【導(dǎo)讀】基于STEL-20xxA的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于STEL-20xxA的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)。IMT20xx標(biāo)準(zhǔn)化建議中最有影響和應(yīng)用前景的就是基。于擴(kuò)頻通信技術(shù)的W-CDMA、edmZaO00和TD一SCDMA。在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)入了新階段。模集成電路芯片制造商紛紛推出了自己的專用擴(kuò)頻芯片產(chǎn)品。在該設(shè)計(jì)中，分析闡述了STEL一20xxA內(nèi)部。結(jié)構(gòu)和工作原理，重點(diǎn)分析了芯片中的各個(gè)重要模塊與關(guān)鍵技術(shù)。頻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)總體框架的設(shè)計(jì)和各種系統(tǒng)參數(shù)的選擇。制，電路簡(jiǎn)單，使用靈活，能夠滿足不同數(shù)據(jù)速率的傳輸需要。設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)芯片性能以及它們之間的外圍接口電路進(jìn)行了詳細(xì)討論。內(nèi)部寄存器的設(shè)置。最后在硬件平臺(tái)上進(jìn)行了調(diào)試，得到了正確的波形結(jié)果。要模塊和各種關(guān)鍵技術(shù)的理解，并得到了一些有意義的結(jié)論。為今后我國(guó)研制具。有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專用擴(kuò)頻芯片積累了一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞:擴(kuò)頻通信;CMDA;S丁EL一200以;

　　

【正文】 llJ 單片機(jī) PC 毛 白化 }STEL 一 20O0A}去白化 輸入數(shù)據(jù)處理器輸出數(shù)據(jù)處理 差分編碼差分解調(diào) 發(fā)送端 PN 碼發(fā) 生器 擴(kuò)頻處理數(shù)字匹配濾波器接收端 PN 碼發(fā)生器 BPSK/QPSK 調(diào)制下變頻器 D/A 轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換 放大器 帶通濾波 移相功分器 寬帶放大帶通濾波器 RF模塊 RF模塊 圖 3 一 1 系統(tǒng)總體框圖 一 1Systemovearllrfamefigure 設(shè)計(jì)中所完成的部分。該部分的工作原理如下 : 欲發(fā)送的數(shù)據(jù)信息由單片機(jī)以串行方式輸入，在輸入端首先進(jìn)行白化處理， 即將輸入數(shù)據(jù)與偽隨機(jī)序列進(jìn)行模二和，使輸入信號(hào)的頻譜在帶內(nèi)均勻化。若采 用 QPSK 調(diào)制，則在輸入數(shù)據(jù)處理器中由串行方式轉(zhuǎn)化為兩路 a 路與 Q 路 )并行 輸出。若采用 BPSK 識(shí)稀吐，則只有 I 路信號(hào)輸出到差分編碼器，將 Q 路與地連接。 接著進(jìn)行差分編碼，這樣可以保證在解調(diào)時(shí)，消除了載波同步的相位模糊度。然 后與發(fā)射端 PN 碼“異或”壑見了擴(kuò)頻，擴(kuò)頻后的信號(hào)經(jīng) BPSK/QPSK 調(diào)制，產(chǎn)生一 個(gè)中頻己調(diào)信號(hào)數(shù)字信號(hào)輸出，最后進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換。 接收信息時(shí)，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)先進(jìn)行下變頻，變換為基帶己調(diào)的擴(kuò)頻信 號(hào)，該信號(hào)送入數(shù)字匹配濾波器完成解擴(kuò)，再經(jīng)差分解調(diào)成為原始的數(shù)據(jù)信號(hào)， 最后送入輸出數(shù)據(jù)處理器，并去白化，以同步串行方式輸出到單片機(jī)。