捕獲/前置符作為同步頭，后面可跟任意長度的同步/數(shù)據(jù)符號(hào)，幀結(jié)構(gòu)如下。
捕獲/前置符和同步/數(shù)據(jù)符所使用的PN序列是完成獨(dú)立的，因此捕獲/前置符可作為數(shù)據(jù)起始位置的標(biāo)志，不需再加專門的幀同步信號(hào)。同步/數(shù)據(jù)符的相關(guān)峰可作為數(shù)據(jù)的位同步信號(hào)，因此在編碼時(shí)不需考慮連“0”、連“1”的情況。
STEL-2000A通過中斷方式從GMS90C31獲取指令幀數(shù)據(jù)。但由于其數(shù)據(jù)請求信號(hào)TXBITPLS為高電平有效，且寬度較窄(等于偽碼周期512ns)，不能可靠地觸發(fā)中斷，因此在GMS90C31的INT0端加入了反相器和單穩(wěn)電路，將TXBITPLS變?yōu)檩^寬(約10μs)的負(fù)脈沖信號(hào)。STEL-2000A完成指令幀數(shù)據(jù)的差分編碼和擴(kuò)頻處理工作，它將低速的基帶數(shù)據(jù)(16kbps〕變?yōu)楦咚俚膫未a序列(1.024Mbps)，去調(diào)制外部的高頻本振信號(hào)，生成載頻為230MHz的DBPSK調(diào)相信號(hào)。RF功放模塊是自制的輸出功率1W的小功放，天線為230MHz螺旋全向天線。
3.2 接收機(jī)部分的硬件設(shè)計(jì)
圖3是遙控系統(tǒng)的接收機(jī)部分，主要由STEL-2000A擴(kuò)頻處理器、GMS90C31單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、90°功分器和RF模塊等部分組成。AD9057是單電源的高速8位A/D轉(zhuǎn)換器，最高采樣率80Msps，具有SSOP的小尺寸封裝，易于制版布線;90°功分器是成都亞光電工廠生產(chǎn)的GFHZ-2-14型，輸入頻率7～14MHz，它和兩塊AD9057組成了采樣率為45.056Msps的正交采樣結(jié)構(gòu)，并與STEL-2000A中的復(fù)數(shù)下變頻器相配合，能消除混頻時(shí)的鏡像頻率，實(shí)現(xiàn)10.7MHz中頻信號(hào)的單邊帶下變頻;STEL-2000A擔(dān)負(fù)著中頻信號(hào)的數(shù)字下變頻、偽碼解擴(kuò)、差分解調(diào)、AFC等繁重工作，它與GMS90C31單片機(jī)的界面為解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù);GMS90C31單片機(jī)完成基帶數(shù)據(jù)的處理工作，如地址識(shí)別、數(shù)據(jù)檢錯(cuò)糾錯(cuò)等。STEL-2000A的RXOUT端是數(shù)據(jù)輸出口，RXDRDY為同步時(shí)鐘，RXACTIVE是數(shù)據(jù)包的起止信號(hào)，其時(shí)序關(guān)系如圖4所示。
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RXACTIVE的反相信號(hào)與GMS90C31的INT0相連，當(dāng)STEL-2000A收到數(shù)據(jù)包時(shí)，GMS90C31就會(huì)產(chǎn)生中斷INT0，完成接收數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)備工作。RXDRDY的負(fù)脈沖較窄(等于偽碼周期512ns)，為了提高中斷的可靠性，將其通過單穩(wěn)態(tài)電路展寬(約10μs)后接到INT1上，使GMS90C31能可靠地對(duì)P1.6端的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行中斷采集。RF模塊是自制的高靈敏度接收、變頻單元，輸出為10.7MHz的中頻信號(hào)，接收靈敏度-1000dBm。天線為配套的230MHz螺旋全向天線。
????在系統(tǒng)聯(lián)試時(shí)，將發(fā)射機(jī)的功率衰減30dB，使實(shí)際發(fā)射功率為1mW時(shí)，在500m的開闊距離上，接收機(jī)能正確接收發(fā)射機(jī)發(fā)出的遙控指令。另外，通過實(shí)驗(yàn)測得，接收機(jī)能抗+3dB的同頻干擾，即干擾功率可比信號(hào)功率大3dB，由此證明擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)。
3.3 軟件設(shè)計(jì)
????STEL-2000A具有豐富的可編程功能，其內(nèi)部包含有87個(gè)狀態(tài)寄存器，編址為00H～56H，作為GMS90C31的擴(kuò)展RAM區(qū)使用，通過GMS90C31向這些狀態(tài)寄存器寫入特定的值，可使STEL-2000A支持各種工作模式。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的軟件均包括GMS90C31初始化模塊、STEL-2000A初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊四個(gè)部分。
