摘  要: 介绍了高增益扩频" title="扩频">扩频芯片SX043的特点、主要性能及用法,并以SX043为核心,设计实现了高增益扩频Modem。 

　　关键词: 扩频通信  PN码  处理增益  直接序列扩频芯片SX043  Modem 

　　扩频通信是当今国际上高新技术的热点之一。扩频通信是用PN码对传输的信息进行调制,将其频谱扩展后再传输,而在接收端使用相同的PN码对接收到的信息进行解调,恢复原始信息的一种通信方式。扩频通信可使信噪比改善20到50多分贝,而且具有抗噪声、抗干扰、抗衰落、抗多径能力强,可以采用码分多址实现多址通信,易于多媒体通信组网,具有良好的安全通信能力等诸多优点,已在民用和军事中被广泛应用。 

　　本文介绍一种利用美国AMI公司生产的直接序列扩频芯片SX043制作的Modem。 

1 SX043的性能及特点 

　　SX043的主要特点有: 

　　·具有可编程功能,通过内部108个寄存器的值控制芯片的收、发。 

　　·完成直接序列扩频基带处理的全部功能。 

　　·全双工或半双工通信。 

　　·支持的调制方式有:BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK、QAM(8或16)。 

　　·高达1Mbps(BPSK/DBPSK)、2Mbps(QPSK/DQPSK)、3Mbps(8QAM)、4Mbps(16QAM) 的数据速率" title="数据速率">数据速率。 

　　·可选长度为11码片的Barker码和最大" title="最大">最大码长可达到2047的m序列或gold码。 

　　SX043的突出优点是处理增益高。内部有收、发独立的PN码发生器,由11个移位寄存器组成,可产生m序列和gold码序列,最大码长可达2047,因此SX043处理增益高达33.1dB。同时用户可选择与传输使用的m序列互相关值最小的另一m序列,它们的互相关值加上用户设定的偏移值作为跟踪、捕获环路的基准值,从而使得同步的误判率减小。用户还可以通过设定寄存器值,在信息传输完成后,使捕获跟踪环路保持在跟踪状态,继续寻找一个新的同步头。这个特性允许连续传输任意数量的数据块,而不需要重新锁定信息。由于SX043的内部时钟为64MHz,因此在BPSK(DBPSK)方式下,可支持的最大数据速率为1MHz;在QPSK(DQPSK)方式下,可支持的最大数据速率为2MHz。 

　　SX043通过相互独立的输入、输出FIFO作为数据缓冲器与微控制器" title="微控制器">微控制器通信,它最大可存储16个字节。通过FIFO可监督数据传输、接收的状态,在数据传输完成、数据溢出或数据传输被强行放弃时发出中断信号送入微控制器。用户可通过SX043的内部寄存器查看FIFO的状态,控制FIFO在何状态下送出中断。 

　　SX043内部有包格式发生器,使用HDLC协议传输数据,也可以由用户自定义协议通知收信方信息传输完成。如果在信息的传输过程中信息被放弃,SX043会发送放弃标志FF告知用户。用户还可以选择是否对数据包的信息部分扰码。SX043支持CRC-32和CRC-16两种错误检测方式,使用扰码可增强数据传输的可靠性,消除长连0、连1现象,减小多径干扰、码间干扰等,但是使用扰码会产生误码扩散现象。 

2  SX043的内部结构 

　　SX043的内部结构框图如图1所示。 

　　由图1可见,SX043由发送模块、接收模块、微控制器接口以及控制与标识寄存器组成。 

　　发送模块由时钟发生器、PN码发生器、深度为16字节的FIFO及信息处理模块组成。SX043通过外部输入的参考时钟和其内部的锁相环,可产生64MHz的稳定工作时钟。此时钟被寄存器TVCO-DIV的值加1所除,作为PN码时钟(最大可达到64MHz)。待传信息由FIFO输入后,经过打包、扰码(可选)再与用户设定的PN码相乘后送出。 

　　接收模块由时钟恢复电路、捕获跟踪环路、深度为16字节的FIFO、PN码发生器及信息处理模块组成。 

　　SX043接收模块内有一PLL,其中的相位检测器一端输入TX的4MHz的参考频率,另一端输入fVCO/16。因为VCO输出64MHz时钟,其被寄存器RN4中的值加1所除,得PN码时钟。 

　　SX043接收模块中,PN码发生器产生的PN码通过PN2引脚输出,与接收到的扩频信号相乘,再通过解调,产生接收信号强度指示信号(RSSI1、RSSI2)。此信号提供给捕获跟踪环路,完成对接收信号的正确接收。捕获采用相位滑动法,跟踪采用τ抖动锁相环电路。根据设定的滑动速率,PN2每次滑动码元长度的1/2,同时电路对RSSI1抽样,一旦其值大于PN码捕获的基准值,电路转到跟踪状态,开始同步头的检测。若在连续的16个符号周期内,没有检测到同步头,则返回到滑动状态;若已检测到同步头,则电路进入τ抖动状态。用户可设定抖动速率,抖动幅度可选为相关峰值的%,从而使得接收端的PN码始终与接收到的PN码同步,正确接收发送来的信号。 

　　接收到的信息通过解扰、解包后送入FIFO,由微控制器接口输出。 

　　微控制器通过微控制器接口将初始程序写入,设置所有控制寄存器的值,并在数据传输和接收的过程中,监控各标识寄存器的值,从而控制SX043的状态,保证信息传输的可靠性。 

