摘? 要: 介紹了高增益擴(kuò)頻" title="擴(kuò)頻">擴(kuò)頻芯片SX043的特點(diǎn)、主要性能及用法,并以SX043為核心,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高增益擴(kuò)頻Modem。?

　　關(guān)鍵詞: 擴(kuò)頻通信? PN碼? 處理增益? 直接序列擴(kuò)頻芯片SX043? Modem?

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　　擴(kuò)頻通信是當(dāng)今國際上高新技術(shù)的熱點(diǎn)之一。擴(kuò)頻通信是用PN碼對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行調(diào)制,將其頻譜擴(kuò)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(jìn)行解調(diào),恢復(fù)原始信息的一種通信方式。擴(kuò)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(qiáng),可以采用碼分多址實(shí)現(xiàn)多址通信,易于多媒體通信組網(wǎng),具有良好的安全通信能力等諸多優(yōu)點(diǎn),已在民用和軍事中被廣泛應(yīng)用。?

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

1 SX043的性能及特點(diǎn)?

　　SX043的主要特點(diǎn)有:?

　　·具有可編程功能,通過內(nèi)部108個寄存器的值控制芯片的收、發(fā)。?

　　·完成直接序列擴(kuò)頻基帶處理的全部功能。?

　　·全雙工或半雙工通信。?

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

　　·高達(dá)1Mbps(BPSK/DBPSK)、2Mbps(QPSK/DQPSK)、3Mbps(8QAM)、4Mbps(16QAM) 的數(shù)據(jù)速率" title="數(shù)據(jù)速率">數(shù)據(jù)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(dá)到2047的m序列或gold碼。?

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

　　SX043通過相互獨(dú)立的輸入、輸出FIFO作為數(shù)據(jù)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(jié)。通過FIFO可監(jiān)督數(shù)據(jù)傳輸、接收的狀態(tài),在數(shù)據(jù)傳輸完成、數(shù)據(jù)溢出或數(shù)據(jù)傳輸被強(qiáng)行放棄時發(fā)出中斷信號送入微控制器。用戶可通過SX043的內(nèi)部寄存器查看FIFO的狀態(tài),控制FIFO在何狀態(tài)下送出中斷。?

　　SX043內(nèi)部有包格式發(fā)生器,使用HDLC協(xié)議傳輸數(shù)據(jù),也可以由用戶自定義協(xié)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(fā)送放棄標(biāo)志FF告知用戶。用戶還可以選擇是否對數(shù)據(jù)包的信息部分?jǐn)_碼。SX043支持CRC-32和CRC-16兩種錯誤檢測方式,使用擾碼可增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?消除長連0、連1現(xiàn)象,減小多徑干擾、碼間干擾等,但是使用擾碼會產(chǎn)生誤碼擴(kuò)散現(xiàn)象。?

2? SX043的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?

　　SX043的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。?

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

　　發(fā)送模塊由時鐘發(fā)生器、PN碼發(fā)生器、深度為16字節(jié)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(nèi)部的鎖相環(huán),可產(chǎn)生64MHz的穩(wěn)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(dá)到64MHz)。待傳信息由FIFO輸入后,經(jīng)過打包、擾碼(可選)再與用戶設(shè)定的PN碼相乘后送出。?

　　接收模塊由時鐘恢復(fù)電路、捕獲跟蹤環(huán)路、深度為16字節(jié)的FIFO、PN碼發(fā)生器及信息處理模塊組成。?

　　SX043接收模塊內(nèi)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?yàn)閂CO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(fā)生器產(chǎn)生的PN碼通過PN2引腳輸出,與接收到的擴(kuò)頻信號相乘,再通過解調(diào),產(chǎn)生接收信號強(qiáng)度指示信號(RSSI1、RSSI2)。此信號提供給捕獲跟蹤環(huán)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(huán)電路。根據(jù)設(shè)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(zhǔn)值,電路轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài),開始同步頭的檢測。若在連續(xù)的16個符號周期內(nèi),沒有檢測到同步頭,則返回到滑動狀態(tài);若已檢測到同步頭,則電路進(jìn)入τ抖動狀態(tài)。用戶可設(shè)定抖動速率,抖動幅度可選為相關(guān)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(fā)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?qū)懭?設(shè)置所有控制寄存器的值,并在數(shù)據(jù)傳輸和接收的過程中,監(jiān)控各標(biāo)識寄存器的值,從而控制SX043的狀態(tài),保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?

3 擴(kuò)頻Modem的設(shè)計(jì)參數(shù)?

　　綜合考慮了SX043的性能和電路的實(shí)現(xiàn)難易程度后,擴(kuò)頻Modem的設(shè)計(jì)參數(shù)定為:?

