一個多媒體擴頻通信系統(tǒng)的設計和實現

摘要：介紹了一個多媒體擴頻通信系統(tǒng)項目的設計和實現過程，并詳細描述了如何用硬件實現點對點和點對多點的文件、語音、視頻通信。

關鍵詞：擴頻 PN碼 通信口

在當今各種信息快速傳遞的時代，要求更多的通信功能和通信資源，而現在頻帶已經非常有限。為了提高頻帶利用率，要求單位波段能具有盡可能大的信息傳輸容量，移動通信從頻分多址（FDMA）到時分多址（TDMA）一直發(fā)展到今天的碼分多址（CDMA）。這種碼分多址的技術基礎就是擴展頻譜通信（Spread Spectrum Communication）。擴頻通信技術可提供點對點或點對多點的數據、話音、圖像服務以及廣域網、局域網互連，Internet接入服務。本文介紹一個直接序列擴頻無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可作為CDMA無線多媒體通信系統(tǒng)的一部分，又可以作為一個單獨的系統(tǒng)獨立運行。

1 擴頻通信技術及其特點

所謂擴頻通信，簡單地表述如下：擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬，頻帶的展寬是通過編碼及調制的方式來實現的，并與所傳信息數據無關；在接收端則用相同的擴頻碼進行相關解調來解擴及恢復所傳信息數據。系統(tǒng)原理如圖1所示。

擴頻通信具有一系列優(yōu)良特性，諸如抗干擾性強、隱蔽性好、信息保密傳輸、任意選址、誤碼率低、抗多徑干擾等?，F有的擴頻通信系統(tǒng)有多種（直擴、跳頻、跳時），本項目使用直接序列擴頻（DS）。直接序列擴頻就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列，在發(fā)端去擴展信號的頻譜，在收端用相同的擴頻碼去進行解擴。把展寬的擴頻信號還原成原始信息。

2 系統(tǒng)框圖及功能

系統(tǒng)框圖如圖2所示，操作人員將文字、語音、視頻等信號輸入計算機，系統(tǒng)用改進后的NETMEETING平臺作為人機對話軟件。NETMEETING將信號發(fā)至定義過的RS-232通信口，然后由與RS-232通信口相連接的擴頻數字收發(fā)信機①進行擴頻、調制成為偽隨機序列碼（頻譜大大地擴展）再發(fā)射，通過微波（或衛(wèi)星）建立鍵路；在接收湍，天線將信號收至信機②解擴、解調，并將信號轉化為文字、語音、視頻。這樣可實現多人參與的視頻會議。

3 擴頻數字收發(fā)信機（簡稱信機）的設計

（1）利用zilog公司的Z2000擴頻芯片設計了一種點對多點收發(fā)信機，具有與PC機的RS-232口通信的自適應波特率（最高2048kb/s）接口?？梢詫崿F由2.48MHz的帶寬擴頻至20.48MHz帶寬。硬件結構框圖如圖3所示。

（2）該機器以89C52為系統(tǒng)核心處理器、以Z2000為主要功能芯片（實現擴頻功能）、配合其他芯片完成基帶處理部分。

當要傳輸數據時，PC機對RS-232通信口進行檢測，而信機由RS-232口實現流控（具體的通信控制在第五部分）。當PC機收到有效信號后便發(fā)出數據，由RS-232口送入89C52，用時鐘為2048kb/s的信號進行采樣，經過Z2000的處理（先差分編碼，再用20.48MHz的偽隨機序列對數據進行擴頻），然后用MAX2452產生70MHz的載波頻率進行調制，產生一個數字化的中頻QPSK輸出信號，經過MAX436和單片放大后得到中頻為70MHz的信號，DA轉換后經中頻電纜送到（經過一個多工器）射頻部分上變頻，進行射頻調制并發(fā)送。

接收時，天線將擴頻信號接收下來，射頻模塊將它解調、下變頻，放大后送入信機（信機開機后處于自動搜索狀態(tài)），主芯片Z2000的PN匹配濾波器篩選所接收到的信號，一旦檢測到匹配數據將啟動接收程序、進入接收狀態(tài)，經過自動增益控制，再進行A/D轉換將模擬信號變成兩個（I和Q通道）數字信號，然后經Z2000處理得到2.048MHz的同步數據送入RS-232口。

