??? 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(xiàn)過程,并詳細描述了如何用硬件實現(xiàn)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
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??? 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(xiàn)在頻帶已經(jīng)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(shù)據(jù)、話音、圖像服務以及廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)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(diào)制的方式來實現(xiàn)的,并與所傳信息數(shù)據(jù)無關;在接收端則用相同的擴頻碼進行相關解調(diào)來解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。?
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??? 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(xiàn)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(shù)字收發(fā)信機①進行擴頻、調(diào)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)建立鏈路;在接收端,天線將信號收至信機②解擴、解調(diào),并將信號轉(zhuǎn)化為文字、語音、視頻。這樣可實現(xiàn)多人參與的視頻會議。?
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3 擴頻數(shù)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(xiàn)由2.48MHz的帶寬擴頻至20.48MHz帶寬。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。?
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??? (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(xiàn)擴頻功能)、配合其他芯片完成基帶處理部分。?
??? 當要傳輸數(shù)據(jù)時,PC機對RS-232通信口進行檢測,而信機由RS-232口實現(xiàn)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(shù)據(jù),由RS-232口送入89C52,用時鐘為2048kb/s的信號進行采樣,經(jīng)過Z2000的處理(先差分編碼,再用20.48MHz的偽隨機序列對數(shù)據(jù)進行擴頻),然后用MAX2452產(chǎn)生70MHz的載波頻率進行調(diào)制,產(chǎn)生一個數(shù)字化的中頻QPSK輸出信號,經(jīng)過MAX436和單片放大后得到中頻為70MHz的信號,DA轉(zhuǎn)換后經(jīng)中頻電纜送到(經(jīng)過一個多工器)射頻部分上變頻,進行射頻調(diào)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(diào)、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(shù)據(jù)將啟動接收程序、進入接收狀態(tài),經(jīng)過自動增益控制,再進行A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號變成兩個(I和Q通道)數(shù)字信號,然后經(jīng)Z2000處理得到2.048MHz的同步數(shù)據(jù)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(xié)議、控制電路; ?
??? MAX233:由RS-232口電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換;?
??? MAX497:視頻緩存;?
??? MAX436:視頻運放;?
??? MAX2452:是一個積分調(diào)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。這里作為第一中頻;?
??? tp3067:勤務編解碼器(語音處理);?
??? sn75108:線路驅(qū)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(shù)據(jù));?
??? AD9059:是一個雙路8位D/A轉(zhuǎn)換器;?
??? QL12X16B:現(xiàn)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(wǎng)仿真連接。完成后,串行口就是一個網(wǎng)卡,與普通網(wǎng)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(nèi)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(shù)值1~255,時間長短與機器速度有關)。只要能實現(xiàn)這兩點的驅(qū)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。?
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??? packet driver是一種簡單且公開的Ethernet驅(qū)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(jīng)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(jù)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控制信機和PC機的工作(流控)。?
??? (2)RS-232C接口的信號說明如表1所示。?
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??? (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無效可阻止PC機發(fā)送數(shù)據(jù),防止信機丟失數(shù)據(jù))才將數(shù)據(jù)傳入信機。?
??? (4)點對多點的實現(xiàn)。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。?
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??? 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(jīng)過2340MHz混頻調(diào)制到射頻為2410MHz,再經(jīng)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(jīng)過LNA、帶通濾波器后,被2340MHz解調(diào)至110MHz的中頻信號,再經(jīng)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(shù)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(shù)據(jù)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,并具有帶寬寬、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。?
參考文獻?
1 王秉鈞.擴頻通信.天津:天津大學出版社,1993.8?
2 李文臣.新型擴頻收發(fā)器Z2000.半導體雜志,1996;21(4)?
3 李文臣.擴頻芯片Z2000中的編碼與解碼.半導體雜志,1997;22(3)?
4 李文臣.用芯片Z2000設計的擴頻通訊系統(tǒng)如何啟動.?半導體雜志,1999;24(2)?
5 李文臣.論擴頻芯片Z2000中的視口設置.半導體雜志,?1999;24(1)