單片機(jī)可 通過串口與 PC 機(jī)通信。 實(shí)際調(diào)試過程中可以 DA/轉(zhuǎn)換器的輸出經(jīng)過信道模擬器后直接送入 A/D 轉(zhuǎn)換 器，觀察是否能恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)信息，從而使所設(shè)計(jì)的硬件電路的正確性得到 驗(yàn)證。 3 基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) . 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì) ①擴(kuò)頻工作方式 考慮到目前直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛，如在第三代移動(dòng)通信中 WCDMA 系統(tǒng)與 cdma200o 系統(tǒng)均采用的是直擴(kuò)方式，所以本設(shè)計(jì)也采取直接序列 擴(kuò)頻工作方式。 ② PN 碼的選擇 在當(dāng)今 CDMA 通信系統(tǒng)中的編碼按功能可大致分為信源編碼、糾錯(cuò)編碼 (信 道編碼 )和擴(kuò)頻編碼。具有良好偽隨機(jī)特性和相關(guān)特性的擴(kuò)頻編碼對(duì)于擴(kuò)頻通信 和它的應(yīng)用是非常重要 的。 在 cdmaZ000 通信系統(tǒng)中，采用相同 M 序列進(jìn)行基站地址編碼，區(qū)分不同的 小區(qū)，用 m 序列進(jìn)行用戶地址編碼，通過不同的相位偏置區(qū)分不同的用戶。在 W一 CDMA 通信系統(tǒng)中，基站地址編碼和用戶地址編碼均采用 G0LD 序列，依靠不 同 G0LD 序列區(qū)分不同的小區(qū)和用戶。由于在本設(shè)計(jì)重點(diǎn)討論的是擴(kuò)頻編碼，略 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于系統(tǒng)地硬件及控制部分，所以 擴(kuò)頻序列選擇比較易于實(shí)現(xiàn)的 m 序列。 擴(kuò)頻通信中的另一個(gè)主要問題是確定擴(kuò)頻序列的長(zhǎng)度，即偽碼長(zhǎng)度。根據(jù)擴(kuò) 頻通信系統(tǒng)抗干擾性能分析，為提高擴(kuò)頻增益，希望采用盡量長(zhǎng)的偽碼?，F(xiàn)行的 CDMA20xx 系統(tǒng)中的基站地址碼的序列碼長(zhǎng)一般為 2’ 5 一 1，用戶地址碼的序列碼 長(zhǎng)一般為 242 一 1，這時(shí)擴(kuò)頻增益將達(dá)到 120Bd，射頻帶寬更寬，抗干擾能力更強(qiáng)， 但捕獲時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)難度較大。 本次設(shè)計(jì)中選用的擴(kuò)頻芯片是 STEL 一 20O0A，在 STEL 一 20xxA 中有同步 PN 碼 和數(shù)據(jù)擴(kuò)頻 PN 碼兩處需設(shè)定的偽碼，最大長(zhǎng)度均為 64，可通過對(duì)芯片內(nèi)部寄存 器寫入數(shù)據(jù)來產(chǎn)生這兩種 PN 碼。為了提高系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益，數(shù)據(jù)擴(kuò)頻 PN 碼長(zhǎng)度 也應(yīng)盡可能長(zhǎng)一些。為提高捕獲概率和降低捕獲時(shí)間，通常同步 PN 碼長(zhǎng)應(yīng)大于 N/2， N 為擴(kuò)頻碼長(zhǎng)。在本設(shè)計(jì)中，兩種 PN 碼長(zhǎng)度均選為 64。 根據(jù) m 序列的性質(zhì)可知，一個(gè) m 序列 (多于 1 位 )與由它移位得到的另一個(gè) m 序列的相互系數(shù)為 1/N，當(dāng) N 很大時(shí)，相互系數(shù)趨于零。這樣由其中的一個(gè) m 序列就可以方便地得到另一個(gè)。