（3）主要芯片的功能

89C52：主機接口、幀格式化、設置擴頻芯片的控制寄存器、緩沖存儲器、通信協議、控制電路；

MAX233：由RS-232口電平到TTL電平的轉換；

MAX497：視頻緩存；

MAX436：視頻運放；

MAX2452：是一個積分調節(jié)器，輸入振幅為1.35V、帶寬為15MHz的微分I和Q基帶信號；輸出為70MHz的微分信號。這里作為第一中斷；

tp3067：勤務編解碼器（語音處理）；

sn75108：線路驅動器；

cd4053：是一個三重雙信道模擬多路復用器，作為模擬開關，切換信機的工作狀態(tài)（勤務或數據）；

AD9059：是一個雙路8位D/A轉換器；

QL12X16B：現場可編程器件，用于速率控制、分接同步、時鐘外圍等；

CLC520;AGC,即自動增益控制；

多工器：主要有四種功能（射、收、發(fā)、遙控）。

4 計算機部分

整個系統(tǒng)的基本思路是在串行口上建立以太網仿真連接。完成后，串行口就是一個網卡，與普通網卡幾乎一樣，只是速度慢了。還有一點就是RTS線可以按照有無包發(fā)送來控制（筆者編了一個程序來控制，其中控制RTS/CTS應答時序的方法：控制發(fā)送等待時間，若有包發(fā)送，先拉高RTS，等待CTS高或者通過時間點（time-out），就發(fā)送出去。還有空閑等待時間，若在一定的時間內一直無包發(fā)送，就降低RTS，使信道機停止發(fā)送，讓出信道。參數值1～255，時間長短與機器速度有關）。只要能實現這兩點的驅動程序都可以用（只是為了簡化要寫的程序）。

程序流程圖如圖4所示。

Packet driver是一種簡單且公開的Ethernet驅動接口。slx_rzk是一個完全的串行口Ethernet仿真程序（不是簡單的點對點的slip或ppp），可以用于任意一點對多點。要改變packet driver的流控方式，只需要外掛一個殼就行了。這個殼就是sliprts（當然這個程序可以用到slip或ppp上）。但在windows中卻無法直接使用packet driver。所以只能通過ODI搭橋，這個橋就是pdether，但它與windows并不是100%兼容，要用自己的net.cfg。所以必須在autoexec.bat中多加一句copy net_cfg.cfg，用來對付windows的霸道行徑。配置好這些，再配好已存在的ODI適配器上的IP設置，兩臺PC的串行口用NULL MODEM線（交叉的RS-232線）連好。

另外，還使用經過改進的windows的NETMEETING作為多媒體通信的人機對話軟件和主要通信軟件。

5 通信口控制的修改

（1）通信口是根據計算機串行通信原理設計的。主要的通信控制在于RS-232C接口（Recommended Standard）的握手控制。本項目用到了它的七個控制信號，其中兩根是自己端短接（DTR和DCD），只有檢測到DCD有效，那些串口通信程序才工作，而PC機開機后DTR是有效的。它的RTS和CTS控制和PC機的工作（流控）。

（2）RS-232C接口的信號說明如表1所示。

表1 RS-232C接口的引腳說明

（3）在收發(fā)過程中的通信控制。信機檢測RTS，如果為低則僅僅接收信號；如果為高則啟動發(fā)送程序處于發(fā)送狀態(tài)，同時PC機必須檢測到CTS有效（表示信機準備好發(fā)送工作，若CTS無效可防止PC機發(fā)送數據，防止信機丟失數據）才將數據傳入信機。

（4）點對多點的實現。利用全向天線作為主天線，定向天線為從天線，通過主PC機中一個（修改89C52中PN碼的）控制軟件達到選擇多點的目的。

6 射頻部分

射頻部分原理圖如圖5所示。

其工作原理如下：

·發(fā)送端：信道機輸出的70MHz中頻擴頻信號經過2340MHz混頻調制到射頻為2410MHz，再經帶通濾波器、LPA后，由天線發(fā)射出去。

·接收端：天線接收到2450MHz的信號經過LNA、帶通濾波器后，被2340MHz解調至110MHz的中頻信號，再經中頻電纜傳到信道機。

·性能指標：

主端：Tx:2410MHz 從端：Tx:2450MHz

Rx:2450MHz Rx:2410MHz

頻寬：20.48MHz

接收天線的靈敏度：-86dBm@BER=10-6

7 參數的選定

接收主時鐘頻率：Fr=40.96MHz

取樣頻率：fSA=40.96MHz

中頻頻率：f1=10.7、70、0MHz

PN片速率：Rc=20.48MHz

發(fā)射主時鐘頻率：fT=45.056MHz

接收時基帶取樣頻率：fq=40.96MHz

信息數據碼率：rD=2.048MHz

PN匹配濾波器檢測門限值：0.7

擴頻增益：10

本系統(tǒng)的設計思想基于簡化無線通信的多媒體終端的制造。借助windows中NETMEETING平臺，并利用擴頻技術，使系統(tǒng)簡單、造價低廉，并具有帶寬度、保密性能好、抗干擾能力強、任意選址、誤碼率低等許多優(yōu)點。