一個多媒體擴頻通信系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

摘要：介紹了一個多媒體擴頻通信系統(tǒng)項目的設(shè)計和實現(xiàn)過程，并詳細描述了如何用硬件實現(xiàn)點對點和點對多點的文件、語音、視頻通信。

關(guān)鍵詞：擴頻 PN碼 通信口

在當今各種信息快速傳遞的時代，要求更多的通信功能和通信資源，而現(xiàn)在頻帶已經(jīng)非常有限。為了提高頻帶利用率，要求單位波段能具有盡可能大的信息傳輸容量，移動通信從頻分多址（FDMA）到時分多址（TDMA）一直發(fā)展到今天的碼分多址（CDMA）。這種碼分多址的技術(shù)基礎(chǔ)就是擴展頻譜通信（Spread Spectrum Communication）。擴頻通信技術(shù)可提供點對點或點對多點的數(shù)據(jù)、話音、圖像服務以及廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)互連，Internet接入服務。本文介紹一個直接序列擴頻無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可作為CDMA無線多媒體通信系統(tǒng)的一部分，又可以作為一個單獨的系統(tǒng)獨立運行。

1 擴頻通信技術(shù)及其特點

所謂擴頻通信，簡單地表述如下：擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬，頻帶的展寬是通過編碼及調(diào)制的方式來實現(xiàn)的，并與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用相同的擴頻碼進行相關(guān)解調(diào)來解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

擴頻通信具有一系列優(yōu)良特性，諸如抗干擾性強、隱蔽性好、信息保密傳輸、任意選址、誤碼率低、抗多徑干擾等?，F(xiàn)有的擴頻通信系統(tǒng)有多種（直擴、跳頻、跳時），本項目使用直接序列擴頻（DS）。直接序列擴頻就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列，在發(fā)端去擴展信號的頻譜，在收端用相同的擴頻碼去進行解擴。把展寬的擴頻信號還原成原始信息。

2 系統(tǒng)框圖及功能

系統(tǒng)框圖如圖2所示，操作人員將文字、語音、視頻等信號輸入計算機，系統(tǒng)用改進后的NETMEETING平臺作為人機對話軟件。NETMEETING將信號發(fā)至定義過的RS-232通信口，然后由與RS-232通信口相連接的擴頻數(shù)字收發(fā)信機①進行擴頻、調(diào)制成為偽隨機序列碼（頻譜大大地擴展）再發(fā)射，通過微波（或衛(wèi)星）建立鍵路；在接收湍，天線將信號收至信機②解擴、解調(diào)，并將信號轉(zhuǎn)化為文字、語音、視頻。這樣可實現(xiàn)多人參與的視頻會議。

3 擴頻數(shù)字收發(fā)信機（簡稱信機）的設(shè)計

（1）利用zilog公司的Z2000擴頻芯片設(shè)計了一種點對多點收發(fā)信機，具有與PC機的RS-232口通信的自適應波特率（最高2048kb/s）接口?？梢詫崿F(xiàn)由2.48MHz的帶寬擴頻至20.48MHz帶寬。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

（2）該機器以89C52為系統(tǒng)核心處理器、以Z2000為主要功能芯片（實現(xiàn)擴頻功能）、配合其他芯片完成基帶處理部分。

當要傳輸數(shù)據(jù)時，PC機對RS-232通信口進行檢測，而信機由RS-232口實現(xiàn)流控（具體的通信控制在第五部分）。當PC機收到有效信號后便發(fā)出數(shù)據(jù)，由RS-232口送入89C52，用時鐘為2048kb/s的信號進行采樣，經(jīng)過Z2000的處理（先差分編碼，再用20.48MHz的偽隨機序列對數(shù)據(jù)進行擴頻），然后用MAX2452產(chǎn)生70MHz的載波頻率進行調(diào)制，產(chǎn)生一個數(shù)字化的中頻QPSK輸出信號，經(jīng)過MAX436和單片放大后得到中頻為70MHz的信號，DA轉(zhuǎn)換后經(jīng)中頻電纜送到（經(jīng)過一個多工器）射頻部分上變頻，進行射頻調(diào)制并發(fā)送。

接收時，天線將擴頻信號接收下來，射頻模塊將它解調(diào)、下變頻，放大后送入信機（信機開機后處于自動搜索狀態(tài)），主芯片Z2000的PN匹配濾波器篩選所接收到的信號，一旦檢測到匹配數(shù)據(jù)將啟動接收程序、進入接收狀態(tài)，經(jīng)過自動增益控制，再進行A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號變成兩個（I和Q通道）數(shù)字信號，然后經(jīng)Z2000處理得到2.048MHz的同步數(shù)據(jù)送入RS-232口。