長(zhǎng)度為 64 的 m 序列由長(zhǎng)度為 6 的移位寄存器產(chǎn)生， 所選的 6 階 m 序列特征多項(xiàng)式為 : f(x)=x6+x+IG 一 l) 用 matlba 編呈得到對(duì)應(yīng)特征多項(xiàng)式 3 一 l 的 m序列 : 11111101010 11001101110 Columns23through33 11010010011 Columns34through44 10001011110 Columns45through55 廠廠廠廠廠廠廠廠一一一一一一一一一一一一 111 射射頻前端端端 }lllllllllllllllllllll 及及中頻帶帶帶 }I 累加器器器器比較器器通通采樣樣樣 基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 沖士卿 {{{{{{{{{{{{{{{{ 時(shí)時(shí)鐘控制電路路 圖 2 一 8 使用數(shù)字匹配濾波器實(shí)現(xiàn)捕獲原理圖 Fig 2 一 8RealiZationofePatuerbyuseofdigitalmatehedfilter 一般來說，用于捕獲的移位寄存器的典型長(zhǎng)度為 64bit 蜘 02b4ti。移位寄存器 的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，碼捕獲的時(shí)間越長(zhǎng)、捕獲的錯(cuò)漏率越低。特別是在一定的信噪比下， 要得到碼同步，必須使用較長(zhǎng)的匹配濾波器。但這又帶來一系列問題 :捕獲時(shí)間 過長(zhǎng)、電路的規(guī)模過于龐大、消耗的功率相當(dāng)可觀、工作速度較低。在實(shí)際應(yīng)用 過程中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇移位寄存器的長(zhǎng)度。 l， ]l，“ ][川 [， 11， 3 一 [， 41 001100 Columns56through63 00100000 e)調(diào)制方式的選擇 在當(dāng)今的 CDMA 系統(tǒng)中所采用的射頻調(diào)制技術(shù)主要有 QPSK 和 BPSK 等。在 W一 CDMA 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)調(diào)制方式為 BPSK(月云和 QPSK(下行，擴(kuò)頻調(diào)制采用 BPSK(州于和 QPSK(下行。在。 dma20xx 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)調(diào)制采用 BPSK(州爭(zhēng)和 QPSK(刊爭(zhēng) 。擴(kuò)頻調(diào)制方式為 0QPSK(上下行 [， 21。 作為直接擴(kuò)頻序列系繃 DS一 SS)，射頻信號(hào)通常采用二進(jìn)制相位編碼調(diào)制 (BPSK)和四相絕對(duì)移相鍵拭 QPSK)。這是由于在 PSK、 FSK 和 00K 三種數(shù)字調(diào) 制中， PSK 是最佳調(diào)制信號(hào)，即在其它條件相同時(shí)， PSK 的誤碼率最低。 BPSK 就是采用為調(diào)制載波的相位作為參考基準(zhǔn)的調(diào)相，即利用載波相位的絕 對(duì)值來傳送數(shù)字信息的調(diào)制方式。這種以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)數(shù)字信 息的相位鍵控，通常被稱為絕對(duì)移相方式。 此外，在 BPSK 調(diào)制中，解調(diào)時(shí)出現(xiàn)相位模糊問題，就是說在解調(diào)時(shí)本地載 波利用鎖相環(huán)得到的相干載波與接收載波可能相位相同，也可能相位相反。這種 相位關(guān)系的不確定性，叫做參考載波的 0，廠模糊度，這是鎖相環(huán)從抑制載波的 PSK 信號(hào)中恢復(fù)載波所不可 避免的共同問題。由于參考載波的相位模糊度問題， 在相干 PSK 解調(diào)時(shí)，解調(diào)后的序列可能是正確的，也可能是極性完全相反的，即 所謂“反相，工作。對(duì)于一個(gè)隨機(jī)數(shù)字信息序列來說也就無法確定解調(diào)結(jié)果是正確的 還是“反相，的。克服相位模糊影響最常用的措施是差分編碼，即 DPSK 調(diào)制方式。 