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        擴頻技術(shù)的應用

        2020-06-11 00:47:24上官敏樂
        商情 2020年22期
        關鍵詞:擴頻通信

        上官敏樂

        【摘要】人民防空警報系統(tǒng)是戰(zhàn)時向城市居民發(fā)放防空襲警報信號,傳遞敵空襲信息的通信系統(tǒng)。它是人防部門所獨有的通信設施,具有無法替代的性質(zhì)。人防警報發(fā)放裝置趨向于統(tǒng)控化、交互化、多媒體化、抗毀化。近年來,各種通信技術(shù)的發(fā)展給通信注入了活力,擴頻通信更因其抗干擾能力強、隱蔽性好、可實現(xiàn)碼分多址和抗多徑衰落等優(yōu)點在無線領域得到了廣泛應用;其相應擴頻處理芯片應運而生并得到迅速發(fā)展,這為擴頻通信的電路實現(xiàn)提供便利。

        【關鍵詞】人防警報;擴頻通信;m序列;ARM;

        本文設計的人防警報就是在擴頻通信理論的指導下,將直接序列擴頻技術(shù)和ARM技術(shù)相結(jié)合使人防警報實現(xiàn)改進。本文以STANFORD TELECOM公司的擴頻產(chǎn)品STEL-2000A芯片和三星公司的SCS2410A為主,設計了相關外圍接口電路和軟件模塊。設計中使用STEL-2000A芯片實現(xiàn)人防警報系統(tǒng)的數(shù)字擴頻。上電復位后,芯片處于接收狀態(tài),工作在突發(fā)模式下,采用DPSK調(diào)制方式,將數(shù)傳模塊的數(shù)字信號,通過中斷將解調(diào)完的基帶信號送入SCS2410A處理;處于發(fā)送狀態(tài)時,可將數(shù)據(jù)擴頻、調(diào)制,經(jīng)數(shù)傳模塊送出。通過對其內(nèi)部87個寄存器寫入數(shù)據(jù)可對其進行控制。并給出了以上系統(tǒng)設計時的軟件流程。

        將數(shù)傳模塊的數(shù)字信號,通過中斷將解調(diào)完的基帶信號送入SCS2410A處理;處于發(fā)送狀態(tài)時,可將數(shù)據(jù)擴頻、調(diào)制,經(jīng)數(shù)傳模塊送出。通過對其內(nèi)部87個寄存器寫入數(shù)據(jù)可對其進行控制。并給出了以上系統(tǒng)設計時的軟件流程。

        系統(tǒng)中采用的無線數(shù)傳通信模塊的型號是SA68D21,是一種小型的無線數(shù)傳收發(fā)模塊,它具有體積小、使用靈活等優(yōu)點。SA68D21無線數(shù)傳模塊工作于VHF/UHF頻段,符合國際電報電話咨詢委員會CCITT.23標準。SA68D21以89S52單片機為核心,實現(xiàn)了半雙工方式通信。SA68D21還具有以下一些主要特點:具有TTL、RS232、RS485多種電平接口;8位及9位的串口幀格式可選;接口波特率可設置成300、600、1200、2400、4800、9600、19200;采用CRC檢驗,可驗出傳輸中錯誤;頻率源采用VCO/PLL 頻率合成器,并可方便靈活地通過串口設置頻點。所以實現(xiàn)通過SA68D21進行無線數(shù)據(jù)收發(fā)是比較簡單的。相對于為控制器來說就是進行實現(xiàn)串口通信即可。在系統(tǒng)設計中,因為無線數(shù)傳模塊和設備控制板是安放在一個機箱里的,所以采用RS232接口就可保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。

