用STEL-2000A设计扩频遥控系统

2006-05-07 15:50:13来源: 电子技术应用

近年来,随着无线通信设备的迅猛增长,空间的电磁环境变得愈来愈复杂,相互间的干扰现象层出不穷。在对可靠性要求较高的场合,如保安、调度、指挥等,传统的调幅、调频通信系统,由于其抗干扰能力较弱,已不能很好地发挥作用。扩频通信技术以其抗干扰能力强、保密性好、能抗多径衰落、在采用低信号功率谱密度时对同频段内其它通信设备干扰小等优点,在军用民用通信领域均得到了广泛的应用。STEL-2000A是美国Standford Telecom公司与Zilog公司联合研制的单片全数字扩频处理器,具有很哟的信息处理能力,可应用于多种无线扩频系统中,如无线局域网、无绳电话及其它数据传输和处理系统。

1 STEL-2000A的特点及结构

STEL-2000A的主要特点有:

·在单片CMOS集成电路中完成直接序列扩频及其突发包的调制解调等全部工作;

·1bit数据可扩展成11~64位扩频码(chips),最高扩频码率为22Mchips/s;

·两具完全独立的64位的伪随机码序列分别用于同步头和数据的扩展处理;

·支持全双工和半双工操作,可实现频分双工和的分双工;

·可进行中频直接采样;

·具有丰富的可编程功能使之支持各种工作模式;

·具有功率管理的特点便于实施发射功率控制;

·100脚的PQFP封装,可使设备体积减小。

图1是STEL-2000A的结构框图。它将数字下变频器、PN匹配滤波器、差分解调器等集成在一个接收部分里,其输入是经A/D转换后的数字中频信号RXIIN7-0和RXQIN7-0;发送部分包括差分BPSK/QPSK编码器、PN码调制器以及BPSK/QPSK调制器等,其输出是送给~外部D/A转换器的数字中频信号TXIFOUT7-0。

从结构上看,STEL-2000A采用数字匹配滤波器(数字相关器)实现扩频信号的解扩,解决了一般扩频系统为之付出重大代价的伪随机码同步问题。另外,它采用的差分解调方式,避免了相干载波的提取和相位模糊问题,简化了系统的设计。

2 STEL-2000A的性能

STEL-2000A的PN码长度为11~64bit,扩频增益为10.4~18.1dB,能在一个符号周期内实现对伪码的捕获。本人用SPW通信系统仿真软件对SETL-2000A的数学模型进行了仿真,得到了如下结果:

·数字匹配滤波器对扩频信号的载频来说是一个窄带滤波器,只有输入的信号为“零中频”时,才能得到最大的相关峰值。如下变频率频差不为0,即载频不为0时,数字匹配滤波器输出的相关峰值会减小。频差对相关峰值的影响见表1(PN码长64bit,PN码速率=1.024Mchips/s)。

表1 频差对相关峰值的影响

频差/KHz 0 5 10 15
相关峰值 1 0.847 0.469 0.165
衰减量/dB 0 0.7 3.3 7.8

·AFC环路的鉴频器具有正弦鉴频特性,其鉴频函数为:

g(△f)=ksin(2π△f/F)

其中△f为频差,F为符号率(在DBPSK调制方式时为数据传输率的一半)。当f/F<0.5时,AFC环路能很好的锁定。如符号率为16kbps时,允许的最大频率差为8kHz。

·当PN码长度和速度一定时,下变频频差和调制方式是影响STEL-2000A抗干扰性能的主要因素。假设信道只存在高斯白噪声,在带限2.5MHz、输入信号S/N=0dB的情况下,作数据传输仿真实验以考察系统的整体性能:当数据传输率为32kpbs、下变频频差为1.6kHz时、采用DQPSK调制方式时,作10000个数据的传输仿真实验,结果出现58个数据错误。将下变频频差改为1kHz后,再作相同实验,未出现数据错误;当数据传输率为16kbps、下变频频差为3.6kHz时,作10000个数据的传输仿真实验,结果再现164个数据错误。将下变频频差改为2.6kHz后,再作相同实验,未出现数据错误。由此证明,DBPSK调制方式的抗干扰性能比DQPSK方式强,但付出的代价是在相同带宽条件下数据传输率降低了一半。