（3）主要芯片的功能

89C52：主機接口、幀格式化、設(shè)置擴頻芯片的控制寄存器、緩沖存儲器、通信協(xié)議、控制電路；

MAX233：由RS-232口電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換；

MAX497：視頻緩存；

MAX436：視頻運放；

MAX2452：是一個積分調(diào)節(jié)器，輸入振幅為1.35V、帶寬為15MHz的微分I和Q基帶信號；輸出為70MHz的微分信號。這里作為第一中斷；

tp3067：勤務編解碼器（語音處理）；

sn75108：線路驅(qū)動器；

cd4053：是一個三重雙信道模擬多路復用器，作為模擬開關(guān)，切換信機的工作狀態(tài)（勤務或數(shù)據(jù)）；

AD9059：是一個雙路8位D/A轉(zhuǎn)換器；

QL12X16B：現(xiàn)場可編程器件，用于速率控制、分接同步、時鐘外圍等；

CLC520;AGC,即自動增益控制；

多工器：主要有四種功能（射、收、發(fā)、遙控）。

4 計算機部分

整個系統(tǒng)的基本思路是在串行口上建立以太網(wǎng)仿真連接。完成后，串行口就是一個網(wǎng)卡，與普通網(wǎng)卡幾乎一樣，只是速度慢了。還有一點就是RTS線可以按照有無包發(fā)送來控制（筆者編了一個程序來控制，其中控制RTS/CTS應答時序的方法：控制發(fā)送等待時間，若有包發(fā)送，先拉高RTS，等待CTS高或者通過時間點（time-out），就發(fā)送出去。還有空閑等待時間，若在一定的時間內(nèi)一直無包發(fā)送，就降低RTS，使信道機停止發(fā)送，讓出信道。參數(shù)值1～255，時間長短與機器速度有關(guān)）。只要能實現(xiàn)這兩點的驅(qū)動程序都可以用（只是為了簡化要寫的程序）。

程序流程圖如圖4所示。

Packet driver是一種簡單且公開的Ethernet驅(qū)動接口。slx_rzk是一個完全的串行口Ethernet仿真程序（不是簡單的點對點的slip或ppp），可以用于任意一點對多點。要改變packet driver的流控方式，只需要外掛一個殼就行了。這個殼就是sliprts（當然這個程序可以用到slip或ppp上）。但在windows中卻無法直接使用packet driver。所以只能通過ODI搭橋，這個橋就是pdether，但它與windows并不是100%兼容，要用自己的net.cfg。所以必須在autoexec.bat中多加一句copy net_cfg.cfg，用來對付windows的霸道行徑。配置好這些，再配好已存在的ODI適配器上的IP設(shè)置，兩臺PC的串行口用NULL MODEM線（交叉的RS-232線）連好。

另外，還使用經(jīng)過改進的windows的NETMEETING作為多媒體通信的人機對話軟件和主要通信軟件。

5 通信口控制的修改

（1）通信口是根據(jù)計算機串行通信原理設(shè)計的。主要的通信控制在于RS-232C接口（Recommended Standard）的握手控制。本項目用到了它的七個控制信號，其中兩根是自己端短接（DTR和DCD），只有檢測到DCD有效，那些串口通信程序才工作，而PC機開機后DTR是有效的。它的RTS和CTS控制和PC機的工作（流控）。

（2）RS-232C接口的信號說明如表1所示。

表1 RS-232C接口的引腳說明

（3）在收發(fā)過程中的通信控制。信機檢測RTS，如果為低則僅僅接收信號；如果為高則啟動發(fā)送程序處于發(fā)送狀態(tài)，同時PC機必須檢測到CTS有效（表示信機準備好發(fā)送工作，若CTS無效可防止PC機發(fā)送數(shù)據(jù)，防止信機丟失數(shù)據(jù)）才將數(shù)據(jù)傳入信機。

（4）點對多點的實現(xiàn)。利用全向天線作為主天線，定向天線為從天線，通過主PC機中一個（修改89C52中PN碼的）控制軟件達到選擇多點的目的。

6 射頻部分

射頻部分原理圖如圖5所示。

其工作原理如下：

·發(fā)送端：信道機輸出的70MHz中頻擴頻信號經(jīng)過2340MHz混頻調(diào)制到射頻為2410MHz，再經(jīng)帶通濾波器、LPA后，由天線發(fā)射出去。

·接收端：天線接收到2450MHz的信號經(jīng)過LNA、帶通濾波器后，被2340MHz解調(diào)至110MHz的中頻信號，再經(jīng)中頻電纜傳到信道機。

·性能指標：

主端：Tx:2410MHz 從端：Tx:2450MHz

Rx:2450MHz Rx:2410MHz

頻寬：20.48MHz

接收天線的靈敏度：-86dBm@BER=10-6

7 參數(shù)的選定

接收主時鐘頻率：Fr=40.96MHz

取樣頻率：fSA=40.96MHz

中頻頻率：f1=10.7、70、0MHz

PN片速率：Rc=20.48MHz

發(fā)射主時鐘頻率：fT=45.056MHz

接收時基帶取樣頻率：fq=40.96MHz

信息數(shù)據(jù)碼率：rD=2.048MHz

PN匹配濾波器檢測門限值：0.7

擴頻增益：10

本系統(tǒng)的設(shè)計思想基于簡化無線通信的多媒體終端的制造。借助windows中NETMEETING平臺，并利用擴頻技術(shù)，使系統(tǒng)簡單、造價低廉，并具有帶寬度、保密性能好、抗干擾能力強、任意選址、誤碼率低等許多優(yōu)點。