擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用

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(shè)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(kuò)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(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用;其相應(yīng)擴(kuò)頻處理芯片應(yīng)運而生并得到迅速發(fā)展，這為擴(kuò)頻通信的電路實現(xiàn)提供便利。

【關(guān)鍵詞】人防警報;擴(kuò)頻通信;m序列;ARM;

本文設(shè)計的人防警報就是在擴(kuò)頻通信理論的指導(dǎo)下，將直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和ARM技術(shù)相結(jié)合使人防警報實現(xiàn)改進(jìn)。本文以STANFORD TELECOM公司的擴(kuò)頻產(chǎn)品STEL-2000A芯片和三星公司的SCS2410A為主，設(shè)計了相關(guān)外圍接口電路和軟件模塊。設(shè)計中使用STEL-2000A芯片實現(xiàn)人防警報系統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)U頻。上電復(fù)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(kuò)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(jìn)行控制。并給出了以上系統(tǒng)設(shè)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(kuò)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(jìn)行控制。并給出了以上系統(tǒng)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。SA68D21以89S52單片機(jī)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(shè)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(shè)置頻點。所以實現(xiàn)通過SA68D21進(jìn)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(jìn)行實現(xiàn)串口通信即可。在系統(tǒng)設(shè)計中，因為無線數(shù)傳模塊和設(shè)備控制板是安放在一個機(jī)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(kuò)頻技術(shù)（Spread Spectrum， SS）的歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代中期，但是直到80年代初，擴(kuò)頻技術(shù)仍然主要應(yīng)用在軍事通信和保密通信中。擴(kuò)展頻譜通信（Spread spectrum communication），簡稱“擴(kuò)頻通信"，是一種信息傳輸方式。其特點為：傳輸信號帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)送出去的數(shù)字信息帶寬。利用擴(kuò)頻技術(shù)，系統(tǒng)頻率利用率比頻分系統(tǒng)要高。擴(kuò)頻技術(shù)是以仙農(nóng)（Shannon）公式作為理論基礎(chǔ)而發(fā)展的。仙農(nóng)公式：C=Wlog2（1+P/N） 根據(jù)該公式可導(dǎo)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(yīng)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(kuò)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(zhǔn)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(kuò)頻通信的主要技術(shù)指標(biāo)為：數(shù)據(jù)傳輸率：3.2 Kbps偽碼長度：;64bit擴(kuò)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(kuò)頻通信系統(tǒng)

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)與其他擴(kuò)頻通信系統(tǒng)相比較，實現(xiàn)頻譜擴(kuò)展方便，無論對通信、測距應(yīng)用，還是對其他應(yīng)用都很適合，是目前應(yīng)用最多、最廣泛的一種擴(kuò)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(kuò)頻通信是將待傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)被偽隨機(jī)碼（Pseudo Code）調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸，接收端則采用同樣的PN碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)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(kuò)展頻譜后，寬帶通信，再通過相關(guān)處理恢復(fù)成窄帶后，解調(diào)數(shù)據(jù)，因此具有偽隨機(jī)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(fù)用等突出優(yōu)點。偽隨機(jī)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(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(dá)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(kuò)頻，其長度和PN碼序列可編程控制，最長可達(dá)64位長; 可支持?jǐn)?shù)據(jù)速率高達(dá)2.048Mbps; 能源管理特性某些功能塊不工作時，可暫時關(guān)閉以降低能耗。

STEL-2000A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在發(fā)射端的關(guān)鍵部分是擴(kuò)頻模塊，發(fā)射時所用的擴(kuò)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(kuò)頻，成為兩路正交的I、Q兩路擴(kuò)頻信號。

在接收模塊的關(guān)鍵部分是數(shù)字下變頻和解擴(kuò)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(fù)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(kuò)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(yīng)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(guān)積分運算，由于PN碼的一個重要持性就是它的自相關(guān)系數(shù)很高，而互相關(guān)系數(shù)很低，所以只要相關(guān)的兩部信號的PN碼一致，就可以獲得相關(guān)積分的峰值，這就意味著解擴(kuò)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(shè)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(yīng)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(wù)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(shè)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(zhǔn)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(jī)的Windows的界面十分的相似。編寫在Windows CE下運行的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用程序設(shè)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(shè)計中串口1用于設(shè)備調(diào)試時目標(biāo)機(jī)和宿主機(jī)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(luò)中，主控中心設(shè)備和終端設(shè)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(dá)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(dāng)指定的事件發(fā)生時，由Windows CE發(fā)送消息給應(yīng)用程序，觸發(fā)WaitCommEvent（）函數(shù)返回，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

四、結(jié)論

設(shè)備具有可移動性。由于微處理器S3C2410A的低功耗，使設(shè)備不再需要CPU風(fēng)扇，F(xiàn)lash芯片的運用又替代了硬盤存儲器，所以設(shè)備不再受移動的限制。設(shè)備設(shè)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(shè)備可以采用電池供電。在城市供電受損時設(shè)備依然可以在電池和太陽能充電方式下繼續(xù)生存。設(shè)備采用TFT LCD和觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，提高了交互的效率、易于使用。具有良好的人機(jī)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(kuò)充性。

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