高速無線擴頻設備的研制(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，擴展頻譜通信是很好的選擇，j.p科斯塔在1959年就對此做出了科學的論斷。本文將要介紹的無線終端設備，采用直接序列擴頻和cck調制技術，具有較強的抗干擾能力和抗多徑能力，該設備用一塊fpga實現數字復接電路，并由單片機對整個設備進行控制，不但大大減小了電路體積，并且實現了在線可編程功能，可以方便地用于2m、2*2m、4*2m等多種數據業務，能夠根據業務的不同，充分地利用傳輸信道，提高傳輸質量。

關鍵技術
　　直接序列擴展頻譜是擴頻技術的一種，其基本原理是用偽隨機編碼序列去調制載波。由于一般所使用的偽隨機序列速率遠大于信碼，所以經過調制以后，信號的能量被擴散到一個很寬的頻帶上，它的功率譜與噪聲相似。在接收端，用與發送端同步的相同的偽隨機序列解調接收信號，則最終有用信號可以恢復為窄帶的中頻信號，而干擾信號則仍然為寬帶信號，在通過一個濾波器之后其大部分能量可被濾除。

　　cck調制即complementary code keying(補碼鍵控)調制，是由intersil和lucent公司建議，被ieee802.11b所采用的一種新的調制方案。補碼又稱為補碼序列，對于一對由兩個元素組成的等長度序列，如果它們對于任何給定的分割，一個序列中相同的元素對和另外一個序列中不同的元素對的數量相等，那么這兩個序列就是補碼序列。補碼序列有很強的位置對稱性，自相關性強，互相關性很弱，非常適于作為擴頻通信中的偽隨機序列碼。如果補碼序列的元素是具有相位參數的復數，那么構成的補碼序列就是多相補碼序列。ieee802.11b中的cck調制采用的就是多相補碼序列，其定義的碼組就是一個包含四種相位0、π/2、π、-π/2的復數碼組。也就是說它的元素ai是{1，-1，j，-j}其中之一。因而，802.11b的cck調制可以認為是mok(m-ary orthogonal keying)調制采用了復數符號結構的一種變型。下面列出的公式是802.11b所規定的碼速為11m，補碼長度為8的cck調制中所使用的補碼序列的產生公式。
 

　　在數據速率為11mbps時，發送的串行數據首先以字節為單位被分割。例如其中的一個字節為(d7，d6，d5，d4，d3，d2，d1，d0)，這里d0是最低位。這8個比特用來按表1所示的方案確定相位參數φ1～φ4。相位參數的編碼方案按照dqpsk調制，如表2所示。

　　然后，把得到的參數帶入式(2)中去，就可以得到用于調制載波的補碼列。例如，假定11mbps模式下發送的數據為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。將這些相位參數代入到公式(1)中并化簡可得到：
　　c={1，-1，j，j，-j，j，-1，-1}(2)

　　這就是用來調制載波進行擴頻的補碼序列。

　　在數字通信網中，為了擴大傳輸容量和提高傳輸效率常常需要把若干個低速數字信號合并成為一個高速數字信號，然后再通過高速信道傳輸，這就是所謂的數字復接技術。數字復接是一種已經非常成熟的技術，廣泛地應用于無線通信、光通信和微波接力通信。圖1是數字信號復接、分接示意圖。

　　如圖1所示，數字復接系統包括數字復接器(digital multiplexer)和數字分接器(digital demultiplexer)兩部分。數字復接器是把兩個或多個低速的支路數字信號按照時分復用方式合并成為一路高速的合路數字信號的設備；數字分接器是把合路數字信號分解為原來的支路數字信號的設備。數字復接器是由定時、調整和復接單元所組成；數字分接器是由同步、定時、分接和恢復單元所組成。定時單元給設備提供統一的基準時間信號，同步單元給分接器提供與復接器基準時間同步的時間信號，調整單元負責同步輸入的各支路信號。恢復單元與調整單元相對，負責把分接出來的各支路信號復原。

　　在目前的數字電路中，專用集成電路asic得到廣泛應用。但高速的asic只能實現某種特定的功能，設計完成后不能再對其進行改動，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的處理和控制操作，但性能相對較低。“在線可配置(icr)”可視為asic和可編程處理器的混合體，它綜合了二者的優點。fpga是實現在線可配置的核心，基于sram結構的fpga可以很容易地通過重新下載數據來更換功能，這樣就可以將多項工作利用同一個硅片以時分復用的形式分別完成，用較小規模的fpga芯片來實現更大規模的數字時序系統。

設計方案
　　整個系統的各部分關系如圖2所示，待發送的多路、并行低速數據經過數字復接之后合成為一路串行高速數據流，送入基帶處理模塊(bbp)進行頻譜擴展，然后經由調制模塊調制到70m，最后送入射頻模塊進一步調制到更高的頻率上發射出去。接收的過程正好相反，寬帶射頻信號經過射頻模塊之后，變成70m中頻信號，然后經過解調模塊解調至基帶，經解擴之后得到一路高速串行數據，再由分接器分路成為多路、低速并行數據流提交給用戶。