        擴頻技術(shù)(Spread Spectrum, SS)的歷史可以追溯到20世紀50年代中期,但是直到80年代初,擴頻技術(shù)仍然主要應用在軍事通信和保密通信中。擴展頻譜通信(Spread spectrum communication),簡稱“擴頻通信",是一種信息傳輸方式。其特點為:傳輸信號帶寬遠遠大于發(fā)送出去的數(shù)字信息帶寬。利用擴頻技術(shù),系統(tǒng)頻率利用率比頻分系統(tǒng)要高。擴頻技術(shù)是以仙農(nóng)(Shannon)公式作為理論基礎而發(fā)展的。仙農(nóng)公式:C=Wlog2(1+P/N) 根據(jù)該公式可導出:在保持信息傳輸速度C不變的情況下,可以用不同頻帶寬度W和信噪功率比P/N來傳輸信息;如果增加頻帶寬度W,就可以在較低的信噪比P/N的情況下來傳輸信息,甚至在信號被噪聲湮沒的情況下,只要相應地增加信號帶寬,也能保證可靠地通信,這一特點對滿足某些通信要求的意義很大,擴頻通信的主要特性如下:抗干擾性能好。它具有極強的抗人為寬帶干擾、窄帶瞄準式干擾、中繼轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的能力選擇性尋址能力強,可以用碼分多址的方式來組成多址通信網(wǎng);保密性能好,信息隱蔽以防竊取;頻譜密度低,對其它通信系統(tǒng)的干擾小;人防警報系統(tǒng)擴頻通信的主要技術(shù)指標為:數(shù)據(jù)傳輸率:3.2 Kbps偽碼長度:;64bit擴頻增益:18 dB調(diào)制方式:DPSK發(fā)射載頻156.575 MHz帶寬:125 KHz

        一、直接序列擴頻通信系統(tǒng)

        直接序列擴頻通信系統(tǒng)與其他擴頻通信系統(tǒng)相比較,實現(xiàn)頻譜擴展方便,無論對通信、測距應用,還是對其他應用都很適合,是目前應用最多、最廣泛的一種擴頻通信系統(tǒng)。原理圖如圖1所示:

        二、m碼序列的產(chǎn)生原理

        擴頻通信是將待傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)被偽隨機碼(Pseudo Code)調(diào)制,實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸,接收端則采用同樣的PN碼進行解調(diào)及相關處理,恢復原始信息數(shù)據(jù)。這種通信方式與一般常見的窄帶通信方式相反,是在擴展頻譜后,寬帶通信,再通過相關處理恢復成窄帶后,解調(diào)數(shù)據(jù),因此具有偽隨機編碼調(diào)制和信號處理兩大特點。它具有強抗干擾性、抗噪聲、抗多衰落、可以碼分復用等突出優(yōu)點。偽隨機碼序列是一種具有類似白噪聲統(tǒng)計特性的編碼信號,通常作為擴頻系統(tǒng)的擴展碼。M碼序列是移位寄存器序列。M碼序列可以由移位寄存器加反饋產(chǎn)生。

        三、STEL-2000A主要功能介紹

        STEL-2000A芯片是美國STANDFORD TELECOM公司出產(chǎn)的可編程直接序列擴頻收發(fā)芯片,它可以工作于全雙工方式下,以全數(shù)字處理的方式完成一個直擴系統(tǒng)的收發(fā)工作。它具有以下一些突出特點: 可利用編程功能支持多種工作格式,包括BPSK、QPSK等; 在發(fā)射和接收模式下支持高達11Mbps的PN碼速率; 兩路獨立的PN碼序列,分別用于快捕頭和數(shù)據(jù)碼元的擴頻,其長度和PN碼序列可編程控制,最長可達64位長; 可支持數(shù)據(jù)速率高達2.048Mbps; 能源管理特性某些功能塊不工作時,可暫時關閉以降低能耗。

        STEL-2000A的內(nèi)部結(jié)構(gòu),在發(fā)射端的關鍵部分是擴頻模塊,發(fā)射時所用的擴頻PN碼由單片片編程寫入,存儲在STEL-2000A內(nèi)的發(fā)射PN碼寄存器中,在QPSK方式下,數(shù)據(jù)以比特對的格式(I、Q兩路正交數(shù)據(jù)信號)與寄存器中的PN碼相異或,從而完成擴頻,成為兩路正交的I、Q兩路擴頻信號。

        在接收模塊的關鍵部分是數(shù)字下變頻和解擴模塊。數(shù)字下變頻模塊接收的外部ADC對兩路正交信號的帶通采樣信號。下變頻器包括一個復數(shù)乘法器,8位輸入信號同NCO(數(shù)控振蕩器)產(chǎn)生的數(shù)字正弦和余弦信號相乘。要正確地數(shù)字下變頻,只要在弦和余弦信號相乘。要正確地數(shù)字下變頻,只要在NCO中寫入合適的頻率控制字即可,因為片內(nèi)的閉環(huán)頻率跟蹤環(huán)會時刻輸出校正信號,與NCO的頻率相加,以令接收信號被精確地下變頻到基帶。而在STEL-2000A的解擴部分,則使用了一個PN匹配濾波器和PN碼寄存器。PN碼寄存器中的PN碼應該與發(fā)射來的信號所使用的PN碼一致,才能夠正確接收數(shù)據(jù),否則獲的將是一片噪聲。PN碼寄存器中的PN碼與數(shù)據(jù)信號在PN匹配濾波器中作相關積分運算,由于PN碼的一個重要持性就是它的自相關系數(shù)很高,而互相關系數(shù)很低,所以只要相關的兩部信號的PN碼一致,就可以獲得相關積分的峰值,這就意味著解擴的成功。

