高速無線擴頻設(shè)備的研制

1、高速無線擴頻設(shè)備的研制 在開放并且擁塞的無線信道中，為了得到更大的傳輸容量和更好的抗干擾能力，擴展頻譜通信是很好的挑選，j.p科斯塔在1959年就對此做出了科學(xué)的論斷。本文將要介紹的無線終端設(shè)備，采納挺直序列擴頻和cck調(diào)制技術(shù)，具有較強的抗干擾能力和抗多徑能力，該設(shè)備用一塊實現(xiàn)數(shù)字復(fù)接，并由對囫圇設(shè)備舉行控制，不但大大減小了電路體積，并且實現(xiàn)了在線可編程功能，可以便利地用于2m、2*2m、4*2m等多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能夠按照業(yè)務(wù)的不同，充分地利用傳輸信道，提高傳輸質(zhì)量。關(guān)鍵技術(shù)挺直序列擴展頻譜是擴頻技術(shù)的一種，其基本原理是用偽隨機編碼序列去調(diào)制載波。因為普通所用法的偽隨機序列速率遠大于信碼，所以

2、經(jīng)過調(diào)制以后，信號的能量被蔓延到一個很寬的頻帶上，它的功率譜與噪聲相像。在接收端，用與發(fā)送端同步的相同的偽隨機序列解調(diào)接收信號，則終于實用信號可以復(fù)原為窄帶的中頻信號，而干擾信號則仍然為寬帶信號，在通過一個之后其大部分能量可被濾除。cck調(diào)制即complementary code keying(補碼鍵控)調(diào)制，是由和lucent公司建議，被ieee802.11b所采納的一種新的調(diào)制計劃。補碼又稱為補碼序列，對于一對由兩個元素組成的等長度序列，假如它們對于任何給定的分割，一個序列中相同的元素對和另外一個序列中不同的元素對的數(shù)量相等，那么這兩個序列就是補碼序列。補碼序列有很強的位置對稱性，自相關(guān)性

3、強，相互關(guān)性很弱，十分適于作為擴頻通信中的偽隨機序列碼。假如補碼序列的元素是具有相位參數(shù)的復(fù)數(shù)，那么構(gòu)成的補碼序列就是多相補碼序列。ieee802.11b中的cck調(diào)制采納的就是多相補碼序列，其定義的碼組就是一個包含四種相位0、/2、-/2的復(fù)數(shù)碼組。也就是說它的元素ai是1，-1，j，-j其中之一。因而，802.11b的cck調(diào)制可以認為是mok(m-ary orthogonal keying)調(diào)制采納了復(fù)數(shù)符號結(jié)構(gòu)的一種變型。下面列出的公式是802.11b所規(guī)定的碼速為11m，補碼長度為8的cck調(diào)制中所用法的補碼序列的產(chǎn)生公式。在數(shù)據(jù)速率為11mbps時，發(fā)送的串行數(shù)據(jù)首先以字節(jié)為單位被

4、分割。例如其中的一個字節(jié)為(d7，d6，d5，d4，d3，d2，d1，d0)，這里d0是最低位。這8個比特用來按表1所示的計劃確定相位參數(shù)14。相位參數(shù)的編碼計劃根據(jù)dqpsk調(diào)制，如表2所示。然后，把得到的參數(shù)帶入式(2)中去，就可以得到用于調(diào)制載波的補碼列。例如，假定11mbps模式下發(fā)送的數(shù)據(jù)為d7, d6, d5, d4, d3, d2, d1, d0 = 1 0 1 1 0 1 0 1。那么根據(jù)表1和表2有，d1,d0 = 0 1，故1=。同理可以得到：2 =，3 = -/2，4=/2。將這些相位參數(shù)代入到公式(1)中并化簡可得到：c=1，-1，j，j，-j，j，-1，-1(2)這就