　　基帶處理模塊由一塊intersil公司的專用集成芯片hfa3863和相應的外圍電路構成。hfa3863是具有rake接收機和均衡器的可編程直接序列擴頻基帶處理器，主要用于ieee802.11協議的無線局域網，同時也可應用于點對點和點對多點的無線通信。hfa3863包含了一個基帶雙工/半雙工、分組/連續、收發信機的全部功能，帶有64個可編程控制寄存器，且片內包含a/d、d/a轉換器，工作頻率為1、2、2.5、5.5和11m，可以采用dbpsk、dqpsk和cck調制方式。發射機部分包括一個網絡處理器接口、前同步碼及報頭發生器、dpsk調制器、高速調制器、數據擾碼器、發送濾波器和頻譜擴展器。完成基帶數據的擴頻、編碼、加擾碼等工作，并自動為發送的分組產生報頭和前同步碼。在發送的時候前同步碼總是以dbpsk方式調制，報頭可以選擇dbpsk或dqpsk方式而數據分組可以選用dbpsk、dqpsk或cck方式。發射機在需要時自動在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間，而一旦完成同步之后，可以用更快的速率傳送數據。接收單元包括巴克碼相關器、cck相關器、反饋平衡器、符號判決器、峰值檢測器、dpsk解調器、數據解擾碼器、數控振蕩器、環路濾波器和報頭檢測器等。完成中頻解調后的數據的解擴、去擾碼、去報頭等工作。除了發送單元和接收單元之外，hfa3863還有一個自動增益控制(agc)單元，與調制模塊和射頻模塊的agc單元一起組成一個agc系統，根據環境的變化自動控制射頻、中頻部分增益和衰減的變化從而改善接收機的動態接收范圍。圖3是hfa3863的功能框圖。

　　復接分接模塊由一塊altera公司的ep1k10及其外圍電路構成，將1、2或4路標準的2.048m數據合路成一路串行的數據并且加入糾錯碼和一路勤務電話。合路之后的數據速率應該符合基帶處理器對數據速率的要求。并且，該模塊應該能夠根據用戶的選擇，在1、2或4路三種工作模式下運行，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。

　　在本系統中如若利用分立元件或是采用專用集成電路來構造復接分接模塊需要有2組設備分別完成2路和4路并行數據的合路、分路工作，電路構成復雜、體積大、穩定性差。現在，用一塊fpga就可以完成所有這些工作。針對三種情況可以編寫3套程序代碼放在外部的存儲器中根據用戶的選擇，控制模塊給fpga動態加載不同的程序，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，并且由于系統集成在一塊芯片中，穩定性和精度都大大提高。除了完成復接分接功能之外，fpga還要完成數據速率轉變的工作，因為hfa3863只能工作在幾個離散的頻率點上，所以從該模塊送出的數據必須符合基帶處理器的要求。所以必須在fpga上實現一個收/發fifo，上行時，先將合路后的數據以其本身的頻率寫入fifo，然后以hfa3863要求的數據速率讀出，下行時正好相反。為了實現可靠傳輸需要由計數器來控制寫入/讀出的時間和每次讀出數據的個數。
調制解調模塊的功能相對單一，電路也比較簡單，主要是由intersil公司的hfa3783芯片和相應的外圍電路構成。hfa3783是一款半雙工的正交差分調制解調器，集成了一個if收發機的所有功能，頻率范圍70～600mhz，含有agc控制模塊，內建一個三線接口的鎖相環，該鎖相環需要一個外部的vco和一個參考頻率。hfa3783內部有4個可編程寄存器用來控制鎖相環和直流偏置時鐘。為了實現全雙工通信，該模塊需要兩塊hfa3783，一塊作為調制器，另一塊作為解調器。

　　初始化及控制模塊的核心是一塊89c51單片機，其主要功能是系統上電時對基帶處理器、調制解調器和復接分接器進行初始化，在設備工作期間根據用戶的選擇，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前的工作狀態、信號強度和出錯信息，用戶可以根據這些信息調整工作模式，在保證通信質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據和射頻信號的轉換工作，它可以用intersil公司配套的芯片組來實現，也可以是一個獨立的單元。在本項目中使用的是一個外接的獨立的射頻模塊。

　　高速無線擴頻終端可用于數字蜂窩移動通信系統gsm的基站聯網，為數字蜂窩基站控制器和外圍基站，或者基站與基站之間的聯接提供無線e1數字鏈路，為交換機和數字集群電話系統提供數字中繼連接，用于數據、圖像、電話綜合傳輸鏈路。

結束語
　　上面介紹了高速無線擴頻終端的主要設計思路。應該指出，該系統有很多地方還有改進的空間，例如可以通過時分復用的方式使用一塊hfa3783來實現雙工通信。該設備具有較強的擴展性，主要用于點對點和點對多點的無線通信，但是只要對電路稍做改動便可以用于無線局域網。