        人防警報系統(tǒng)中,發(fā)端所傳送的是數(shù)字信號,所以不必經(jīng)過A/D變換。人防警報系統(tǒng)采用了DPSK調(diào)制方式。

        Windows CE.NET的移植主要采用由微軟官方提供的Platform Builder這一工具。

        本設計采用的S3C2410A的CPU架構(gòu)為ARM4I,所以ARM4I結(jié)構(gòu)是必選的。同時為了調(diào)試方便還應選擇x86、模擬器結(jié)構(gòu)。

        BSP(BoardSupport Package)又稱板級支持包,是Windows CE.NET系統(tǒng)的基石,構(gòu)建于硬件平臺之上,服務于操作系統(tǒng)核心。Boot Loader是操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序,可以初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射圖,從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài),以便為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。Windows CE.NET啟動后的界面,可以看到Windows CE.NET的啟動界面和PC機的Windows的界面十分的相似。編寫在Windows CE下運行的應用程序,需要使用專門用于Windows CE的開發(fā)工具。在.NET技術(shù)出現(xiàn)之前,微軟為Windows CE的嵌入式應用程序的開發(fā)提供了兩個開發(fā)工具,分別是Embedded Visual C++(EVC)和Embedded Visual Basic(EVB)。在本系統(tǒng)的應用程序設計中,主要采用EVC的MFC編程方式。串行輸入/輸出(Serial I/O)通常是所有Windows CE裝置都支持的最基本的通信功能。在本系統(tǒng)中控制電路和數(shù)傳模塊的通信是通過串行口來實現(xiàn)的。S3C2410A具有3個串行口,設計中串口1用于設備調(diào)試時目標機和宿主機通信接口,串口2用于和數(shù)傳模塊通信。

        現(xiàn)存的警報網(wǎng)絡中,主控中心設備和終端設備之間的通信是以數(shù)據(jù)包的方式傳遞數(shù)據(jù)和命令的。數(shù)據(jù)包的格式如下:

        需要說明的是區(qū)位碼,它用來指明數(shù)據(jù)報的發(fā)送者,為警報指令數(shù)據(jù)包指明傳遞方向。

        串口數(shù)據(jù)發(fā)送的代碼如下:

        WriteFile(h_com, SendBuf, DSize, &nLength,NULL)讀串口數(shù)據(jù),首先創(chuàng)建讀串口線程程序如何知道有數(shù)據(jù)到達串行口呢?這需要用到Windows CE的通信事件,它類似于Windows的消息,當指定的事件發(fā)生時,由Windows CE發(fā)送消息給應用程序,觸發(fā)WaitCommEvent()函數(shù)返回,執(zhí)行相應的操作。

        四、結(jié)論

        設備具有可移動性。由于微處理器S3C2410A的低功耗,使設備不再需要CPU風扇,F(xiàn)lash芯片的運用又替代了硬盤存儲器,所以設備不再受移動的限制。設備設計中考慮了警報中心能源抗毀化。嵌入式系統(tǒng)的低功耗,使得設備可以采用電池供電。在城市供電受損時設備依然可以在電池和太陽能充電方式下繼續(xù)生存。設備采用TFT LCD和觸摸屏進行人機交互,提高了交互的效率、易于使用。具有良好的人機交互界面,Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)和Windows系統(tǒng)具有相似的界面和操作方法,這為操作人員提供了方便。程序開發(fā)采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù),提高了代碼的重用性和可擴充性。

        參考文獻;

        [1]丁勇. 用STEL-2000A 設計擴頻遙控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應用,2001(1):51-53.

        [2]齊云.基于Windows CE的嵌入式軍用式PDA系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].西安電子科技大學,2006: 19-31.

        [3]張新房,徐太平,呂躍剛,等。WindowsCE下單片機串行通信設計與實現(xiàn)[J].計算機應用,2002(9):118-120.

        [4]李勝明等.擴頻與ARM技術(shù)人防警報遙控系統(tǒng)中的應用[J].電腦學習,2008(10):9-10.

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