一種新型無線數(shù)字窄帶通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

高 翔,賈思強(qiáng),楊 絮,陸起涌,2

(1.復(fù)旦大學(xué) 電子工程系,上海 200433;2.復(fù)旦大學(xué) 無錫研究院,江蘇 無錫 214131)

1 引 言

眾所周知,頻譜資源是一種極其寶貴的自然資源,然而,隨著無線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,勢必對現(xiàn)有的頻譜資源造成巨大的影響和沖擊。因此,在語音和中低數(shù)據(jù)率要求的通信應(yīng)用中,采用數(shù)字窄帶通信方式不失為一種經(jīng)濟(jì)實用的無線通信解決方案。一般而言,數(shù)字窄帶通信具有頻帶利用率高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點[1],與傳統(tǒng)的模擬窄帶通信系統(tǒng)相比,具有更好的安全性、靈活性和可靠性。然而,現(xiàn)有的數(shù)字窄帶通信方案形形色色,調(diào)制方式也多種多樣,無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),并且功能單一,不同模塊間兼容性差。近些年來,工作在ISM(工業(yè) 、科學(xué) 、醫(yī)學(xué))290～ 460MHz的免審批頻段的幅度鍵控(ASK)數(shù)字通信系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[2]。但是該方式對信道特性變化十分敏感,受無線信道衰落影響較大;而其他的數(shù)字調(diào)制方式,諸如FSK、MPSK、MSK和QAM等與其相比雖也有一定優(yōu)勢,但多數(shù)均是采用正交調(diào)制和相干解調(diào)的方式,其設(shè)備成本相對較高,在不同的場合下,也有各自的局限性[3]。本文介紹的系統(tǒng)是一種基于無錫士康通訊技術(shù)有限公司的SRT3500、SRT3300和SRT3602射頻芯片和以SCT3252為核心的基帶芯片構(gòu)建的數(shù)字窄帶通信系統(tǒng)解決方案。該方案將原本廣泛應(yīng)用于連續(xù)語音控制靜噪系統(tǒng)(CTCSS)中的兩點調(diào)制技術(shù)移植到數(shù)字通信系統(tǒng)中,并運用了二次調(diào)制的方式,可兼容歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的DPMR數(shù)字無線電標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。與其他的數(shù)字無線電協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)相比,基于DPMR協(xié)議開發(fā)的數(shù)字窄帶通信系統(tǒng)具有頻帶利用率高、覆蓋范圍大和電池壽命長等特點,非常適合應(yīng)用于無基站的直通通信中[4]。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 射頻系統(tǒng)

本方案的射頻系統(tǒng)是由士康公司的射頻專用芯片 SRT3500、SRT3300和 SRT3602構(gòu)成。其中,SRT3500芯片集成了低噪聲放大器、混頻器、鎖相環(huán)和VCO等模塊,同時配置有寄存器,是一款可編程的射頻收發(fā)芯片,它通過三線控制方式與MCU相連,TX部分采用鎖相環(huán)頻率調(diào)制,RX部分采用超外差接收方式,構(gòu)成了整個射頻系統(tǒng)的核心;SRT3300對中頻信號完成第二中頻的頻率轉(zhuǎn)換、限幅放大和鑒頻等功能,與SRT3500一起使用可以構(gòu)成一個完整的接收機(jī);SRT3602是射頻專用PA芯片,以滿足遠(yuǎn)距離通信的要求。該三款芯片及其外圍器件構(gòu)成了本文介紹的完整射頻系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 射頻系統(tǒng)方案圖Fig.1 Schematic diagram of RF system

2.2 基帶系統(tǒng)

