高速無線擴(kuò)頻設(shè)備的研制(圖)

引言
　　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(kuò)展頻譜通信是很好的選擇，j.p科斯塔在1959年就對(duì)此做出了科學(xué)的論斷。本文將要介紹的無線終端設(shè)備，采用直接序列擴(kuò)頻和cck調(diào)制技術(shù)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和抗多徑能力，該設(shè)備用一塊fpga實(shí)現(xiàn)數(shù)字復(fù)接電路，并由單片機(jī)對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制，不但大大減小了電路體積，并且實(shí)現(xiàn)了在線可編程功能，可以方便地用于2m、2*2m、4*2m等多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能夠根據(jù)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)
　　直接序列擴(kuò)展頻譜是擴(kuò)頻技術(shù)的一種，其基本原理是用偽隨機(jī)編碼序列去調(diào)制載波。由于一般所使用的偽隨機(jī)序列速率遠(yuǎn)大于信碼，所以經(jīng)過調(diào)制以后，信號(hào)的能量被擴(kuò)散到一個(gè)很寬的頻帶上，它的功率譜與噪聲相似。在接收端，用與發(fā)送端同步的相同的偽隨機(jī)序列解調(diào)接收信號(hào)，則最終有用信號(hào)可以恢復(fù)為窄帶的中頻信號(hào)，而干擾信號(hào)則仍然為寬帶信號(hào)，在通過一個(gè)濾波器之后其大部分能量可被濾除。

　　cck調(diào)制即complementary code keying(補(bǔ)碼鍵控)調(diào)制，是由intersil和lucent公司建議，被ieee802.11b所采用的一種新的調(diào)制方案。補(bǔ)碼又稱為補(bǔ)碼序列，對(duì)于一對(duì)由兩個(gè)元素組成的等長(zhǎng)度序列，如果它們對(duì)于任何給定的分割，一個(gè)序列中相同的元素對(duì)和另外一個(gè)序列中不同的元素對(duì)的數(shù)量相等，那么這兩個(gè)序列就是補(bǔ)碼序列。補(bǔ)碼序列有很強(qiáng)的位置對(duì)稱性，自相關(guān)性強(qiáng)，互相關(guān)性很弱，非常適于作為擴(kuò)頻通信中的偽隨機(jī)序列碼。如果補(bǔ)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(bǔ)碼序列就是多相補(bǔ)碼序列。ieee802.11b中的cck調(diào)制采用的就是多相補(bǔ)碼序列，其定義的碼組就是一個(gè)包含四種相位0、π/2、π、-π/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(rèn)為是mok(m-ary orthogonal keying)調(diào)制采用了復(fù)數(shù)符號(hào)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(bǔ)碼長(zhǎng)度為8的cck調(diào)制中所使用的補(bǔ)碼序列的產(chǎn)生公式。
 

　　在數(shù)據(jù)速率為11mbps時(shí)，發(fā)送的串行數(shù)據(jù)首先以字節(jié)為單位被分割。例如其中的一個(gè)字節(jié)為(d7，d6，d5，d4，d3，d2，d1，d0)，這里d0是最低位。這8個(gè)比特用來按表1所示的方案確定相位參數(shù)φ1～φ4。相位參數(shù)的編碼方案按照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(bǔ)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。那么按照表1和表2有，d1,d0 = 0 1，故1=π。同理可以得到：φ2 =π，φ3 = -π/2，φ4=π/2。將這些相位參數(shù)代入到公式(1)中并化簡(jiǎn)可得到：
　　c={1，-1，j，j，-j，j，-1，-1}(2)

　　這就是用來調(diào)制載波進(jìn)行擴(kuò)頻的補(bǔ)碼序列。

　　在數(shù)字通信網(wǎng)中，為了擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率常常需要把若干個(gè)低速數(shù)字信號(hào)合并成為一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)，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)非常成熟的技術(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(hào)復(fù)接、分接示意圖。

　　如圖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(gè)或多個(gè)低速的支路數(shù)字信號(hào)按照時(shí)分復(fù)用方式合并成為一路高速的合路數(shù)字信號(hào)的設(shè)備；數(shù)字分接器是把合路數(shù)字信號(hào)分解為原來的支路數(shù)字信號(hào)的設(shè)備。數(shù)字復(fù)接器是由定時(shí)、調(diào)整和復(fù)接單元所組成；數(shù)字分接器是由同步、定時(shí)、分接和恢復(fù)單元所組成。定時(shí)單元給設(shè)備提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，同步單元給分接器提供與復(fù)接器基準(zhǔn)時(shí)間同步的時(shí)間信號(hào)，調(diào)整單元負(fù)責(zé)同步輸入的各支路信號(hào)?；謴?fù)單元與調(diào)整單元相對(duì)，負(fù)責(zé)把分接出來的各支路信號(hào)復(fù)原。

　　在目前的數(shù)字電路中，專用集成電路asic得到廣泛應(yīng)用。但高速的asic只能實(shí)現(xiàn)某種特定的功能，設(shè)計(jì)完成后不能再對(duì)其進(jìn)行改動(dòng)，靈活性和通用性受到限制；可編程處理器能夠按照不同的算法完成相應(yīng)的處理和控制操作，但性能相對(duì)較低。“在線可配置(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(diǎn)。fpga是實(shí)現(xiàn)在線可配置的核心，基于sram結(jié)構(gòu)的fpga可以很容易地通過重新下載數(shù)據(jù)來更換功能，這樣就可以將多項(xiàng)工作利用同一個(gè)硅片以時(shí)分復(fù)用的形式分別完成，用較小規(guī)模的fpga芯片來實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的數(shù)字時(shí)序系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)方案
　　整個(gè)系統(tǒng)的各部分關(guān)系如圖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)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，然后經(jīng)由調(diào)制模塊調(diào)制到70m，最后送入射頻模塊進(jìn)一步調(diào)制到更高的頻率上發(fā)射出去。接收的過程正好相反，寬帶射頻信號(hào)經(jīng)過射頻模塊之后，變成70m中頻信號(hào)，然后經(jīng)過解調(diào)模塊解調(diào)至基帶，經(jīng)解擴(kuò)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。

