摘  要: 介绍了全数字式直接序列扩频芯片STEL-2000A的主要性能和用法,并以STEL-2000A为核心,辅以若干外围器件,构成了一个可用于野战信息传输的扩频收发系统。

　　关键词: 扩频通信  直接序列  PN(伪随机)码  带通采样

　　扩频通信是将待传输的信息数据被伪随机码(Pseudo Code)调制,实现频谱扩展后再传输,接收端则采用同样的PN码进行解调及相关处理,恢复原始信息数据。这种通信方式与一般常见的窄带通信方式相反,是在扩展频谱后,宽带通信,再通过相关处理恢复成窄带后,解调数据,因此具有伪随机编码调制和信号处理两大特点。它具有强抗干扰性、抗噪声、抗多径衰落、可以码分复用等突出优点。目前在军事和民用上都得到了广泛的应用,如目前正在蓬勃发展的第三代移动通信全都采用了利用扩频进行CDMA通信的方式。直接序列扩频方式作为扩频通信中的一种,其扩频的实现方法比较容易,电路的设备量小,应用广泛,本设计将采用这种扩频方式进行数据的传输。

1 系统结构

　　本系统以STEL-2000A为核心,与一个射频收发模块一起组成点对多点的移动通信系统,也可以独立工作。结构框图见图1,其工作过程如下:发射端待传输的数字信号先进行差分编码成为两路正交信号,然后进行直接序列扩频,经过QPSK调制形成满足传输需要的模拟信号,之后送到后面的射频发射部分去,在射频发射部分通过上变频、滤波、功放后由天线发射。来自射频天线的信号经过低噪声放大器、下变频之后送入本系统的接收端。在本系统中,输入模拟信号经过移相功分、宽带放大、高速A/D采样,转换为两路正交的数字信号,然后进行解扩、QPSK解调和差分解调,输出得到还原后的数字信号,再送至基带信号处理器中。另外,由于STEL-2000A具有很灵活的工作方式,所以还需要有一个单片机来控制它,使系统工作在预定的方式下。

2 STEL-2000A主要功能介绍

　　STEL-2000A芯片是美国STANDFORD TELECOM公司出产的可编程直接序列扩频收发芯片,它可以工作于全双工方式下,以全数字处理的方式完成一个直扩系统的收发工作。它具有以下一些突出特点:

　　(1)可利用编程功能支持多种工作模式,包括BPSK、QPSK等;

　　(2)在发射和接收模式下支持高达11Mbps的PN码速率;

　　(3)两路独立的 PN码序列,分别用于快捕头和数据码元的扩频,其长度和PN码序列可编程控制,最长可达64位长;

　　(4)可支持数据速率高达2.048Mbps;

　　(5)能源管理特性,某些功能块不工作时,可暂时关闭以降低能耗。

　　由图1可见STEL-2000A的内部结构,在发射端的关键部分是扩频模块,发射时所用的扩频PN码由单片机编程写入,存储在STEL-2000A内的发射PN码寄存器中,在QPSK方式下,数据以比特对的格式(I、Q两路正交数据信号)与寄存器中的PN码相异或,从而完成扩频,成为两路正交的I、Q两路扩频信号。

　　在接收模块的关键部分是数字下变频和解扩模块。数字下变频模块接收的是外部ADC对两路正交信号的带通采样信号。下变频器包括一个复数乘法器,8位输入信号同NCO(数控振荡器)产生的数字正弦和余弦信号相乘。要正确地数字下变频,只要在NCO中写入合适的频率控制字即可,因为片内的闭环频率跟踪环会时刻输出校正信号,与NCO的频率相加,以令接收信号被精确地下变频到基带。而在STEL-2000A的解扩部分,则使用了一个PN匹配滤波器和PN码寄存器。PN码寄存器中的PN码应该与发射来的信号所使用的PN码一致,才能够正确接收数据,否则获得的将是一片噪声。PN码寄存器中的PN码与数据信号在PN匹配滤波器中作相关积分运算,由于PN码的一个重要特性就是它的自相关系数很高,而互相关系数很低,所以只要相关的两路信号的PN码一致,就可以获得相关积分的峰值,这就意味着解扩的成功。

3 系统的重要参数

　　在综合考虑了STEL-2000A的性能和电路的实现难易程度之后,确定了如下的重要参数:

　　(1)系统的工作方式为直接序列扩频通信,系统收发数据的数据率为2.048Mbps,这是STEL-2000A的最大数据速率。

　　(2)系统采用的PN码为11位长的巴克码,即系统的扩频增益为11,这也是为了满足系统的2.048Mbps数据率而选用的PN码长。本设计采用的这11位PN码是:11100010010。