本方案的基帶系統(tǒng)是由士康公司的SCT3252基帶處理器芯片和Wolfson公司的WM8758B的codec芯片以及C8051F120單片機(jī)組成。其中,SCT3252芯片包含了歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)ETSI TS 102 490和ETSI TS 102 658中規(guī)定的DPMR的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及大部分的呼叫控制層的內(nèi)容[5-6],構(gòu)成一個數(shù)字語音系統(tǒng)的基帶信號處理部分。該芯片有DSP內(nèi)核,用于數(shù)字濾波、語音編碼、數(shù)據(jù)壓縮等數(shù)字信號處理。對于語音信號,采用的是基于先進(jìn)多帶激勵算法的AMBE2000的語音編解碼方式。芯片內(nèi)置有4FSK調(diào)制與解調(diào)器,可完成信號的基帶調(diào)制。在基帶系統(tǒng)中,SCT3252中的DSP內(nèi)核和C8051F120單片機(jī)構(gòu)成信號處理和控制核心。

基帶系統(tǒng)的方案圖如圖2所示。

圖2 基帶系統(tǒng)方案圖Fig.2 Schematic diagram of baseband system

3 系統(tǒng)原理分析

3.1 系統(tǒng)原理概述

以語音信號的通信為例,信源端的語音信號經(jīng)WM8758B的codec芯片數(shù)字化后被送入SCT3252,先是進(jìn)行信源編碼,此時的數(shù)字語音信號經(jīng)過AMBE編碼壓縮后獲得碼率為2 400 bit/s的語音編碼,再通過信道編碼,加入前向糾錯數(shù)據(jù),從而使數(shù)據(jù)碼率變?yōu)? 600 bit/s,之后通過加入DPMR幀頭和相關(guān)的協(xié)議控制信息,使得信息碼率達(dá)到4 800 bit/s,最后該信號通過4FSK調(diào)制后進(jìn)行增益調(diào)控,分兩路進(jìn)入射頻系統(tǒng)。

在射頻系統(tǒng)中,兩路基帶信號分別通過VCO和VCTCXO送入鎖相環(huán),鎖定頻率由MCU對SRT3500的寄存器配置設(shè)定,并對參考晶振分頻后通過鎖相環(huán)頻率合成獲得,本系統(tǒng)設(shè)計的射頻頻率是446MHz。兩點調(diào)制后的射頻信號被送入到SRT3602進(jìn)行功率放大,經(jīng)由輸出匹配至天線。

在接收端,射頻接收機(jī)采用的是二次變頻的超外差方式,由天線獲得的無線電信號先經(jīng)446 MHz的聲表面濾波器抑制鏡頻干擾后送入SRT3500的低噪放進(jìn)行放大,進(jìn)行第一次混頻。在本設(shè)計中第一級本振頻率為467.7 MHz,故對446MHz射頻信號經(jīng)差頻后獲得的第一中頻信號為21.7 MHz,然后經(jīng)過21.7 MHz晶體濾波器送入SRT3300進(jìn)行二次變頻,二次變頻的本振頻率為21.25MHz,故第二中頻為450 kHz,第二中頻信號經(jīng)低通濾波后限幅送入鑒頻單元,最終恢復(fù)出基帶4FSK信號并將該基帶信號送至SCT3252和WM8758B進(jìn)行4FSK解調(diào)、信道解碼、信源解碼和D/A處理,最終獲得源端語音信號。

數(shù)據(jù)信號的通信過程和語音信號類似,僅是略去了語音壓縮和編碼的步驟。

在整個系統(tǒng)中,除了數(shù)字通信系統(tǒng)必備的信源和信道編解碼技術(shù),兩點調(diào)制和二次調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用是該無線數(shù)字窄帶通信系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.2.1 兩點調(diào)制原理

在鎖相環(huán)調(diào)頻電路設(shè)計中,鎖相環(huán)單點調(diào)制是無線模擬通信中一種常用的技術(shù),但是其缺陷是信號的低頻調(diào)制特性差[7]。而對數(shù)字通信系統(tǒng),往往基帶信號有大量的低頻分量,不適合采用單點調(diào)制,故在本系統(tǒng)中采用了兩點調(diào)制技術(shù),可以有效地克服單點調(diào)制的這一弊病。兩點調(diào)制的原理如圖3所示。

