??? 摘? 要： 介紹STEL-2000A的特點、內部結構及性能，給出了它在一擴頻遙控系統中的應用實例，包括硬件設計和軟件設計兩部分，硬件部分著重STEL-2000A的接口設計，軟件部分著重STEL-2000A的內部編程。
??? 關鍵詞： 擴頻 PN碼 采樣 編程
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??? 近年來，隨著無線通信設備的迅猛增長，空間的電磁環境變得愈來愈復雜，相互間的干擾現象層出不窮。在對可靠性要求較高的場合，如保安、調度、指揮等，傳統的調幅、調頻通信系統，由于其抗干擾能力較弱，已不能很好地發揮作用。擴頻通信技術以其抗干擾能力強、保密性好、能抗多徑衰落、在采用低信號功率譜密度時對同頻段內其它通信設備干擾小等優點，在軍用民用通信領域均得到了廣泛的應用。STEL-2000A是美國Standford Telecom公司與Zilog公司聯合研制的單片全數字擴頻處理器，具有很強的信息處理能力，可應用于多種無線擴頻系統中，如無線局域網、無繩電話及其它數據傳輸和處理系統。
1 STEL-2000A的特點及結構
STEL-2000A的主要特點有：
????·在單片CMOS集成電路中完成直接序列擴頻及其突發包的調制解調等全部工作；
????·1bit數據可擴展成11～64位擴頻碼(chips)，最高擴頻碼率為22Mchips/s；
????·兩個完全獨立的64位的偽隨機碼序列分別用于同步頭和數據的擴展處理；
????·支持全雙工和半雙工操作，可實現頻分雙工和時分雙工；
????·可進行中頻直接采樣；
????·具有豐富的可編程功能使之支持各種工作模式；
????·具有功率管理的特點便于實施發射功率控制；
????·100腳的PQFP封裝，可使設備體積減小。
???? 圖1是STEL-2000A的結構框圖。它將數字下變頻器、PN匹配濾波器、差分解調器等集成在一個接收部分里，其輸入是經A/D轉換后的數字中頻信號RXIIN7-0和RXQIN7-0;發送部分包括差分BPSK/QPSK編碼器、PN碼調制器以及BPSK/QPSK調制器等，其輸出是送給外部D/A轉換器的數字中頻信號TXIFOUT7-0。
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????從結構上看，STEL-2000A采用數字匹配濾波器(數字相關器)實現擴頻信號的解擴，解決了一般擴頻系統為之付出重大代價的偽隨機碼同步問題。另外，它采用的差分解調方式，避免了相干載波的提取和相位模糊問題，簡化了系統的設計。
2 STEL-2000A的性能
STEL-2000A的PN碼長度為11～64bit，擴頻增益為10.4～18.1dB，能在一個符號周期內實現對偽碼的捕獲。本人用SPW通信系統仿真軟件對STEL-2000A的數學模型進行了仿真，得到了如下結果：
·數字匹配濾波器對擴頻信號的載頻來說是一個窄帶濾波器，只有輸入的信號為“零中頻”時，才能得到最大的相關峰值。如下變頻率頻差不為0，即載頻不為0時，數字匹配濾波器輸出的相關峰值會減小。頻差對相關峰值的影響見表1(PN碼長=64bit，PN碼速率=1.024Mchips/s)。
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????·AFC環路的鑒頻器具有正弦鑒頻特性，其鑒頻函數為：
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其中Δf為頻差，F為符號率(在DBPSK調制方式時等于數據傳輸率，DQPSK調制方式時為數據傳輸率的一半)。當f/F<0.5時，AFC環路能很好的鎖定。如符號率為16kbps時，允許的最大頻率差為8kHz。
·當PN碼長度和速率一定時，下變頻頻差和調制方式是影響STEL-2000A抗干擾性能的主要因素。假設信道只存在高斯白噪聲，在帶限2.5MHz、輸入信號S/N=0dB的情況下，作數據傳輸仿真實驗以考察系統的整體性能：當數據傳輸率為32kpbs、下變頻頻差為1.6kHz時、采用DQPSK調制方式時，作10000個數據的傳輸仿真實驗，結果出現58個數據錯誤。將下變頻頻差改為1kHz后，再作相同實驗，未出現數據錯誤;當數據傳輸率為16kbps、下變頻頻差為3.6kHz時，作10000個數據的傳輸仿真實驗，結果出現164個數據錯誤。將下變頻頻差改為2.6kHz后，再作相同實驗，未出現數據錯誤。由此證明，DBPSK調制方式的抗干擾性能比DQPSK方式強，但付出的代價是在相同帶寬條件下數據傳輸率降低了一半。
