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使用直接序列擴(kuò)頻芯片SX043實(shí)現(xiàn)高增益擴(kuò)頻Modem
摘要：介紹了高增益擴(kuò)頻芯片SX043的特點(diǎn)、主要性能及用法，并以SX043為核心，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高增益擴(kuò)頻Modem。關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻通信 PN碼 處理增益 直接序列擴(kuò)頻芯片SX043 Modem
擴(kuò)頻通信是當(dāng)今國(guó)際上高新技術(shù)的熱點(diǎn)之一。擴(kuò)頻通信是用PN碼對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行調(diào)制，將其頻譜擴(kuò)展后再傳輸，而在接收端使用相同的PN碼對(duì)接收到的信息進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)原始信息的一種通信方式。擴(kuò)頻通信可使信噪比改善20到50多分貝，而且具有抗噪聲、抗干擾、抗衰落、抗多徑能力強(qiáng)，可以采用三分多址實(shí)現(xiàn)多址通信，易于多媒體通信組網(wǎng)，具有良好的安全通信能力等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在民用和軍事中被廣泛應(yīng)用。
本文介紹一種利用美國(guó)AMI公司生產(chǎn)的直接序列擴(kuò)頻芯片SX043制作的Modem。
1 SX043的性能及特點(diǎn)
SX043的主要特點(diǎn)有：
·具有可編程功能，通過(guò)內(nèi)部108個(gè)寄存器的值控制芯片的收、發(fā)。
·完成直接序列擴(kuò)頻基帶處理的全部功能。
·全雙工或半雙工通信。
·支持的調(diào)制方式有：BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK、QAM（8或16）。
·高達(dá)1Mbps（BPSK/DBPSK）、2Mbps(QPSK/DQPSK)、3Mbps(8QAM)、4Mbps(16QAM)的數(shù)據(jù)速率。
·可選長(zhǎng)度為11碼片的Barker碼的最大碼長(zhǎng)可達(dá)到2047的m序列或gold碼。
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SX043的突出優(yōu)點(diǎn)是處理增益高。內(nèi)部有收、發(fā)獨(dú)立的PN碼發(fā)生器，由11個(gè)移位寄存器組成，可產(chǎn)生m序列和gold碼序列，最大碼可達(dá)2047，因此SX043處理增益高達(dá)33.1dB。同時(shí)用戶可選擇與傳輸使用的m序列互相關(guān)值最小的另一m序列，它們的互相關(guān)值加上用戶設(shè)定的偏移值作為跟蹤、捕獲環(huán)路的基準(zhǔn)值，從而使得同步的誤判率減小。用戶還可以通過(guò)設(shè)定寄存器值，在信息傳輸完成后，使捕獲跟蹤環(huán)路保持奪跟蹤狀態(tài)，繼續(xù)尋找一個(gè)新的同步頭。這個(gè)特性允許連續(xù)傳輸任意數(shù)量的數(shù)據(jù)塊，而不需要重新鎖定信息。由于SX043的內(nèi)部時(shí)鐘為64MHz，因此在BPSK（DBPSK）方式下，可支持的最大數(shù)據(jù)速率為1MHz；在QPSK（DQPSK）方式下，可支持的最大數(shù)據(jù)速率為2MHz。
SX043通過(guò)相互獨(dú)立的輸入、輸出FIFO作為數(shù)據(jù)緩沖器與微控制器通信，它最大可存儲(chǔ)16個(gè)字節(jié)。通過(guò)FIFO可監(jiān)督數(shù)據(jù)傳輸、接收的狀態(tài)，在數(shù)據(jù)傳輸完成、數(shù)據(jù)溢出或數(shù)據(jù)傳輸被強(qiáng)行放棄時(shí)發(fā)出中斷信號(hào)送入微控制器。用戶可通過(guò)SX043的內(nèi)部寄存器查看FIFO的狀態(tài)，控制FIFO在何狀態(tài)下送出中斷。
SX043內(nèi)部有包格式發(fā)生器，使用HDLC協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，也可以由用戶自定義協(xié)議通知收信方信息傳輸完成。如果在信息的傳輸過(guò)程中信息被放棄，SX043會(huì)發(fā)送放棄標(biāo)志FF告知用戶。用戶還可以選擇是否對(duì)數(shù)據(jù)包的信息部分?jǐn)_碼。SX043支持CRC-32和CRC-16兩種錯(cuò)誤檢測(cè)方式，使用擾碼可增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�，消除長(zhǎng)連0、連1現(xiàn)象，減小多徑干擾、碼間干擾等，但是使用擾碼會(huì)產(chǎn)生誤碼擴(kuò)散現(xiàn)象。
2 SX043的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
SX043的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