　　(1)為了實(shí)現(xiàn)高擴(kuò)頻增益,保證數(shù)據(jù)速率不能太低,數(shù)據(jù)速率定為32kbit/s,使用碼長為1023的m序列,從而保證擴(kuò)頻增益不低于30dB。?

　　(2)采用BPSK調(diào)制方式。由于在SX043的內(nèi)部擴(kuò)頻,其輸出數(shù)據(jù)速率高達(dá)32Mbps,因而必須選用寬帶調(diào)制器。調(diào)制器中頻定為70MHz。?

　　(3)由于解調(diào)是在解擴(kuò)后完成,因而可降低對解調(diào)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(shè)計(jì)中選用的是AMI公司生產(chǎn)的配合SX043使用的可編程解調(diào)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(kuò)頻增益及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?

4 擴(kuò)頻Modem的系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

4.1 硬件組成?

　　Modem的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,可分為發(fā)送、接收和控制三部分。?

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　　在發(fā)送部分,待傳數(shù)據(jù)經(jīng)過微控制器送入SX043,變?yōu)閷拵盘柡笏腿胪獠康腂PSK調(diào)制器變?yōu)橹蓄l信號并濾波,然后送入射頻發(fā)射部分,經(jīng)過上變頻、濾波、功放后由天線發(fā)射出去。?

　　在接收部分,接收來的信號經(jīng)過低噪聲放大、下變頻、解擴(kuò)及濾波處理后,與SX043產(chǎn)生的接收PN碼相乘,變?yōu)檎瓗盘?通過混頻器使信號中頻變?yōu)?0.7MHz后,再經(jīng)過濾波解調(diào)器處理后變?yōu)榛鶐盘?。此信號送入SX043處理變?yōu)樵瓟?shù)據(jù)后輸出。?

　　在控制部分,用戶通過微控制器輸入、輸出數(shù)據(jù),編寫SX043的內(nèi)部寄存器值,控制系統(tǒng)時鐘,收、發(fā)狀態(tài)。?

4.2 軟件設(shè)計(jì)?

　　軟件設(shè)計(jì)主要由兩部分組成:一部分是SX043內(nèi)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(guān)SX043及SX061各寄存器的詳細(xì)設(shè)置請參考這兩個芯片的技術(shù)資料。下面僅就SX043的幾個重要寄存器的設(shè)置進(jìn)行說明。?

4.2.1 發(fā)、收偽碼" title="偽碼">偽碼寄存器設(shè)置?

　　對發(fā)、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(shè)定某個長度的PN碼。例如:若將TPNA設(shè)為00100001000,則其為長度511的m序列。由于RPNB與RPNA的互相關(guān)值加上寄存器RFO中的值作為同步檢測的基準(zhǔn)值,因而RPNB要選擇與RPNA互相關(guān)值最小的m序列,從而保證同步碼捕獲的準(zhǔn)確性。?

4.2.2 偽碼速率設(shè)置?

　　發(fā)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(dāng)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(shè)定?

　　在偽碼速率較高的情況下,當(dāng)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(shè)定。VCO抽頭控制器內(nèi)部可自行實(shí)現(xiàn)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(chǎn)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(shù)(由RN3的0～3位確定)就可以設(shè)定抖動的幅度。例如:假設(shè)偽碼速率為32MHz,則T=31.25ns,若抖動幅度設(shè)為相關(guān)峰值的±10%,則應(yīng)選的抽頭數(shù)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(shè)定PN碼的滑動及抖動幅度。滑動時環(huán)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(chǎn)生滑動及抖動。?

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

　　若抖動幅度為相關(guān)峰值的±10%,則RN4C的值應(yīng)為RN4A值的90%,因而RN4D的值應(yīng)為RN4A值的110%。?

　　電路經(jīng)過調(diào)試,達(dá)到了比較理想的結(jié)果。假設(shè)輸入速率為32kbps的周期碼序列0111010(見圖3),在SX043內(nèi)部與長度為1023的PN碼(見圖4)相“異或”后變?yōu)閷拵盘栞敵?頻譜見圖5);接收端將接收到的信號解擴(kuò)、混頻,再經(jīng)解調(diào)后輸入SX043處理、恢復(fù)出原信號。?

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　　使用SX043達(dá)到了30dB的處理增益及較高的數(shù)據(jù)傳輸速率;采用單片機(jī)89C51對其控制,工作方式靈活;采用大規(guī)模集成電路,集成度很高,因而結(jié)構(gòu)簡單,體積較小。此Modem可以應(yīng)用于無線局域網(wǎng)、專用數(shù)據(jù)網(wǎng)、數(shù)據(jù)信息處理及其它無線系統(tǒng)中。由于高增益,它還可以應(yīng)用于軍事上。?

參考文獻(xiàn)?

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