　　(3)系统的收发时钟为45.056MHz(即RXIFCLK=TXIFCLK=45.056MHz),这个工作频率也是STEL-2000A的最高工作频率。

　　(4)系统的中频调制方式为片外的QPSK调制方式,所采用的中频频率为100MHz。这种情况下扩频码的速率为11×2.048Mbps×1/2=11.264Mbps(I、Q两路,每一路都是11.264Mbps),中频调制信号带宽为22.528MHz(即信号的主瓣宽度)。这里要着重指出:这个带宽不是实际接收时的带宽,因为接收信号还没有经过带通滤波器。实际的接收端中频信号带宽应该是:22.528×60%=13.5168MHz,为方便计算取为14MHz。为什么要如此?原因如下:直扩信号的能量大部分集中在两倍码元速率带宽内,即信号的主瓣宽度,如果选择滤波器带宽与扩频信号的主瓣宽度相等,即f_B=22.528MHz,则能够通过90%的信号能量,损失10%。这样,接收机的解扩相关处理的相关输出将比理论值损失20log(R(τ)/R(0))=0.92dB;如果选择中频带宽为频谱主瓣宽度的60%,则它包含了主瓣能量的90%,信号能量损失了0.46dB,但此时噪声功率下降了2.2dB。用这种简单的压缩带宽的办法得到了大约1.7dB的信噪比改善,但带宽的压缩限制了调制扩频码的上升和下降时间,所传输信号的射频包络及相关函数受到影响,解扩后会带来一定的信噪比损失,但远小于1.7dB。这项技术在国外很多系统中得到了应用,所以本设计带通滤波器也选为主瓣宽度的60%。

　　(5)系统带通的采样频率为45.056MHz(即中频采样频率f_SA,与RXIFCLK一样),这是由于STEL-2000A的接收部分实现数字下变频的参考时钟为RXIFCLK的缘故。

　　(6)系统的基带采样速率为两倍的PN码速率,这是STEL-2000A正常接收所要求的,即2×11.264MHz=22.528MHz。本系统的基带采样时钟由内部RXIFCLK通过分频产生,为f_RXIFCLK/(n+1)。这里n为地址02H控制寄存器的位0~5内的值,而f_RXIFCLK=45.056MHz,可知n应该设为1。

4 带通采样

　　带通采样也称为欠采样,它是本设计接收电路的关键部分。它直接对调制到载频的中频或者射频带通信号进行采样,以便后续的数字处理,本系统使用一个双路的ADC对两路正交信号做正交带通采样。带通采样的一个最大优点是可以用较低的采样频率对载频较高的中频或射频带通信号采样,所以要求的ADC速率可以不用很高。本设计中采用的中频达到100MHz,如果用普通基带采样,根据奈奎斯特定理,则所使用采样ADC的采样频率要达到200MHz以上,这样的电路成本高,实现难度大,完全不必要。本系统中的中频信号是带通信号,只要选择合适的采样频率,完全可以实现带通采样。进行带通采样要满足以下的这几个条件:

　　式中的B表示信号的带宽,f_SA表示采样信号的频率,n为正整数,f表示被采样信号的频率,它必须落在式(2)所示的范围之内,才不会在采样时出现频率混叠,这种情况就是带通采样了。本设计的中频信号带宽为14MHz,中心频率为100MHz,频谱范围在73～107MHz,采样频率45.056MHz,如果取式(2)中的n为2,将数据带入式中,可知上面两式都成立,所以本设计中带通采样是可以实现的。

5 电路调试结果

　　根据以上分析进行了电路设计和调试,获得了比较理想的结果。STEL-2000A的收发时钟信号由一个晶体振荡器产生,经过一个电压比较器整形之后输入给STEL-2000A。STEL-2000A的输入信号定时为它的TXBITPLS输出脉冲。在调试中,将这个信号提供给一个计数器,通过简单的逻辑门电路就可以产生速率为2.048Mbps的数字信号作为输入,见图2。它是从计数器出来的周期信号,码序列为00011。输入的数据经过差分编码、扩频后成为两路正交的扩频码,如图3。图中通道1为同相信道,通道3为正交信道。扩频码经过QPSK调制等处理后发射,在接收端获得了与原来的输入数据一样的信号,码序列00011,如图4。

　　本设计充分利用了 STEL-2000A的功能,达到了它的最大数据传输率2.048Mbps,采用单片机89C51对它进行控制,工作方式灵活,还采用了带通采样的方法,降低了电路成本和设计难度。具有外围电路简单,体积小,性能可靠等优点,可以比较好地满足野战信息数据传输的需要。

参考文献

1 朱近康.扩展频谱通信及其应用.合肥:中国科学技术大学出版社,1993

2 胡健栋，郑朝晖，龙必起等.码分多址与个人通信.北京:人民邮电出版社,1996

3 曹志刚，钱亚生.现代通信原理.北京:清华大学出版社,1995

4 刘健，胡爱群.点对多点扩频通信系统的实现.通信技术与发展,1998;(2):38~42

5 丁元杰.单片微机原理及应用.北京:机械工业出版社,1995