3 扩频Modem的设计参数 

　　综合考虑了SX043的性能和电路的实现难易程度后,扩频Modem的设计参数定为: 

　　(1)为了实现高扩频增益,保证数据速率不能太低,数据速率定为32kbit/s,使用码长为1023的m序列,从而保证扩频增益不低于30dB。 

　　(2)采用BPSK调制方式。由于在SX043的内部扩频,其输出数据速率高达32Mbps,因而必须选用宽带调制器。调制器中频定为70MHz。 

　　(3)由于解调是在解扩后完成,因而可降低对解调器中频的要求,故选择10.7MHz为常用中频频率。选此中频是由于本设计中选用的是AMI公司生产的配合SX043使用的可编程解调芯片SX061,它支持的最大中频为13MHZ。也正是由于此原因,我们在接收端加入了混频器,从而保证扩频增益及数据传输的可靠性。 

4 扩频Modem的系统设计 

4.1 硬件组成 

　　Modem的结构图如图2所示,可分为发送、接收和控制三部分。 

　　在发送部分,待传数据经过微控制器送入SX043,变为宽带信号后送入外部的BPSK调制器变为中频信号并滤波,然后送入射频发射部分,经过上变频、滤波、功放后由天线发射出去。 

　　在接收部分,接收来的信号经过低噪声放大、下变频、解扩及滤波处理后,与SX043产生的接收PN码相乘,变为窄带信号,通过混频器使信号中频变为10.7MHz后,再经过滤波解调器处理后变为基带信号。此信号送入SX043处理变为原数据后输出。 

　　在控制部分,用户通过微控制器输入、输出数据,编写SX043的内部寄存器值,控制系统时钟,收、发状态。 

4.2 软件设计 

　　软件设计主要由两部分组成:一部分是SX043内部寄存器值的读写控制程序,另一部分是SX061的控制程序。有关SX043及SX061各寄存器的详细设置请参考这两个芯片的技术资料。下面仅就SX043的几个重要寄存器的设置进行说明。 

4.2.1 发、收伪码" title="伪码">伪码寄存器设置 

　　对发、收伪码控制的寄存器分别为TPNA、TPNB和RPNA、RPNB,它们各占用11bit。将11bit中的某一位或多位置1,便可设定某个长度的PN码。例如:若将TPNA设为00100001000,则其为长度511的m序列。由于RPNB与RPNA的互相关值加上寄存器RFO中的值作为同步检测的基准值,因而RPNB要选择与RPNA互相关值最小的m序列,从而保证同步码捕获的准确性。 

4.2.2 伪码速率设置 

　　发端的伪码速率由20位寄存器TVCO-DIV控制;收端的伪码速率由20位寄存器RN4A控制。当接收模块启动时,自动将RN4A中的值装入RN4。由于SX043的工作频率为64MHz,因此,若TVCO-DIV或RN4A的值为N,则伪码的码速率为64/(N+1) (Mchips/s)。 

4.2.3 PN码滑动幅度和抖动幅度的设定 

　　在伪码速率较高的情况下,当RN4A的值为1～10时,采用VCO抽头控制器控制PN码的滑动与抖动幅度,具体可通过寄存器RN3设定。VCO抽头控制器内部可自行实现滑动,只要将RN3的第5位置1即可。RN3的第4位为1时,则使其产生抖动。由于VCO有14个抽头,因此,每一个抽头较前一个抽头延时工作周期的1/14,即1.11ns。因而,选定超前或滞后的抽头数(由RN3的0～3位确定)就可以设定抖动的幅度。例如:假设伪码速率为32MHz,则T=31.25ns,若抖动幅度设为相关峰值的±10%,则应选的抽头数为3.125ns/1.11ns≈3,将0011写入RN3的0～3位即可。 

　　在伪码速率较低的情况下,采用RN4模块设定PN码的滑动及抖动幅度。滑动时环路自动将RN4B的值装入RN4、超前抖动时将RN4C的值装入RN4、滞后抖动时将RN4D的值装入RN4,改变PN码的周期,从而产生滑动及抖动。 

　　若滑动幅度为1/2码元,则PN码时钟周期应增加50%,因而RN4B的值应为RN4A值的1.5倍。 

　　若抖动幅度为相关峰值的±10%,则RN4C的值应为RN4A值的90%,因而RN4D的值应为RN4A值的110%。 

　　电路经过调试,达到了比较理想的结果。假设输入速率为32kbps的周期码序列0111010(见图3),在SX043内部与长度为1023的PN码(见图4)相“异或”后变为宽带信号输出(频谱见图5);接收端将接收到的信号解扩、混频,再经解调后输入SX043处理、恢复出原信号。 

　　使用SX043达到了30dB的处理增益及较高的数据传输速率;采用单片机89C51对其控制,工作方式灵活;采用大规模集成电路,集成度很高,因而结构简单,体积较小。此Modem可以应用于无线局域网、专用数据网、数据信息处理及其它无线系统中。由于高增益,它还可以应用于军事上。 

参考文献 

1 朱近康. 扩展频普通信及其应用.合肥:中国科学技术大学出版社,1993 

2 查光明,熊贤祚. 扩频通信. 西安:西安电子科技大学出版社,1990 

3 郭梯云,杨家玮,李建东. 数字移动通信.北京:人民邮电出版社,1995 

4 徐淑华. 单片微型机原理及应用. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997