摘? 要: 數(shù)字復(fù)接技術(shù)和無線擴(kuò)頻技術(shù)是數(shù)據(jù)通信的兩大重要技術(shù),本文闡述了利用這兩大技術(shù)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻E2無線中繼器的基本原理和設(shè)計(jì)方案,并介紹了一種提高數(shù)據(jù)傳輸速率的軟擴(kuò)頻方法。

　　關(guān)鍵詞: 數(shù)字復(fù)接? 無線擴(kuò)頻? 軟擴(kuò)頻? 四相多元雙正交鍵控(QMBOK)

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　　隨著移動(dòng)通信、個(gè)人通信技術(shù)的發(fā)展,無線通信技術(shù)成為發(fā)展的主流之一,無線通信產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和巨大的市場潛力。本世紀(jì)五十年代提出的擴(kuò)頻通信技術(shù)提高了無線通信的抗干擾性和保密性,已經(jīng)成為物理層的主要通信手段。現(xiàn)階段大部分無線擴(kuò)頻產(chǎn)品滿足無線局域網(wǎng)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn),利用ISM頻段傳輸數(shù)據(jù)速率1Mbps/2Mbps的數(shù)據(jù)流,但是,為了提高傳輸效率增強(qiáng)無線通信的競爭力,無線通信必須向高速方向發(fā)展。如果按照常規(guī)的DSSS擴(kuò)頻方式提高速率必然大大增加帶寬,在帶寬有限的條件下,如何提高傳輸效率是許多無線開發(fā)商關(guān)注的問題。我們研制的擴(kuò)頻E2無線中繼設(shè)備在這一領(lǐng)域進(jìn)行了一定的嘗試。

1 擴(kuò)頻E2無線中繼器的總體方案

　　擴(kuò)頻E2無線中繼器的總體框圖如圖1所示。

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　　擴(kuò)頻E2無線中繼器為全雙工方式。作為主端其功能框圖見圖1(a),來自程控交換機(jī)或路由器等有線設(shè)備的一次群或二次群數(shù)據(jù)流均為線路傳輸碼(HDB3碼),若輸入信號(hào)是二次群(E2)信號(hào),經(jīng)過碼型轉(zhuǎn)換,將HDB3碼解碼為NRZ碼;若輸入是一次群信號(hào),則需經(jīng)過復(fù)接和解碼兩個(gè)環(huán)節(jié)才能輸出碼型為NRZ碼的二次群信號(hào)。對該信號(hào)進(jìn)行基帶擴(kuò)頻,然后經(jīng)過中頻調(diào)制和上變頻,饋至天線發(fā)送出去。從端是主端的逆過程,其功能框圖見圖1(b)。系統(tǒng)中的基帶部分、中頻和射頻部分均在控制器的控制下進(jìn)行工作。

2 數(shù)字復(fù)/分接模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字復(fù)/分接原理

　　數(shù)字復(fù)接的目的在于擴(kuò)大傳輸容量提高傳輸效率。在主端進(jìn)行復(fù)接,在從端進(jìn)行分接恢復(fù)出原來的各支路信號(hào)。根據(jù)輸入信號(hào)的不同類型可以選用同步復(fù)接方式或異步復(fù)接方式,當(dāng)輸入端的各支路信號(hào)來自同一鐘源,各支路上的數(shù)據(jù)流之間僅存在相位差而不存在頻差則采用同步復(fù)接;反之,如果各路數(shù)據(jù)流來自不同的鐘源,存在相差和頻差則需采用異步復(fù)接方式。本系統(tǒng)考慮到各支路信號(hào)可能來自不同的鐘源,但是各支路的標(biāo)稱速率一致,故采用異步復(fù)接方式中的準(zhǔn)同步方式。所謂的準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接是指:在復(fù)接側(cè)各支路先進(jìn)行碼速調(diào)整,使其成為同步信號(hào)再同步復(fù)接;在分接側(cè)先同步分接,再恢復(fù)碼速。這里所說的碼速調(diào)整就是指人為地在各個(gè)待復(fù)接的支路信號(hào)碼流中插入一些脈沖而使各支路信號(hào)的瞬時(shí)速率同步,在收端按照復(fù)接插入的規(guī)則扣除掉插入的脈沖,人們常用正碼速調(diào)整方法。

　　準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接的幀結(jié)構(gòu)如下:

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　其中F₁₁、F₂₁……F₁₃、F₂₃是幀同步碼,碼型為:11110000;F33、F43為告警位和備用位;C₁₁～C₄₁,C₁₂～C₄₂,C₁₃～C₄₃為四個(gè)支路的插入標(biāo)志,“1”表示有插入,“0”表示無插入;V₁～V₄為插入脈沖,如不需插入時(shí)則傳送信息碼。

2.2 復(fù)/分接電路設(shè)計(jì)