3 STEL-2000A的應用
下面介紹一個以STEL-2000A為核心的直接序列擴頻遙控系統，該系統的主要技術指標為：數據傳輸率16kbps。偽碼長度64bit，擴頻增益18dB，調制方式BPSK，發射載頻230MHz，帶寬2.048MHz。
3.1 發射機部分的硬件設計
圖2是遙控系統的發射機部分。它主要由STEL-2000A擴頻處理器、GMS90C31單片機、BPSK調制器和RF功放模塊等部分組成。GMS90C31是韓國LG公司生產的與8031完全兼容的單片機，具有40MHz的時鐘速度。它與外圍的EPROM2764程序存儲器、74AHC573地址鎖存器共同組成了基帶數據處理系統，完成STEL-2000A的初始化及控制、遙控指令幀的編碼等工作。圖中六位撥碼開關用來設置接收機的地址碼，使一臺發射機可同時遙控64臺接收機。
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????每條指令幀由一個15bit的突發數據包組成，指令幀的前6bit為地址碼，中間5bit為指令碼，后4bit為糾錯碼。利用匹配濾波器能夠在一個調制數據的時間內完成捕獲的功能，一個突發數據包只需一個捕獲/前置符作為同步頭，后面可跟任意長度的同步/數據符號，幀結構如下。
捕獲/前置符和同步/數據符所使用的PN序列是完成獨立的，因此捕獲/前置符可作為數據起始位置的標志，不需再加專門的幀同步信號。同步/數據符的相關峰可作為數據的位同步信號，因此在編碼時不需考慮連“0”、連“1”的情況。
STEL-2000A通過中斷方式從GMS90C31獲取指令幀數據。但由于其數據請求信號TXBITPLS為高電平有效，且寬度較窄(等于偽碼周期512ns)，不能可靠地觸發中斷，因此在GMS90C31的INT0端加入了反相器和單穩電路，將TXBITPLS變為較寬(約10μs)的負脈沖信號。STEL-2000A完成指令幀數據的差分編碼和擴頻處理工作，它將低速的基帶數據(16kbps〕變為高速的偽碼序列(1.024Mbps)，去調制外部的高頻本振信號，生成載頻為230MHz的DBPSK調相信號。RF功放模塊是自制的輸出功率1W的小功放，天線為230MHz螺旋全向天線。
3.2 接收機部分的硬件設計
圖3是遙控系統的接收機部分，主要由STEL-2000A擴頻處理器、GMS90C31單片機、A/D轉換器、90°功分器和RF模塊等部分組成。AD9057是單電源的高速8位A/D轉換器，最高采樣率80Msps，具有SSOP的小尺寸封裝，易于制版布線;90°功分器是成都亞光電工廠生產的GFHZ-2-14型，輸入頻率7～14MHz，它和兩塊AD9057組成了采樣率為45.056Msps的正交采樣結構，并與STEL-2000A中的復數下變頻器相配合，能消除混頻時的鏡像頻率，實現10.7MHz中頻信號的單邊帶下變頻;STEL-2000A擔負著中頻信號的數字下變頻、偽碼解擴、差分解調、AFC等繁重工作，它與GMS90C31單片機的界面為解調后的基帶數據;GMS90C31單片機完成基帶數據的處理工作，如地址識別、數據檢錯糾錯等。STEL-2000A的RXOUT端是數據輸出口，RXDRDY為同步時鐘，RXACTIVE是數據包的起止信號，其時序關系如圖4所示。
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RXACTIVE的反相信號與GMS90C31的INT0相連，當STEL-2000A收到數據包時，GMS90C31就會產生中斷INT0，完成接收數據包的準備工作。RXDRDY的負脈沖較窄(等于偽碼周期512ns)，為了提高中斷的可靠性，將其通過單穩態電路展寬(約10μs)后接到INT1上，使GMS90C31能可靠地對P1.6端的基帶數據進行中斷采集。RF模塊是自制的高靈敏度接收、變頻單元，輸出為10.7MHz的中頻信號，接收靈敏度-1000dBm。天線為配套的230MHz螺旋全向天線。
????在系統聯試時，將發射機的功率衰減30dB，使實際發射功率為1mW時，在500m的開闊距離上，接收機能正確接收發射機發出的遙控指令。另外，通過實驗測得，接收機能抗+3dB的同頻干擾，即干擾功率可比信號功率大3dB，由此證明擴頻系統的抗干擾能力較強。
3.3 軟件設計
????STEL-2000A具有豐富的可編程功能，其內部包含有87個狀態寄存器，編址為00H～56H，作為GMS90C31的擴展RAM區使用，通過GMS90C31向這些狀態寄存器寫入特定的值，可使STEL-2000A支持各種工作模式。發射機和接收機的軟件均包括GMS90C31初始化模塊、STEL-2000A初始化模塊、數據采集模塊和數據處理模塊四個部分。