　　基帶處理模塊由一塊intersil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(jī)和均衡器的可編程直接序列擴(kuò)頻基帶處理器，主要用于ieee802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)，同時(shí)也可應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信。hfa3863包含了一個(gè)基帶雙工/半雙工、分組/連續(xù)、收發(fā)信機(jī)的全部功能，帶有64個(gè)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，可以采用dbpsk、dqpsk和cck調(diào)制方式。發(fā)射機(jī)部分包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器接口、前同步碼及報(bào)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(kuò)展器。完成基帶數(shù)據(jù)的擴(kuò)頻、編碼、加擾碼等工作，并自動(dòng)為發(fā)送的分組產(chǎn)生報(bào)頭和前同步碼。在發(fā)送的時(shí)候前同步碼總是以dbpsk方式調(diào)制，報(bào)頭可以選擇dbpsk或dqpsk方式而數(shù)據(jù)分組可以選用dbpsk、dqpsk或cck方式。發(fā)射機(jī)在需要時(shí)自動(dòng)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獲時(shí)間，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(hào)判決器、峰值檢測(cè)器、dpsk解調(diào)器、數(shù)據(jù)解擾碼器、數(shù)控振蕩器、環(huán)路濾波器和報(bào)頭檢測(cè)器等。完成中頻解調(diào)后的數(shù)據(jù)的解擴(kuò)、去擾碼、去報(bào)頭等工作。除了發(fā)送單元和接收單元之外，hfa3863還有一個(gè)自動(dòng)增益控制(agc)單元，與調(diào)制模塊和射頻模塊的agc單元一起組成一個(gè)agc系統(tǒng)，根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)控制射頻、中頻部分增益和衰減的變化從而改善接收機(jī)的動(dòng)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altera公司的ep1k10及其外圍電路構(gòu)成，將1、2或4路標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)碼和一路勤務(wù)電話。合路之后的數(shù)據(jù)速率應(yīng)該符合基帶處理器對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求。并且，該模塊應(yīng)該能夠根據(jù)用戶的選擇，在1、2或4路三種工作模式下運(yùn)行，配合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用專用集成電路來構(gòu)造復(fù)接分接模塊需要有2組設(shè)備分別完成2路和4路并行數(shù)據(jù)的合路、分路工作，電路構(gòu)成復(fù)雜、體積大、穩(wěn)定性差。現(xiàn)在，用一塊fpga就可以完成所有這些工作。針對(duì)三種情況可以編寫3套程序代碼放在外部的存儲(chǔ)器中根據(jù)用戶的選擇，控制模塊給fpga動(dòng)態(tài)加載不同的程序，讓同一塊芯片在不同的情況下完成不同的功能，大大減小了電路的體積，并且由于系統(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)速率轉(zhuǎn)變的工作，因?yàn)閔fa3863只能工作在幾個(gè)離散的頻率點(diǎn)上，所以從該模塊送出的數(shù)據(jù)必須符合基帶處理器的要求。所以必須在fpga上實(shí)現(xiàn)一個(gè)收/發(fā)fifo，上行時(shí)，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，下行時(shí)正好相反。為了實(shí)現(xiàn)可靠傳輸需要由計(jì)數(shù)器來控制寫入/讀出的時(shí)間和每次讀出數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。
調(diào)制解調(diào)模塊的功能相對(duì)單一，電路也比較簡(jiǎn)單，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(gè)if收發(fā)機(jī)的所有功能，頻率范圍70～600mhz，含有agc控制模塊，內(nèi)建一個(gè)三線接口的鎖相環(huán)，該鎖相環(huán)需要一個(gè)外部的vco和一個(gè)參考頻率。hfa3783內(nèi)部有4個(gè)可編程寄存器用來控制鎖相環(huán)和直流偏置時(shí)鐘。為了實(shí)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89c51單片機(jī)，其主要功能是系統(tǒng)上電時(shí)對(duì)基帶處理器、調(diào)制解調(diào)器和復(fù)接分接器進(jìn)行初始化，在設(shè)備工作期間根據(jù)用戶的選擇，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(hào)強(qiáng)度和出錯(cuò)信息，用戶可以根據(jù)這些信息調(diào)整工作模式，在保證通信質(zhì)量的情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(hào)的轉(zhuǎn)換工作，它可以用intersil公司配套的芯片組來實(shí)現(xiàn)，也可以是一個(gè)獨(dú)立的單元。在本項(xiàng)目中使用的是一個(gè)外接的獨(dú)立的射頻模塊。

　　高速無線擴(kuò)頻終端可用于數(shù)字蜂窩移動(dòng)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，或者基站與基站之間的聯(lián)接提供無線e1數(shù)字鏈路，為交換機(jī)和數(shù)字集群電話系統(tǒng)提供數(shù)字中繼連接，用于數(shù)據(jù)、圖像、電話綜合傳輸鏈路。

結(jié)束語
　　上面介紹了高速無線擴(kuò)頻終端的主要設(shè)計(jì)思路。應(yīng)該指出，該系統(tǒng)有很多地方還有改進(jìn)的空間，例如可以通過時(shí)分復(fù)用的方式使用一塊hfa3783來實(shí)現(xiàn)雙工通信。該設(shè)備具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，主要用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信，但是只要對(duì)電路稍做改動(dòng)便可以用于無線局域網(wǎng)。