由圖1可見(jiàn)，SX043由發(fā)送模塊、接收模塊、微控制器接口以及控制與標(biāo)識(shí)寄存器組成。
發(fā)送模塊由時(shí)鐘發(fā)生器、PN碼發(fā)生器、深度為16字節(jié)的FIFO及信息處理模塊組成。SX043通過(guò)外部輸入的參考時(shí)鐘和其內(nèi)部的鎖相環(huán)，可產(chǎn)生64MHz的穩(wěn)定工作時(shí)鐘。此時(shí)鐘被寄存器TVCO-DIV的值加1所除，所為PN碼時(shí)鐘（最大可達(dá)到64MHz）。待傳信息由FIFO輸入后，經(jīng)過(guò)打包、擾碼（可選）再與用戶設(shè)定的PN碼相乘后送出。
接收模塊由時(shí)鐘恢復(fù)電路、捕獲跟蹤環(huán)路、深度為16字節(jié)的FIFO、PN碼發(fā)生器及信息處理模塊組成。
SX043接收模塊內(nèi)有一PLL，其中的相位檢測(cè)器一端輸入TX的4MHz的參考頻率，另一端輸入fVCO/16。因?yàn)閂CO輸出64MHz時(shí)鐘，其被寄存器RN4中的值加1所除，得PN碼時(shí)鐘。
SX043接收模塊中，PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的PN碼通過(guò)PN2引腳輸出，與接收到的擴(kuò)頻信號(hào)相乘，再通過(guò)解調(diào)，產(chǎn)生接收信號(hào)強(qiáng)度指示信號(hào)（RSSI1、RSSI2）。此信號(hào)提供給捕獲跟蹤環(huán)路，完成對(duì)接收信號(hào)的正確接收。捕獲采用相位滑動(dòng)法，跟蹤采用τ抖動(dòng)鎖相環(huán)
電路。根據(jù)設(shè)定的滑動(dòng)速率，PN2每次滑動(dòng)碼元長(zhǎng)度的1/2，同時(shí)電路對(duì)RSSI1抽樣，一旦其值大于PN碼捕獲的基準(zhǔn)值，電路轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài)，開(kāi)始同步頭的檢測(cè)。若在連續(xù)的16個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，沒(méi)有檢測(cè)到同步頭，若在連續(xù)16個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，沒(méi)有檢測(cè)到同步頭，則返回到滑動(dòng)狀態(tài)；若已檢測(cè)到同步頭，則電路進(jìn)入τ抖動(dòng)狀態(tài)。用戶可設(shè)定抖動(dòng)速率，抖動(dòng)幅度可選為相關(guān)峰值的%，從而使得接收端的PN碼始終與接收到的PN碼同步，正確接收發(fā)送來(lái)的信號(hào)。
接收到的信息通過(guò)解擾、解包后送入FIFO，由微控制器接口輸出。
微控制器通過(guò)微控制器接口將初始程序?qū)懭�，設(shè)置所有控制寄存器的值，并在數(shù)據(jù)傳輸和接收的過(guò)程中，監(jiān)控各標(biāo)識(shí)寄存器的值，從而控制SX043的狀態(tài)，保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
3 擴(kuò)頻Modem的設(shè)計(jì)參數(shù)
綜合考慮了SX043的性能和電路的實(shí)現(xiàn)難易程度后，擴(kuò)頻Modem的設(shè)計(jì)參數(shù)定為：
（1）為了實(shí)現(xiàn)高擴(kuò)頻增益，保證數(shù)據(jù)速率不能太低，數(shù)據(jù)速率定為32kbit/s，使用碼長(zhǎng)為1023的m序列，從而保證擴(kuò)頻增益不低于30dB。
（2）采用BPSK調(diào)制方式。由于在SX043的內(nèi)部擴(kuò)頻，其輸出數(shù)據(jù)速率高達(dá)32Mbps，因而必須選用寬帶調(diào)制器。調(diào)制器中頻定為70MHz。
（3）由于解調(diào)是在解擴(kuò)后完成，因而可降低對(duì)解調(diào)器中頻的要求，故選擇10.7MHz為常用中頻頻率。選此中頻是由于本設(shè)計(jì)中選用的是AMI公司生產(chǎn)的配合SX043使用的可編程解調(diào)芯片SX061，它支持的最大中頻為13MHz。也正是由于此原因，我們?cè)诮邮斩思尤肓嘶祛l器，從而保證擴(kuò)頻增益及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
4 擴(kuò)頻Modem的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 Modem的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，可分為發(fā)送、接收和控制三部分。
在發(fā)送部分，待傳數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)微控制器送入SX043，變?yōu)閷拵盘?hào)后送入外部的BPSK調(diào)制器變?yōu)橹蓄l信號(hào)的濾波，然后送入射頻發(fā)送部分，經(jīng)過(guò)上變頻、濾波、功放后由天線發(fā)射出去。