圖3 兩點調(diào)制原理圖Fig.3 Schematic diagram of two-point modulation

對以上兩點調(diào)制的非線性模型可以進(jìn)行簡單的線性化處理,不妨設(shè)則當(dāng)近似有,sin(θe(t))=θe(t)。

對于鎖相環(huán)路的分析而言,傳遞函數(shù)具有重要的意義,鎖相環(huán)有開環(huán)傳遞函數(shù)、系統(tǒng)傳遞函數(shù)和誤差傳遞函數(shù)3類傳遞函數(shù)[8],分別為

可得

式中,sθ2(s)表示輸出頻率。而H1(s)顯然是一個低通函數(shù),所以對于TX1輸入的調(diào)制信號具有良好的低頻調(diào)制特性。

對于TX2,由如下方程:

可得

同樣地,sθ2(s)表示輸出頻率,而 E(s)是一個高通函數(shù),所以對于TX2輸入的調(diào)制信號具有良好的高頻調(diào)制特性。

綜合以上系統(tǒng)函數(shù)的分析,將式(1)與式(2)相加,可以得到如下的結(jié)果:

因此,從理論上而言,選擇合適的系數(shù),可以使這種高通和低通的特性互相補償,利用這種兩點調(diào)制的方式可以得到較寬的基帶信號調(diào)制后的FM信號,既滿足了對調(diào)制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性,又可以保證較高的載頻穩(wěn)定度[9]。本系統(tǒng)的兩路基帶信號從SRT3500的19號引腳Mod和VCTCXO的壓控輸入端進(jìn)入。

3.2.2 二次調(diào)制技術(shù)

所謂二次調(diào)制技術(shù),指的是數(shù)字信號經(jīng)過兩次調(diào)制后進(jìn)入信道輸送,這是一種提高數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性和降低誤碼率的方法。在該系統(tǒng)中,由于數(shù)字碼元的頻譜范圍較寬,受到無線傳輸信道的影響,導(dǎo)致接收到碼元的信噪比較差。故在基帶系統(tǒng)中增加合適的數(shù)字調(diào)制會有助于提高系統(tǒng)的可靠性。實驗證明,以4FSK為基帶信號的調(diào)頻通信系統(tǒng)在傳輸速率合適時,只有頻率交替的時間點會出現(xiàn)一定失真,其他時間點的波形很好,完全可用4FSK解調(diào)器解調(diào)出原始數(shù)字信號[10]。這種方法不僅實現(xiàn)了數(shù)字信號的有效傳輸而且能在射頻發(fā)射功率一定的條件下提高接收端信號的信噪比,減少誤碼率。在本系統(tǒng)中,由SCT3252完成基帶的 4FSK調(diào)制,由SRT3500完成射頻FM調(diào)制。

4 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計

4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

整體硬件系統(tǒng)的框圖如圖4所示,射頻系統(tǒng)和基帶系統(tǒng)通過3根連線相連,分別為Demodulation、Mod1和Mod2。SRT3500與MCU通過SRT3500規(guī)定的三線方式連接,SCT3252與MCU通過HPI總線方式連接,而WM8758B和SCT3252通過串口方式連接。

圖4 系統(tǒng)整體原理圖Fig.4 The schematic diagram of the entire system

在實際硬件系統(tǒng)的構(gòu)建中,有以下幾點尤其需要注意。

(1)SRT3500芯片VCO周圍的LC tank非常敏感,由于高頻電路線間的寄生電感和寄生電容的影響,在PCB板設(shè)計時,必須減短該部分的走線并采用良好的電磁屏蔽措施,而元件也必須用繞線電感和精度較高的電容。在本設(shè)計中,射頻工作頻率在446MHz,其tank值選擇L=6.8 nH和 C=7.8 pF比較理想。