GMS90C31初始化模塊主要完成輸入引腳的定義、裝入地址碼、設置中斷類型、設置數據采集的初始值等工作;STEL-2000A初始化模塊完成對其內部狀態寄存器的參數設置;數據采集模塊將輸入數據采集到GMS90C31內部RAM區的指定位置，并對采集的數據進行計數，到一定數量后停止采集;數據處理模塊的主要功能有：指令幀的編碼、數據檢錯和糾錯、地址碼識別等。這里由于篇幅的原因，不對各軟件模塊作詳細的介紹，只著重介紹一下軟件開發中的重點和難點：如何正確設置STEL-2000A 內部各寄存器的參數。這需要對系統的工作原理和數學模型有一定的了解和研究，有關這方面的情況請參見文獻[1]和[2]。
????STEL-2000A中接收部分的寄存器有64個，編址為00H～3FH，發射部分的寄存器23個，編址為40H～56H，可用單片機的MOVX@R0，A指令對這些寄存器的值進行修改。下面以接收部分為例介紹主要參數的設置情況。
·調制類型
????選擇BPSK方式，將36H的bit 1設為1;
????·偽碼控制
????同步偽碼和數據偽碼的長度均為64位，選擇時需注意偽碼的自相關特性和偽碼間的正交特性。偽碼系數用01(+1)和11(-1)表示。同步偽碼存于07H～16H的地址單元中，設置情況如下：
????地址：07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H 11H?
??? 參數：FFH F5H 77H 5FH 75H 7FH F5H 7DH D7H D5H F5H?
??? 地址：12H 13H 14H 15H 16H?
??? 參數：75H 77H 55H FDH 7FH?
??? 數據偽碼存于17H～26H的地址單元中，設置情況如下：
??? 地址：17H 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1EH 1FH 20H 21H?
??? 參數：FFH F7H 5FH 7FH F7H 55H F7H 57H DFH?
77H 5DH?
????地址：22H 23H 24H 25H 26H?
????參數：5DH 5FH 77H 57H D5H?
????數據偽碼的長度由2DH的bit 0～5確定，64位長的偽碼應設為3FH。需要注意的是不需設置同步偽碼的長度。
??? ·NC0控制
NC0的輸出頻率fNC0取決于中頻采樣率RXIFCLK和頻率控制字FCW。頻率控制字FCW存于03H～06H的地址單元中，其計算公式為：
????FCW=fNC0.232/RXIFCLK
????當RXIFCLK為45.056MHz，fNC0為10.7MHz時，可計算出FCW為3CCBA2E9。對于正交采樣模式，fNC0應為負頻率，因此取3CCBA2E9的補碼C3345D16作為FCW，將其低位裝入03H，高位裝入06H。
·采樣率控制
STEL-2000A規定基帶采樣率為偽碼速率的兩倍。當偽碼長度為64bit，數據速率為16Kbps時，基帶采樣率應為2.048MHz，它相對于中頻采樣率45.056M的分頻系數為22。因此，02H中的值應設為15H。
·突發控制
接收機工作在突發模式，當捕獲到同步頭后，解擴出一幀數據，然后又處于捕獲狀態。每幀數據的長度由2EH(低位)和3AH(高位)中的值決定。本系統的指令幀長度為15bit，因此2EH中的值設為11H，3AH中的值設為00H。
·門限設置
匹配濾波器相關峰檢測門限的設置對系統的整體性能有較大的影響。通過進行計算機仿真的結果和參考STEL-2000A開發板的數據，并結合具體的實驗情況，將捕獲門限和解擴門限設為00FFH。因此，29H和2BH中的值應設為FFH，2AH和2CH中的值應設為00H。
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參考文獻
1 Stanford STEL-2000A Data Sheet.Stanford Telecommunication Inc，1994
2 Z2000 Spread Spectrum Development Kit.Zilog Inc，1994
3 張毅剛，修林成.MCS-51單片機應用技術.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1991