5、是用來調(diào)制載波舉行擴頻的補碼序列。在數(shù)字通信網(wǎng)中，為了擴大傳輸容量和提高傳輸效率經(jīng)常需要把若干個低速數(shù)字信號合并成為一個高速數(shù)字信號，然后再通過高速信道傳輸，這就是所謂的數(shù)字復(fù)接技術(shù)。數(shù)字復(fù)接是一種已經(jīng)十分成熟的技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于無線通信、光通信和微波接力通信。圖1是數(shù)字信號復(fù)接、分接暗示圖。1所示，數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)包括數(shù)字復(fù)接器(digital multiplexer)和數(shù)字分接器(digital demultiplexer)兩部分。數(shù)字復(fù)接器是把兩個或多個低速的支路數(shù)字信號根據(jù)時分復(fù)用方式合并成為一路高速的合路數(shù)字信號的設(shè)備；數(shù)字分接器是把合路數(shù)字信號分解為本來的支路數(shù)字信號的設(shè)備。數(shù)字復(fù)接器

6、是由定時、調(diào)節(jié)和復(fù)接單元所組成；數(shù)字分接器是由同步、定時、分接和復(fù)原單元所組成。定時單元給設(shè)備提供統(tǒng)一的基及時間信號，同步單元給分接器提供與復(fù)接器基及時間同步的時光信號，調(diào)節(jié)單元負責(zé)同步輸入的各支路信號。復(fù)原單元與調(diào)節(jié)單元相對，負責(zé)把分接出來的各支路信號恢復(fù)。在目前的數(shù)字電路中，專用asic得到廣泛應(yīng)用。但高速的asic只能實現(xiàn)某種特定的功能，設(shè)計完成后不能再對其舉行改動，靈便性和通用性受到限制；可編程處理器能夠根據(jù)不同的算法完成相應(yīng)的處理和控制操作，但性能相對較低?！霸诰€可配置(icr)”可視為asic和可編程處理器的混合體，它綜合了二者的優(yōu)點。fpga是實現(xiàn)在線可配置的核心，基于sram結(jié)

7、構(gòu)的fpga可以很簡單地通過重新下載數(shù)據(jù)來更換功能，這樣就可以將多項工作利用同一個硅片以時分復(fù)用的形式分離完成，用較小規(guī)模的fpga芯片來實現(xiàn)更大規(guī)模的數(shù)字時序系統(tǒng)。設(shè)計計劃囫圇系統(tǒng)的各部分關(guān)系2所示，待發(fā)送的多路、并行低速數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字復(fù)接之后合成為一路串行高速數(shù)據(jù)流，送入基帶處理模塊(bbp)舉行頻譜擴展，然后經(jīng)由調(diào)制模塊調(diào)制到70m，最后送入模塊進一步調(diào)制到更高的頻率上放射出去。接收的過程正巧相反，寬帶射頻信號經(jīng)過射頻模塊之后，變成70m中頻信號，然后經(jīng)過解調(diào)模塊解調(diào)至基帶，經(jīng)解擴之后得到一路高速串行數(shù)據(jù)，再由分接器分路成為多路、低速并行數(shù)據(jù)流提交給用戶?；鶐幚砟K由一塊intersil

8、公司的專用集成芯片hfa3863和相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。hfa3863是具有rake接收機和均衡器的可編程挺直序列擴頻基帶處理器，主要用于ieee802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)，同時也可應(yīng)用于點對點和點對多點的無線通信。hfa3863包含了一個基帶雙工/半雙工、分組/延續(xù)、收發(fā)信機的所有功能，帶有64個可編程控制寄存器，且片內(nèi)包含a/d、d/a轉(zhuǎn)換器，工作頻率為1、2、2.5、5.5和11m，可以采納dbpsk、dqpsk和cck調(diào)制方式。放射機部分包括一個網(wǎng)絡(luò)處理器接口、前同步碼及報頭發(fā)生器、dpsk調(diào)制器、高速調(diào)制器、數(shù)據(jù)擾碼器、發(fā)送濾波器和頻譜擴展器。完成基帶數(shù)據(jù)的擴頻、編碼、加擾碼等工作，

9、并自動為發(fā)送的分組產(chǎn)生報頭和前同步碼。在發(fā)送的時候前同步碼總是以dbpsk方式調(diào)制，報頭可以挑選dbpsk或dqpsk方式而數(shù)據(jù)分組可以選用dbpsk、dqpsk或cck方式。放射機在需要時自動在dbpsk、dqpsk或cck模式之間切換。這樣做的目的是在同步期間縮短捕捉時光，而一旦完成同步之后，可以用更快的速率傳送數(shù)據(jù)。接收單元包括巴克碼相關(guān)器、cck相關(guān)器、反饋平衡器、符號判決器、峰值檢測器、dpsk解調(diào)器、數(shù)據(jù)解擾碼器、數(shù)控、環(huán)路濾波器和報頭檢測器等。完成中頻解調(diào)后的數(shù)據(jù)的解擴、去擾碼、去報頭等工作。除了發(fā)送單元和接收單元之外，hfa3863還有一個自動增益控制(agc)單元，與調(diào)制模塊