3 STEL-2000A的应用

下面介绍一个以STEL-2000A为信心的直接序列扩频遥控系统,该系统的主要技术指标为:数据传输率16kbps。伪码长度64bit,扩频增益18dB,调制方式BPSK,发射载频230MHz,带宽0.048MHz。

3.1 发射机部分的硬件设计

图2是遥控系统的发射机部分。它主要由STEL-2000A扩频处理器、GMS90C31单片机、BPSK调制器和RF功放模块等部分组成。GMS90C31是韩国LC公司生产的与8031完全兼容的单片机,具有40MHz的时钟速率。它与外围的EPROM2764程序存储器、74AHC573地址锁存器共同组成了基带数据处理系统,完成STEL-2000A的初始化及控制、遥控指令帧的编码等工作。图中六位拨码开关用来设置接收机的地址码,使一台发射机可同时遥控64台接收机。

每条指令帧由一个15bit的突发数据包组成,指令帧的前6bit为地址码,中间5bit为指令码,后4bit为纠错码。利用匹配滤波器能够在一个调制数据的时间内完成捕获的功能,一个突发数据包只需一个捕获/前置符作为同步头,后面可跟任意长度的同步/数据符号,帧结构如下。

    捕获/前置符和同步/数据符所使用的PN序列是完成独立的,因此捕获/前置符可作为数据超始位置的标志,不需再加专门的帧同步信号。同步/数据符的相关峰可作为数据的位同步信号,因此在编码时不需考虑连“0”、连“1”的情况。

STEL-2000A通过中断方式从GMS90C31获取指令帧数据。但由于其数据请求信号TXBITPLS为高电平有效,且宽度较窄(等于伪码周期512ns),不能可靠地触发中断,因此在GMS90C31的端加入了反相器和单稳电路,将TXBITPLS变为较宽(约10μs)的负脉冲信号。STEL-2000A完成指令帧数据的差分编码和扩频处理工作,它将低速的基带数据(16kbps)变为高速的伪码序列(1.024Mbps),去调制外部的高频本振信号,生成载频为230MHz的DBPSK调相信号。RF功放模块是自制的输出功率1W的小功放,天线为230MHz螺旋全向天线。

3.2 接收机部分的硬件设计

图3是遥控系统的接收机部分,主要由STEL-2000A扩频处理器、GMS90C31单片机、A/D转换器、90°功分器和RF模块等部分组成。AD9057是单电源的高速8位A/D转换器,最高采样率80Msps,具有SSOP的小尺寸封装,易于制版布线;90°功分器是成都亚光电工厂生产的GFHZ-2-14型,输入频率7~14MHz,它和两块AD9057组成了采样率为45.056Msps的正交采样结构,并与STEL-2000A中的复数下变频器相配合,能消除混频时的镜像频率,实现10.7MHz中频信号的单边带下变频;STEL-2000A担负着中频信号的数字下变频、伪码解扩、差分解调、AFC等繁重工作,它与GMS90C31单片机的界面为解调后的基带数据;GMS90C31单片机完成基带数据的处理工作,如地址识别、数据检错纠错等。STEL-2000A的RXOUT端是数据输出口,为同步时钟,RXACTIVE是数据包的起止信号,其时序关系如图4所示。

RXACTIVE的反相信号与GMS90C31的INTO相连,当STEL-2000A收到数据包时,GMS90C31就会产生中断INT0,完成接收数据包的准备工作。的负脉冲较窄(等于伪码周期512ns),为了提高中断的可靠性,将其通过单稳态电路展宽(约10μs)后接到INT1上,使GMS90C31能可靠地对P1.6端的基带数据进行中断采集。RF模块是自制的高灵敏度接收、变频单元,输出为10.7MHz的中频信号,接收灵敏度-1000dBm。天线为配套的230MHz螺旋全向天线。

在系统联试时,将发射机的功率衰减30dB,使实际发射功率为1mW时,在500m的开阔距离上,接收机能正确接收发射机发出的遥控指令。另外,通过实验测得,接收机能抗+3dB的同频干扰,即干扰功率可比信号功率大3dB,由此证明扩频系统的抗干扰能力较强。