　　早期的復(fù)接設(shè)備由分立元器件組成,完成一個(gè)二次群數(shù)字復(fù)/分接需要很龐大的電路支持,隨著LSI技術(shù)發(fā)展,二次群設(shè)備大大簡化。在國內(nèi),武漢郵科院研制出WG03復(fù)接芯片和WG02分接芯片,清華大學(xué)等單位也先后研制出了類似產(chǎn)品。這里我們選用了北京格林威通信公司的產(chǎn)品GW7600,它將分/復(fù)接功能集成到一塊芯片上,從而增強(qiáng)了可靠性,減小了體積。GW7600具有如下性能特點(diǎn):

　　·既可用于二次群又可用于三次群進(jìn)行準(zhǔn)同步復(fù)/分接,符合ITU-T建議G.742和G.751;

　　·將復(fù)/分接集成為一片;

　　·內(nèi)部集成數(shù)字式2.048MBPS和8.448MPBS速率的時(shí)鐘恢復(fù)電路;

　　·各支路和群路碼型都可以單獨(dú)選擇;

　　·具有完善的告警功能。

　　利用GW7600作為核心芯片所構(gòu)成的復(fù)/分接電路原理框圖如圖2。

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　　其中初始化單元用來設(shè)置群路及各支路碼型(HDB3/NRZ),復(fù)接側(cè)及分接側(cè)雙單變換單元將HDB3碼的雙極性信號(hào)變?yōu)閮陕穯螛O性信號(hào),告警信號(hào)單元按照G.741標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)提供告警信號(hào),時(shí)鐘單元用以提供復(fù)/分接電路必需的時(shí)鐘信號(hào)。系統(tǒng)加電后開啟初始化單元,進(jìn)行初始化設(shè)置,然后系統(tǒng)自動(dòng)完成復(fù)/分接功能。

3 基帶擴(kuò)頻模塊

　　本設(shè)備需要對二次群信號(hào)進(jìn)行透傳,因此要求基帶擴(kuò)頻芯片必須滿足兩個(gè)條件:(1)吞吐量必須能夠處理二次群信號(hào);(2)面向E2信號(hào)呈連續(xù)方式進(jìn)行傳送。目前,國外許多從事專用集成電路開發(fā)研制的廠商先后研制出了具有不同特點(diǎn)的基帶擴(kuò)頻處理芯片,但是大多數(shù)只能處理1Mbps、2Mbp、4Mbps數(shù)據(jù)流,比如:STEL2000、Z2000、SX043、HFA3824等芯片。HARRIS公司于1998年先后推出了HFA3860系列基帶擴(kuò)頻處理芯片,它可以分別工作于1Mbps/2Mpbs/5.5Mbps/11Mpbs,通過分析最后確定采用HFA3860B作為本系統(tǒng)的基帶處理器。

3.1 HFA3860B簡介

　　HFA3860B是HARRIS公司1998年11月繼符合IEEE 802.11無限局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的DSSS基帶處理器芯片HFA3824之后推出的能夠處理高速數(shù)據(jù)流的DSSS基帶處理芯片。它不僅對HFA3824具有一定兼容性,而且可以在2.4GHz ISM頻段上按照802.11的帶寬標(biāo)準(zhǔn)傳輸高速數(shù)據(jù)流,該芯片具有如下性能特點(diǎn):

　　·擴(kuò)頻增益:≥10dB;

　　·可編程數(shù)據(jù)速率:1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、11Mbps;

　　·單電源供電:2.7V～3.6V;

　　·擴(kuò)頻調(diào)制方式:DPSK、DQPSK、MBOK、CCK;

　　·支持全雙工或半雙工操作;

　　·片內(nèi)集成有A/D轉(zhuǎn)換器和RSSI電路;

　　·支持雙天線轉(zhuǎn)換。

3.2 QMBOK擴(kuò)頻調(diào)制方式

　　HFA3860B可以采用不同的擴(kuò)頻調(diào)制方式使其分別處理不同的標(biāo)稱速率,本系統(tǒng)的吞吐量為8.448Mbps,

　　可以采用QMBOK擴(kuò)頻調(diào)制方式。QMBOK(四相多元雙正交鍵控)是一種軟擴(kuò)頻方式,它不同于一般的直擴(kuò)方式,而是采用編碼方法完成頻譜的擴(kuò)展,即用幾位信息碼元對應(yīng)一條偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)擴(kuò)。QMBOK的擴(kuò)頻過程如圖3所示。

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　　輸入數(shù)據(jù)通過擾碼器擾碼后,按照1.375MHz的時(shí)鐘將數(shù)據(jù)按符號(hào)送入多路器,多路器將1個(gè)符號(hào)分解為8bit,d₀～d₂,d₄～d₆各為一組。d₀～d₂,d₄～d₆分別送入兩個(gè)修正Walsh函數(shù)發(fā)生器,然后各輸出一個(gè)8位修正Walsh函數(shù),d₃、d₇用對修正Walsh函數(shù)的原碼取代碼,這樣,可以在不增加設(shè)備復(fù)雜度的基礎(chǔ)上增加2bit的傳送量。數(shù)據(jù)傳換形式如下:

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　　其中,符號(hào)速率R_B=1.375MSPS;數(shù)據(jù)速率R_b=1.375×8=11Mbps；CHIP速率R_c=1.375×8=11Mchips/S。由此可以看出雖然數(shù)據(jù)速率提高了,但是由于其擴(kuò)頻后的CHIP速率沒有變,所以對帶寬無影響。MBOK的解擴(kuò)過程如圖4所示。