10、和射頻模塊的agc單元一起組成一個agc系統(tǒng)，按照環(huán)境的變幻自動控制射頻、中頻部分增益和衰減的變幻從而充實接收機的動態(tài)接收范圍。圖3是hfa3863的功能框圖。復(fù)接分接模塊由一塊ara公司的ep1k10及其外圍電路構(gòu)成，將1、2或4路標(biāo)準的2.048m數(shù)據(jù)合路成一路串行的數(shù)據(jù)并且加入糾錯碼和一路勤務(wù)電話。合路之后的數(shù)據(jù)速率應(yīng)當(dāng)符合基帶處理器對數(shù)據(jù)速率的要求。并且，該模塊應(yīng)當(dāng)能夠按照用戶的挑選，在1、2或4路三種工作模式下運行，協(xié)作基帶處理器的工作頻率，以充分利用信道獲得較高的增益。在本系統(tǒng)中如若利用分立元件或是采納專用集成電路來構(gòu)造復(fù)接分接模塊需要有2組設(shè)備分離完成2路和4路并行數(shù)據(jù)的合路、分

11、路工作，電路構(gòu)成復(fù)雜、體積大、穩(wěn)定性差?，F(xiàn)在，用一塊fpga就可以完成全部這些工作。針對三種狀況可以編寫3套程序代碼放在外部的存儲器中按照用戶的挑選，控制模塊給fpga動態(tài)加載不同的程序，讓同一塊芯片在不同的狀況下完成不同的功能，大大減小了電路的體積，并且因為系統(tǒng)集成在一塊芯片中，穩(wěn)定性和精度都大大提高。除了完成復(fù)接分接功能之外，fpga還要完成數(shù)據(jù)速率改變的工作，由于hfa3863只能工作在幾個離散的頻率點上，所以從該模塊送出的數(shù)據(jù)必需符合基帶處理器的要求。所以必需在fpga上實現(xiàn)一個收/發(fā)fifo，上行時，先將合路后的數(shù)據(jù)以其本身的頻率寫入fifo，然后以hfa3863要求的數(shù)據(jù)速率讀出，

12、下行時正巧相反。為了實現(xiàn)牢靠傳輸需要由計數(shù)器來控制寫入/讀出的時光和每次讀出數(shù)據(jù)的個數(shù)。調(diào)制解調(diào)模塊的功能相對單一，電路也比較容易，主要是由intersil公司的hfa3783芯片和相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。hfa3783是一款半雙工的正交差分調(diào)制解調(diào)器，集成了一個if收發(fā)機的全部功能，頻率范圍70600mhz，含有agc控制模塊，內(nèi)建一個三線接口的鎖相環(huán)，該鎖相環(huán)需要一個外部的vco和一個參考頻率。hfa3783內(nèi)部有4個可編程寄存器用來控制鎖相環(huán)和直流偏置時鐘。為了實現(xiàn)全雙工通信，該模塊需要兩塊hfa3783，一塊作為調(diào)制器，另一塊作為解調(diào)器。初始化及控制模塊的核心是一塊89c，其主要功能是系統(tǒng)上電時對基帶處理器、調(diào)制解調(diào)器和復(fù)接分接器舉行初始化，在設(shè)備工作期間按照用戶的挑選，在不同的工作模式之間切換，給fpga加載不同的程序模塊，并且通過顯示屏顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)、信號強度和出錯信息，用戶可以按照這些信息調(diào)節(jié)工作模式，在保證通信質(zhì)量的狀況下盡可能利用信道傳輸能力。射頻模塊完成中頻數(shù)據(jù)和射頻信號的轉(zhuǎn)換工作，它可以用intersil公司配套的芯片組來實現(xiàn)，也可以是一個自立的單元。在本項目中用法的是一個外接的自立的射頻模塊。高速無線擴頻終端可用于數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)gsm的基站聯(lián)網(wǎng)，為數(shù)字蜂窩基站控制器和外圍基站