3.3 软件设计

STEL-2000A具有丰富的可编程功能,其内部包含有87个状态寄存器,编址为00H~56H,作为GMS90C31的扩展RAM区使用,通过GMS90C31向这些状态寄存器写入特定的值,可使STEL-2000A支持各种工作模式。发射机和接收机的软件均包括GMS90C31初始化模块、STEL-2000A初始化模块、数据采集模块和数据处理模块四个部分。

GMS90C31初始化模块主要完成输入引脚的定义、装入地址码、设置中断类型、设置数据采集的初始值等工作;STEL-2000A初始化模块完成对其内部状态寄存器的参数设置;数据采集模块将输入数据采集到GMS90C31内部RAM区的指定位置,并对采集的数据进行计数,到一定数量后停止采集;数据处理模块的主要功能有:指令帧的编码、数据检错和纠错、地址码识别等。这里由于篇幅的原因,不对各软件模块作详细的介绍,只着重介绍一下软件开发中的重点和难点:如何正确设置STEL-2000A内部各寄存器的参数。这需要对系统的工作原理和数据模型有一定的了解和研究,有关这方面的情况请参见文献[1]和[2]。

STEL-2000A中接收部分的寄存器有64个,编址为00H~3FH,发射部分的寄存器23个,编址为40H~56H,可用单片机的MOVX@R0,A指令对这些寄存器的值进行修改。下面以接收部分为例介绍主要参数的设置情况。

·调制类型

选择BPSK方式,将36H的bit 1设为1;

·伪码控制

同步伪码和数据伪码的长度均为64位,选择时需注意伪码的自相关特生和伪码间的正交特性。伪码系数用01(+1)和11(-1)表示。同步伪码存于07H~16H的地址单元中,设置情况如下:

地址:07H 08H 09H 0AH 0BH 0Ch 0DH 0EH 0FH 10H 11H

参数:FFH F5H 77H 5FH 75H 7FH F5H 7DH D7H D5H F5H

地址:12H 13H 14H 15H 16H

参数:75H 77H 55H FDH 7FH

数据伪码存于17H~26H的地址单元中,设置情况如下:

地址:17H 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1EH 1FH 20H 21H

参数:FFH F7H 5FH 7FH F7H 55H F7H 57H DFH

77H 5DH

地址:22H 23H 24H 25H 26H

参数:5DH 5FH 77H 57H D5H

数据伪码的长度由2DH的bit0~5确定,64位长的伪应设为3FH。需要注意的是不需设置同步伪码的长度。

·NC0控制

NC0的输出频率fNC0取决于中频采样率RXIFCLK和频率控制字FCW。频率控制字FCW存地03H~06H的地址单元中,其计算公式为:

FCW=fNC0.2 32/RXIFCLK

当RCIFCLK为45·MHz,fNC0为10.7MHz时,可计算出FCW为3CCBA2E9.对于正交采样模式,fNC0应为负频率,因此取3CCBA2E9的补码C3345D16作为FCW,将其低位装入03H,高位装入06H。

·采样率控制

STEL-2000A规定基带采样率为伪码速率的两倍。当伪码长度为64bit,数据速率为16Kbps时,基带采样率应为2.048MHz,它相对于中频采样率45.056M的分频系统为22。因此,02H中的值应设为15H。

·突发控制

接收机工作在突发模式,当捕获到同步头后,解扩出一帧数据,然后又处于捕获状态。每帧数据的长度由2EH(低位)和3AH(高位)中的值决定。本系统的指令帧长度为15bit,因此2EH中的值设为11H,3AH中的值设为00H。

·门限设置

匹配滤波器相关峰检测门限的设置对系统的整体性能有较大的影响。通过进行计算机仿真的结果和参考STEL-2000A开发板的数据,并结合具体的实验情况,将捕获门限和解扩门限设为00FFH。因此,29H和2BH中的值应设为FFH,2AH和2CH中的值应设为00H。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/rfandwireless/200605/3270.html
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