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　　解擴(kuò)過程主要通過三個(gè)環(huán)節(jié):相關(guān)運(yùn)算、輸出極性鑒別和碼元判決三部分。待解擴(kuò)I/Q支路信號(hào)分別與8個(gè)修正Walsh函數(shù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,在T時(shí)刻進(jìn)行抽樣,經(jīng)過極性鑒別器分離出信號(hào)的符號(hào)和絕對值信息送入碼元判決器,在碼元判決器中比較

|q1|～|q8|,取其最大值,經(jīng)過修正Walsh函數(shù)表恢復(fù)出所對應(yīng)的3位碼字,再結(jié)合符號(hào)位便可恢復(fù)出相應(yīng)的4位信息,從而達(dá)到解擴(kuò)目的。

　　修正的Walsh函數(shù)表見表1。

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　　這種調(diào)擴(kuò)方式的擴(kuò)頻處理增益包含兩部分:(1)帶寬減少所帶來的增益;(2)編碼增益1.6dB,所以PG=10.6dB。

3.3 HFA3860B在系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　HFA3860B的標(biāo)稱速率為11Mbps,而本設(shè)備所要處理信號(hào)為8.448Mbps,能否將該芯片降速使用是個(gè)關(guān)鍵問題。通過對HFA3860B分析發(fā)現(xiàn)其各時(shí)鐘之間有一定的分頻關(guān)系,它的主時(shí)鐘MCLK額定頻率為44MHz,其它各時(shí)鐘信號(hào)均由其分頻得來,TXCLK為發(fā)送時(shí)鐘,RXCLK是接收數(shù)據(jù)時(shí)鐘,二者均是MCLK的4分頻。如果將主時(shí)鐘MCLK工作頻率降至33.792MHz,則TXCLK和RXCLK的工作頻率將降至8.448Mbps,HFA3860B便可工作在8.448Mbps速率下,從而滿足吞吐量的要求。再者,HFA3860B主要滿足802.11協(xié)議要求,進(jìn)行包方式傳送,為了實(shí)現(xiàn)面向E2信號(hào)的連續(xù)方式傳送,可以利用FIFO進(jìn)行緩存完成連續(xù)方式與包方式之間的轉(zhuǎn)換,原理圖如圖5所示。

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　　在圖中A、B兩點(diǎn)數(shù)據(jù)呈連續(xù)狀態(tài),而在其它各處數(shù)據(jù)按包方式傳送,顯然每包的數(shù)據(jù)速率應(yīng)大于8.448Mbps。這里如何設(shè)置FIFO的深度、每包的包長以及控制信號(hào)的配合問題是關(guān)鍵問題。另外,為了保證E2數(shù)據(jù)的頻率、相位具有繼承性,要求各部分的時(shí)鐘信號(hào)具有繼承性,因此,發(fā)端HFA3860B的主時(shí)鐘MCLK是從E2信號(hào)源時(shí)鐘5倍頻得來,收端HFA3860B的主時(shí)鐘由鎖相環(huán)跟蹤接收信號(hào)獲得,FIFO的時(shí)鐘由HFA3860B分頻、倍頻得來,這樣逐級(jí)繼承保證了時(shí)鐘關(guān)系不發(fā)生失真。

　　包方式傳送時(shí)的幀格式如下。

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4 中頻、射頻模塊

　　從系統(tǒng)性能考慮,我們選用Harris公司的芯片組HFA3724、HFA3624、HFA3524、HFA3424、HFA3925實(shí)現(xiàn)中頻調(diào)制/解調(diào)和上/下變頻功能,如圖6所示。在主端,可編程基帶處理器3860B輸出擴(kuò)頻后的兩路正交信號(hào)(IOUT,QOUT),這兩路信號(hào)在HFA3724中以280MHz為載頻完成DQPSK/DBPSK中頻調(diào)制,已調(diào)中頻信號(hào)再經(jīng)HFA3624上變頻至2.4GHz?ISM頻段,最后經(jīng)HFA3925功率放大由雙工器饋至天線發(fā)送出去。在從端,通過天線選擇器選擇合適的接收天線接收信號(hào),接收到的2.4GHz擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)饋至低噪聲放大器HFA3424,經(jīng)下變頻器HFA3624變頻為280MHz的中頻信號(hào)送入HFA3724,中頻信號(hào)再通過HFA3724解調(diào)成為基帶信號(hào)送入HFA3860B。

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　　綜上所述,無線通信向高速化發(fā)展是未來發(fā)展的大趨勢。在國外,已有廠家著手研制高速無線局域網(wǎng)產(chǎn)品,我們研制的擴(kuò)頻E2無線中繼器在這方面作了一定嘗試。不難預(yù)測,高速無線通信產(chǎn)品必然具有廣闊的應(yīng)用前景。

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參考文獻(xiàn)

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5 朱近康編著.擴(kuò)展頻譜通信及其應(yīng)用.合肥:中國