在接收端相干解調(diào)時(shí)雖然由于要產(chǎn)生本地相干載波，相位模糊仍然會(huì)存在，但是 它的影響可以通過差分譯碼來消除。 數(shù)據(jù)信息 :0011100101 DBPSK 信號(hào)相位 :000 萬 0 二廠二 00 汀 或 :尤汀萬 0 汀 000 汀廠 0 QPSK 利用載波的四種不同 相位來表征數(shù)字信息。由于每一種載波相位代表兩 個(gè)比特信息，故每個(gè)四進(jìn)制碼元又被稱為雙比特碼充’ 7]。如表 4 一 1 所示為雙比特 擴(kuò)頻處理增益由下式?jīng)Q定 : G 一 1。 19 李一 1。 19， 人石 G 一 2) 其中 R。為偽碼傳輸速率， R，為數(shù)據(jù)傳輸速率， N 為 PN 碼長(zhǎng)。也即 PN 碼長(zhǎng) 度越長(zhǎng)，擴(kuò)頻處理增益越高。現(xiàn)行的 CDMA 系統(tǒng)中的擴(kuò)頻碼序列的碼長(zhǎng)一般為 24，一 1，擴(kuò)頻增益達(dá)到 120Bd。本系統(tǒng)中，擴(kuò)頻碼長(zhǎng)為 64，所以有 : 基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) G=101964“ 一 3) 3 . 2 器件選擇 321 擴(kuò)頻芯片 基于系統(tǒng)框圖 3 一 l，在發(fā)送端，擴(kuò)頻芯片在本系統(tǒng)中主要完成對(duì)數(shù)據(jù)信息的差 分編碼、擴(kuò)頻和調(diào)制，而在接收端，主要完成對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換器輸入的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)、 解調(diào)與差分譯碼。本次設(shè)計(jì)中選擇以美國(guó) StnaorfdTele 公司研制的單片全數(shù)字 擴(kuò)頻處理器 STEL 一 20O0A 為核心，并配合以部分外圍電路來實(shí)現(xiàn)直序擴(kuò)頻通信系 統(tǒng)的基帶部分。 5TEL 一 20xxA 最高工作頻率為 一 20xxA 支持最高達(dá) 的數(shù)據(jù)傳輸速率。由發(fā)射、接收和控制三部分組成，輸出中頻頻率、 PN 碼速率可 選，能夠完成在 BPSK 或 QPSK 方式下直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)中的所有數(shù)字處理。 STEL 一 20xxA 結(jié)構(gòu)靈活，可以方便的實(shí)現(xiàn)與 CPU 的接口。主要應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn) 對(duì)多點(diǎn)的無線通信網(wǎng)以及無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線 P05 等系統(tǒng)中，它的主要特點(diǎn) 有 : (1)在單片 CM05 集成電路中完成直接序列擴(kuò)頻及其突發(fā)包的調(diào)制解調(diào)等全 部工作 。 ②兩個(gè)完全獨(dú)立的最長(zhǎng)達(dá) 64 位的偽隨機(jī)序列分別用于同步頭和數(shù)據(jù)的擴(kuò)展 處理 。 ③當(dāng)工作頻率為 時(shí)，最高擴(kuò)頻碼率為 22Mchi 必 。 ④支持全雙工和半雙工模式，可實(shí)現(xiàn)頻分雙工和時(shí)分雙工 。 ⑤具有豐富的可編程功能使之支持各種工作模式 。 芯片體積小 。 ⑧司工作于連續(xù)和突發(fā)兩種模式 。 (9)具有能源管理特性，某些模塊不工作時(shí)可暫時(shí)關(guān)閉以降低能耗。 5TEL20OOA 的發(fā)射部分包括發(fā)射時(shí)鐘發(fā)生器、差分編碼器、發(fā)射端 PN 碼發(fā) 生器、 BPSK/QPSK 錫篩吐器、頻率控制字寄存器和壓控振蕩器 N(CO)。接收部分 包括下變頻器、接收端 PN 碼發(fā)生器、數(shù)字匹配濾波器、功率檢測(cè)器、符號(hào)跟蹤處 理器、差分解調(diào)器、鑒頻器和環(huán)路濾波器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 一 3 所示。 