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使用直接序列擴頻芯片SX043實現高增益擴頻Modem
摘要：介紹了高增益擴頻芯片SX043的特點、主要性能及用法，并以SX043為核心，設計實現了高增益擴頻Modem。關鍵詞：擴頻通信 PN碼 處理增益 直接序列擴頻芯片SX043 Modem
擴頻通信是當今國際上高新技術的熱點之一。擴頻通信是用PN碼對傳輸的信息進行調制，將其頻譜擴展后再傳輸，而在接收端使用相同的PN碼對接收到的信息進行解調，恢復原始信息的一種通信方式。擴頻通信可使信噪比改善20到50多分貝，而且具有抗噪聲、抗干擾、抗衰落、抗多徑能力強，可以采用三分多址實現多址通信，易于多媒體通信組網，具有良好的安全通信能力等諸多優點，已在民用和軍事中被廣泛應用。
本文介紹一種利用美國AMI公司生產的直接序列擴頻芯片SX043制作的Modem。
1 SX043的性能及特點
SX043的主要特點有：
·具有可編程功能，通過內部108個寄存器的值控制芯片的收、發。
·完成直接序列擴頻基帶處理的全部功能。
·全雙工或半雙工通信。
·支持的調制方式有：BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK、QAM（8或16）。
·高達1Mbps（BPSK/DBPSK）、2Mbps(QPSK/DQPSK)、3Mbps(8QAM)、4Mbps(16QAM)的數據速率。
·可選長度為11碼片的Barker碼的最大碼長可達到2047的m序列或gold碼。
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SX043的突出優點是處理增益高。內部有收、發獨立的PN碼發生器，由11個移位寄存器組成，可產生m序列和gold碼序列，最大碼可達2047，因此SX043處理增益高達33.1dB。同時用戶可選擇與傳輸使用的m序列互相關值最小的另一m序列，它們的互相關值加上用戶設定的偏移值作為跟蹤、捕獲環路的基準值，從而使得同步的誤判率減小。用戶還可以通過設定寄存器值，在信息傳輸完成后，使捕獲跟蹤環路保持奪跟蹤狀態，繼續尋找一個新的同步頭。這個特性允許連續傳輸任意數量的數據塊，而不需要重新鎖定信息。由于SX043的內部時鐘為64MHz，因此在BPSK（DBPSK）方式下，可支持的最大數據速率為1MHz；在QPSK（DQPSK）方式下，可支持的最大數據速率為2MHz。
SX043通過相互獨立的輸入、輸出FIFO作為數據緩沖器與微控制器通信，它最大可存儲16個字節。通過FIFO可監督數據傳輸、接收的狀態，在數據傳輸完成、數據溢出或數據傳輸被強行放棄時發出中斷信號送入微控制器。用戶可通過SX043的內部寄存器查看FIFO的狀態，控制FIFO在何狀態下送出中斷。
SX043內部有包格式發生器，使用HDLC協議傳輸數據，也可以由用戶自定義協議通知收信方信息傳輸完成。如果在信息的傳輸過程中信息被放棄，SX043會發送放棄標志FF告知用戶。用戶還可以選擇是否對數據包的信息部分擾碼。SX043支持CRC-32和CRC-16兩種錯誤檢測方式，使用擾碼可增強數據傳輸的可靠性，消除長連0、連1現象，減小多徑干擾、碼間干擾等，但是使用擾碼會產生誤碼擴散現象。
2 SX043的內部結構
SX043的內部結構框圖如圖1所示。
由圖1可見，SX043由發送模塊、接收模塊、微控制器接口以及控制與標識寄存器組成。
發送模塊由時鐘發生器、PN碼發生器、深度為16字節的FIFO及信息處理模塊組成。SX043通過外部輸入的參考時鐘和其內部的鎖相環，可產生64MHz的穩定工作時鐘。此時鐘被寄存器TVCO-DIV的值加1所除，所為PN碼時鐘（最大可達到64MHz）。待傳信息由FIFO輸入后，經過打包、擾碼（可選）再與用戶設定的PN碼相乘后送出。
接收模塊由時鐘恢復電路、捕獲跟蹤環路、深度為16字節的FIFO、PN碼發生器及信息處理模塊組成。
SX043接收模塊內有一PLL，其中的相位檢測器一端輸入TX的4MHz的參考頻率，另一端輸入fVCO/16。因為VCO輸出64MHz時鐘，其被寄存器RN4中的值加1所除，得PN碼時鐘。
SX043接收模塊中，PN碼發生器產生的PN碼通過PN2引腳輸出，與接收到的擴頻信號相乘，再通過解調，產生接收信號強度指示信號（RSSI1、RSSI2）。此信號提供給捕獲跟蹤環路，完成對接收信號的正確接收。捕獲采用相位滑動法，跟蹤采用τ抖動鎖相環
電路。根據設定的滑動速率，PN2每次滑動碼元長度的1/2，同時電路對RSSI1抽樣，一旦其值大于PN碼捕獲的基準值，電路轉到跟蹤狀態，開始同步頭的檢測。若在連續的16個符號周期內，沒有檢測到同步頭，若在連續16個符號周期內，沒有檢測到同步頭，則返回到滑動狀態；若已檢測到同步頭，則電路進入τ抖動狀態。用戶可設定抖動速率，抖動幅度可選為相關峰值的%，從而使得接收端的PN碼始終與接收到的PN碼同步，正確接收發送來的信號。