在接收部分，接收來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大、下變頻、解擴(kuò)及濾處理后，與SX043產(chǎn)生的接收PN碼相乘，變?yōu)檎瓗盘?hào)，通過(guò)混頻器使信號(hào)中頻變?yōu)?0.7MHz后，再經(jīng)過(guò)濾波解調(diào)器處理后變?yōu)榛鶐盘?hào)。此信號(hào)送入SX043處理變?yōu)樵瓟?shù)據(jù)后輸出。
在控制部分，用戶通過(guò)微控制器輸入、輸出數(shù)據(jù)，編寫(xiě)SX043的內(nèi)部寄存器值，控制系統(tǒng)時(shí)鐘，收、狀態(tài)。
4.2 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要由兩部分組成：一部分是SX043內(nèi)部寄存器值的讀寫(xiě)控制程序，另一部分是SX061的控制程序。有關(guān)SX043及SX061各寄存器的詳細(xì)設(shè)置請(qǐng)參考這兩個(gè)芯片的技術(shù)資料。下面僅就SX043的幾個(gè)重要寄存器的設(shè)置進(jìn)行說(shuō)明。
4.2.1 發(fā)、收偽碼寄存器設(shè)置
對(duì)發(fā)、收偽碼控制的寄存器分別為T(mén)PNA、TPNB和RPNA、RPNB，它們各占用11bit。將11bit中的某一位或多位置1，便可設(shè)定某個(gè)長(zhǎng)度的PN碼。例如，若將TPNA設(shè)為00100001000，則其為長(zhǎng)度511的m序列。由于RPNB與RPNA的互相關(guān)值加上寄存器RFO中的值作為同步檢測(cè)的基準(zhǔn)值，因而RPNB要選擇與RPNA互相關(guān)值最小的m序列，從而保證同步碼捕獲的準(zhǔn)確性。
4.2.2 偽碼速率設(shè)置
發(fā)端的偽碼速率由20位寄存器TVCO-DIV控制；收端的偽碼速率由20位寄存器RV4A控制。當(dāng)接收模塊啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)將RN4A中的值裝入RN4。由于SX043的工作頻率為64MHz，因此，若TVCO-DIV或RN4A的值為N，則偽碼的碼速率為64/（N+1）（Mchips/s）。
4.2.3 PN碼滑動(dòng)幅度和抖動(dòng)幅度的設(shè)定
在偽碼速率較高的情況下，當(dāng)RN4A的值為1～10時(shí)，采用VCO抽頭控制器控制PN碼的滑動(dòng)與抖動(dòng)幅度，具體可通過(guò)寄存器RN3設(shè)定。VCO抽頭控制器內(nèi)部可自行實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)，只要將RN3的第5位置1即可。RN3的第4位為1時(shí)，則使其產(chǎn)生抖動(dòng)。由于VCO有14個(gè)抽頭。因此，每一個(gè)抽頭較前一個(gè)抽頭延時(shí)工作周期的1/14，即1.11ns。因而，選定超前或滯后的抽頭數(shù)（由RN3的0～3位確定）就可以設(shè)定抖動(dòng)的幅度。例如，假設(shè)偽碼速率為32MHz，則T=31.25ns，若抖動(dòng)幅度設(shè)為相關(guān)峰值的±10%，則應(yīng)選的抽頭數(shù)為3.125ns/1.11ns≈3，將0011寫(xiě)入RN3的0～3位即可。
在偽碼速率較低的情況下，采用RN4模塊設(shè)定PN碼的滑動(dòng)及抖動(dòng)幅度�；瑒�(dòng)時(shí)環(huán)路自動(dòng)將RN4B的值裝入RN4、超前抖動(dòng)時(shí)將RN4C的值裝入RN4、滯后抖動(dòng)時(shí)將RN4D的值裝入RN4，改變PN碼的周期，從而產(chǎn)生滑動(dòng)及抖動(dòng)。
若滑動(dòng)幅度為1/2碼元，則PN碼時(shí)鐘周期應(yīng)增加50%，因而RN4B的值應(yīng)為RN4A值的1.5倍。
若抖動(dòng)幅度為相關(guān)峰值的±10%，則RN4C的值應(yīng)為RN4A值的90%，因而RN4D的值應(yīng)為RN4A值為110%。
電路經(jīng)過(guò)調(diào)試，達(dá)到了比較理想的結(jié)果。假設(shè)輸入速率為32kbps的周期碼序列0111010（見(jiàn)圖3），在SX043內(nèi)部與長(zhǎng)度為1023的PN碼（見(jiàn)圖4）相“異或”后變?yōu)閷拵盘?hào)輸出（頻譜見(jiàn)圖5）；接收端將接收到的信號(hào)解擴(kuò)、混頻，再經(jīng)解調(diào)后輸入SX043處理、恢復(fù)出原信號(hào)。
使用SX043達(dá)到了30dB的處理增益及較高的數(shù)據(jù)傳輸速率；采用單片機(jī)89C51對(duì)其控制，工作方式靈活；采用大規(guī)模集成電路，集成度很高，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小。此Modem可以應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)、專用數(shù)據(jù)網(wǎng)、數(shù)據(jù)信息處理及其它無(wú)線系統(tǒng)中。由于高增益，它還可以應(yīng)用于軍事上。
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