圖 3 一 3STEL 一 Z000A 結(jié)構(gòu)框圖 一 3ConfigurationfiugreofSTEL 一 20xxA 應(yīng)用 5TEL 一 20xxA 可以方便地實(shí)現(xiàn)圖 3 一 1中的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，其原理 框圖如圖 3 一 4 力框中的部分是本次設(shè)計(jì)中完成的部分。 ZOOOA 在擴(kuò)頻通信中的應(yīng)用 一 4TheuseofSTEL 一 20xxAinsPredasPeetrumeommunication 5TE 卜 20O0A 的引腳如圖 3 一 5 所示，現(xiàn)將主要引腳功能介紹如下 : ADD 凡 _。 :地址總線共 7 位，用于對(duì) 86 個(gè)控制寄存器尋址。 ADAT7_。 :數(shù)據(jù)總線共 8 位，與微處理器接口 對(duì)控制寄存器編程。 /WR:寫信號(hào)輸入引腳，當(dāng) WR 為低電平時(shí)，地址線和數(shù)據(jù)線保持穩(wěn)定，為 高電平時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存。 C/5EL:片選使能信號(hào)，當(dāng) C5EL 為低電平時(shí)， 5TEL 一 20xxA 被選中，它的地 址線和數(shù)據(jù)線使能有效 。 /RESET:器件復(fù)位引腳，該引腳為低電平時(shí)清除 STEL 一 20xxA 內(nèi)部控制寄存 基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴(kuò)頻信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 器，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和 NCO 的信息。 及尤刀刃，一。和刃心腳 )一。 :尺尤刀從 _。為 I 相采樣信號(hào)輸入端，刃心腳， _。為 Q相采 樣信號(hào)輸入端。本設(shè)計(jì)中采用的是直接中頻采樣模式，采樣信號(hào)由及尤萬 N， _。輸入， 刃心縱 _。接地置零。 RXIFCLK:接收機(jī)中頻時(shí)鐘輸入信號(hào)， RXIFCLK 是數(shù)字控制振蕩器 NCO)時(shí) 鐘和接收機(jī)所有其它模塊的主時(shí)鐘。接收機(jī)中所有內(nèi)部和外部的時(shí)鐘都由 RXIFCLK 產(chǎn)生且與 RXIFCLK 的上升沿同步。 001100 Columns56through63 00100000 e)調(diào)制方式的選擇 在當(dāng)今的 CDMA 系統(tǒng)中所采用的射頻調(diào)制技術(shù)主要有 QPSK 和 BPSK 等。在 W一 CDMA 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)調(diào)制方式為 BPSK(月云和 QPSK(下行，擴(kuò)頻調(diào)制采用 BPSK(州于和 QPSK(下行。在。 dma20xx 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)調(diào)制采用 BPSK(州爭(zhēng)和 QPSK(刊爭(zhēng) 。擴(kuò)頻調(diào)制方式為 0QPSK(上下行 [， 21。 作為直接擴(kuò)頻序列系繃 DS一 SS)，射頻信號(hào)通常采用二進(jìn)制相位編碼調(diào)制 (BPSK)和四相絕對(duì)移相鍵拭 QPSK)。這是由于在 PSK、 FSK 和 00K 三種數(shù)字調(diào) 制中， PSK 是最佳調(diào)制信號(hào)，即在其它條件相同時(shí)， PSK 的誤碼率最低。 BPSK 就是采用為調(diào)制載波的相位作為參考基準(zhǔn)的調(diào)相，即利用載波相位的絕 對(duì)值來傳送數(shù)字信息的調(diào)制方式。這種以載波的不同相位直接去表示相應(yīng)數(shù)字信 息的相位鍵控，通常被稱為絕