接收到的信息通過解擾、解包后送入FIFO，由微控制器接口輸出。
微控制器通過微控制器接口將初始程序寫入，設置所有控制寄存器的值，并在數據傳輸和接收的過程中，監控各標識寄存器的值，從而控制SX043的狀態，保證信息傳輸的可靠性。
3 擴頻Modem的設計參數
綜合考慮了SX043的性能和電路的實現難易程度后，擴頻Modem的設計參數定為：
（1）為了實現高擴頻增益，保證數據速率不能太低，數據速率定為32kbit/s，使用碼長為1023的m序列，從而保證擴頻增益不低于30dB。
（2）采用BPSK調制方式。由于在SX043的內部擴頻，其輸出數據速率高達32Mbps，因而必須選用寬帶調制器。調制器中頻定為70MHz。
（3）由于解調是在解擴后完成，因而可降低對解調器中頻的要求，故選擇10.7MHz為常用中頻頻率。選此中頻是由于本設計中選用的是AMI公司生產的配合SX043使用的可編程解調芯片SX061，它支持的最大中頻為13MHz。也正是由于此原因，我們在接收端加入了混頻器，從而保證擴頻增益及數據傳輸的可靠性。
4 擴頻Modem的系統設計
4.1 Modem的結構圖如圖2所示，可分為發送、接收和控制三部分。
在發送部分，待傳數據經過微控制器送入SX043，變為寬帶信號后送入外部的BPSK調制器變為中頻信號的濾波，然后送入射頻發送部分，經過上變頻、濾波、功放后由天線發射出去。
在接收部分，接收來的信號經過低噪聲放大、下變頻、解擴及濾處理后，與SX043產生的接收PN碼相乘，變為窄帶信號，通過混頻器使信號中頻變為10.7MHz后，再經過濾波解調器處理后變為基帶信號。此信號送入SX043處理變為原數據后輸出。
在控制部分，用戶通過微控制器輸入、輸出數據，編寫SX043的內部寄存器值，控制系統時鐘，收、狀態。
4.2 軟件設計
軟件設計主要由兩部分組成：一部分是SX043內部寄存器值的讀寫控制程序，另一部分是SX061的控制程序。有關SX043及SX061各寄存器的詳細設置請參考這兩個芯片的技術資料。下面僅就SX043的幾個重要寄存器的設置進行說明。
4.2.1 發、收偽碼寄存器設置
對發、收偽碼控制的寄存器分別為TPNA、TPNB和RPNA、RPNB，它們各占用11bit。將11bit中的某一位或多位置1，便可設定某個長度的PN碼。例如，若將TPNA設為00100001000，則其為長度511的m序列。由于RPNB與RPNA的互相關值加上寄存器RFO中的值作為同步檢測的基準值，因而RPNB要選擇與RPNA互相關值最小的m序列，從而保證同步碼捕獲的準確性。
4.2.2 偽碼速率設置
發端的偽碼速率由20位寄存器TVCO-DIV控制；收端的偽碼速率由20位寄存器RV4A控制。當接收模塊啟動時，自動將RN4A中的值裝入RN4。由于SX043的工作頻率為64MHz，因此，若TVCO-DIV或RN4A的值為N，則偽碼的碼速率為64/（N+1）（Mchips/s）。
4.2.3 PN碼滑動幅度和抖動幅度的設定
在偽碼速率較高的情況下，當RN4A的值為1～10時，采用VCO抽頭控制器控制PN碼的滑動與抖動幅度，具體可通過寄存器RN3設定。VCO抽頭控制器內部可自行實現滑動，只要將RN3的第5位置1即可。RN3的第4位為1時，則使其產生抖動。由于VCO有14個抽頭。因此，每一個抽頭較前一個抽頭延時工作周期的1/14，即1.11ns。因而，選定超前或滯后的抽頭數（由RN3的0～3位確定）就可以設定抖動的幅度。例如，假設偽碼速率為32MHz，則T=31.25ns，若抖動幅度設為相關峰值的±10%，則應選的抽頭數為3.125ns/1.11ns≈3，將0011寫入RN3的0～3位即可。
在偽碼速率較低的情況下，采用RN4模塊設定PN碼的滑動及抖動幅度。滑動時環路自動將RN4B的值裝入RN4、超前抖動時將RN4C的值裝入RN4、滯后抖動時將RN4D的值裝入RN4，改變PN碼的周期，從而產生滑動及抖動。
若滑動幅度為1/2碼元，則PN碼時鐘周期應增加50%，因而RN4B的值應為RN4A值的1.5倍。
若抖動幅度為相關峰值的±10%，則RN4C的值應為RN4A值的90%，因而RN4D的值應為RN4A值為110%。
電路經過調試，達到了比較理想的結果。假設輸入速率為32kbps的周期碼序列0111010（見圖3），在SX043內部與長度為1023的PN碼（見圖4）相“異或”后變為寬帶信號輸出（頻譜見圖5）；接收端將接收到的信號解擴、混頻，再經解調后輸入SX043處理、恢復出原信號。
使用SX043達到了30dB的處理增益及較高的數據傳輸速率；采用單片機89C51對其控制，工作方式靈活；采用大規模集成電路，集成度很高，因而結構簡單，體積較小。此Modem可以應用于無線局域網、專用數據網、數據信息處理及其它無線系統中。由于高增益，它還可以應用于軍事上。
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