(2)圖中R1可變電阻用于調(diào)節(jié)VCTCXO中的直流偏置,當(dāng)將發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率調(diào)整到446 MHz后,保證其不再變動,否則會影響射頻工作頻率和載頻穩(wěn)定度。

(3)兩點調(diào)制的高低通頻率補償特性與Mod1和Mod2兩路信號的幅度有關(guān),只有當(dāng)兩路信號的幅度合適時才能夠?qū)?shù)字信號進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。在本設(shè)計中,一般Mod1信號的 Vpp為100 mV左右,Mod2信號的Vpp為1.3V左右能夠達(dá)到比較理想的效果。

4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

射頻部分的軟件控制采用的是SRT3500定義的三線控制方式,在時鐘信號的上升沿寫入數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的結(jié)尾以STB信號產(chǎn)生的短脈沖標(biāo)識,其時序如圖5所示。其中,CLK信號頻率不超過1 MHz,最小時鐘脈寬為0.2 μ s,DATA 信號最小建立時間為0.1 μ s,最小保持時間為0.2 μ s,STB標(biāo)識信號的最小脈寬為0.2 μ s。

圖5 SRT3500的三線控制時序Fig.5 The sequence chart of 3-wire in SRT3500

MCU對SRT3500用三線控制的方式配置SRT3500的寄存器。在SRT3500中,寄存器一共有4個,其命名為RB[0:3],這些寄存器用以設(shè)置芯片的工作模式、本振頻率、參考頻率和分頻系數(shù)等。

在該系統(tǒng)中,以 21.25 MHz參考晶振、467.7MHz本振頻率的接收機(jī)為例,寫入寄存器的數(shù)值如下:

對于基帶系統(tǒng),其控制的核心是MCU,信號處理的核心是SCT3252中的DSP內(nèi)核,整個軟件系統(tǒng)分為待機(jī)、偵聽和發(fā)射3種模式,其軟件設(shè)計的總體流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程框架Fig.6 The process framework of software in the system

5 測試與應(yīng)用

本文介紹的無線數(shù)字窄帶通信系統(tǒng)已制成實物,并已經(jīng)通過測試。

(1)性能參數(shù)測試

測試儀器:安捷倫HP8920B綜合測試儀;

TX mode:工作頻率446 MHz,輸出功率0.4 W;

RX mode:接收靈敏度為-110 dBm(SINAD≥12 dB)。

選配合適的400～470 MHz的50 ΨSMA全向天線,天線增益為2.15 dB,采用REDOT 1050A數(shù)字駐波表測得最小電壓駐波比為1.3。

(2)通信距離測試

測試環(huán)境:復(fù)旦大學(xué)邯鄲校區(qū)(市區(qū)環(huán)境);

通信方式:點對點通信;

實測有效數(shù)字語音通信距離小于等于612 m。

測試結(jié)果表明,本文設(shè)計的系統(tǒng)通信效果良好,具有一定的實用性和參考價值,可應(yīng)用于數(shù)字對講機(jī)、無線數(shù)字廣播和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等常見的無線通信應(yīng)用場合。

6 結(jié)束語

本文介紹了一種新型無線數(shù)字窄帶通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法,通過理論推導(dǎo)和實際測試,證明了鎖相環(huán)兩點調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字無線通信系統(tǒng)的可行性。同時,本文運用的二次調(diào)制的方法也是一種能有效提高射頻系統(tǒng)有效帶內(nèi)功率的措施。與現(xiàn)有的單次調(diào)制單次變頻的窄帶數(shù)字通信方案相比,該方案具有更高的可靠性和頻帶利用率,在語音通信中效果更明顯。

本文僅對系統(tǒng)進(jìn)行了點對點的測試,該系統(tǒng)亦可通過頻分或時分的方式組網(wǎng)以擴(kuò)大應(yīng)用范圍,組網(wǎng)宜采用的路由策略和網(wǎng)絡(luò)最大系統(tǒng)容量有待進(jìn)一步研究。

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