GMS90C31初始化模塊主要完成輸入引腳的定義、裝入地址碼、設(shè)置中斷類型、設(shè)置數(shù)據(jù)采集的初始值等工作;STEL-2000A初始化模塊完成對(duì)其內(nèi)部狀態(tài)寄存器的參數(shù)設(shè)置;數(shù)據(jù)采集模塊將輸入數(shù)據(jù)采集到GMS90C31內(nèi)部RAM區(qū)的指定位置，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，到一定數(shù)量后停止采集;數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能有：指令幀的編碼、數(shù)據(jù)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)、地址碼識(shí)別等。這里由于篇幅的原因，不對(duì)各軟件模塊作詳細(xì)的介紹，只著重介紹一下軟件開發(fā)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)：如何正確設(shè)置STEL-2000A 內(nèi)部各寄存器的參數(shù)。這需要對(duì)系統(tǒng)的工作原理和數(shù)學(xué)模型有一定的了解和研究，有關(guān)這方面的情況請參見文獻(xiàn)[1]和[2]。
????STEL-2000A中接收部分的寄存器有64個(gè)，編址為00H～3FH，發(fā)射部分的寄存器23個(gè)，編址為40H～56H，可用單片機(jī)的MOVX@R0，A指令對(duì)這些寄存器的值進(jìn)行修改。下面以接收部分為例介紹主要參數(shù)的設(shè)置情況。
·調(diào)制類型
????選擇BPSK方式，將36H的bit 1設(shè)為1;
????·偽碼控制
????同步偽碼和數(shù)據(jù)偽碼的長度均為64位，選擇時(shí)需注意偽碼的自相關(guān)特性和偽碼間的正交特性。偽碼系數(shù)用01(+1)和11(-1)表示。同步偽碼存于07H～16H的地址單元中，設(shè)置情況如下：
????地址：07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H 11H?
??? 參數(shù)：FFH F5H 77H 5FH 75H 7FH F5H 7DH D7H D5H F5H?
??? 地址：12H 13H 14H 15H 16H?
??? 參數(shù)：75H 77H 55H FDH 7FH?
??? 數(shù)據(jù)偽碼存于17H～26H的地址單元中，設(shè)置情況如下：
??? 地址：17H 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1EH 1FH 20H 21H?
??? 參數(shù)：FFH F7H 5FH 7FH F7H 55H F7H 57H DFH?
77H 5DH?
????地址：22H 23H 24H 25H 26H?
????參數(shù)：5DH 5FH 77H 57H D5H?
????數(shù)據(jù)偽碼的長度由2DH的bit 0～5確定，64位長的偽碼應(yīng)設(shè)為3FH。需要注意的是不需設(shè)置同步偽碼的長度。
??? ·NC0控制
NC0的輸出頻率fNC0取決于中頻采樣率RXIFCLK和頻率控制字FCW。頻率控制字FCW存于03H～06H的地址單元中，其計(jì)算公式為：
????FCW=fNC0.232/RXIFCLK
????當(dāng)RXIFCLK為45.056MHz，fNC0為10.7MHz時(shí)，可計(jì)算出FCW為3CCBA2E9。對(duì)于正交采樣模式，fNC0應(yīng)為負(fù)頻率，因此取3CCBA2E9的補(bǔ)碼C3345D16作為FCW，將其低位裝入03H，高位裝入06H。
·采樣率控制
STEL-2000A規(guī)定基帶采樣率為偽碼速率的兩倍。當(dāng)偽碼長度為64bit，數(shù)據(jù)速率為16Kbps時(shí)，基帶采樣率應(yīng)為2.048MHz，它相對(duì)于中頻采樣率45.056M的分頻系數(shù)為22。因此，02H中的值應(yīng)設(shè)為15H。
·突發(fā)控制
接收機(jī)工作在突發(fā)模式，當(dāng)捕獲到同步頭后，解擴(kuò)出一幀數(shù)據(jù)，然后又處于捕獲狀態(tài)。每幀數(shù)據(jù)的長度由2EH(低位)和3AH(高位)中的值決定。本系統(tǒng)的指令幀長度為15bit，因此2EH中的值設(shè)為11H，3AH中的值設(shè)為00H。
·門限設(shè)置
匹配濾波器相關(guān)峰檢測門限的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)的整體性能有較大的影響。通過進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果和參考STEL-2000A開發(fā)板的數(shù)據(jù)，并結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)情況，將捕獲門限和解擴(kuò)門限設(shè)為00FFH。因此，29H和2BH中的值應(yīng)設(shè)為FFH，2AH和2CH中的值應(yīng)設(shè)為00H。
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參考文獻(xiàn)
1 Stanford STEL-2000A Data Sheet.Stanford Telecommunication Inc，1994
2 Z2000 Spread Spectrum Development Kit.Zilog Inc，1994
3 張毅剛，修林成.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1991