摘? 要: 數字復接技術和無線擴頻技術是數據通信的兩大重要技術,本文闡述了利用這兩大技術實現擴頻E2無線中繼器的基本原理和設計方案,并介紹了一種提高數據傳輸速率的軟擴頻方法。

　　關鍵詞: 數字復接? 無線擴頻? 軟擴頻? 四相多元雙正交鍵控(QMBOK)

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　　隨著移動通信、個人通信技術的發展,無線通信技術成為發展的主流之一,無線通信產品具有廣泛的應用領域和巨大的市場潛力。本世紀五十年代提出的擴頻通信技術提高了無線通信的抗干擾性和保密性,已經成為物理層的主要通信手段?，F階段大部分無線擴頻產品滿足無線局域網IEEE802.11標準,利用ISM頻段傳輸數據速率1Mbps/2Mbps的數據流,但是,為了提高傳輸效率增強無線通信的競爭力,無線通信必須向高速方向發展。如果按照常規的DSSS擴頻方式提高速率必然大大增加帶寬,在帶寬有限的條件下,如何提高傳輸效率是許多無線開發商關注的問題。我們研制的擴頻E2無線中繼設備在這一領域進行了一定的嘗試。

1 擴頻E2無線中繼器的總體方案

　　擴頻E2無線中繼器的總體框圖如圖1所示。

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　　擴頻E2無線中繼器為全雙工方式。作為主端其功能框圖見圖1(a),來自程控交換機或路由器等有線設備的一次群或二次群數據流均為線路傳輸碼(HDB3碼),若輸入信號是二次群(E2)信號,經過碼型轉換,將HDB3碼解碼為NRZ碼;若輸入是一次群信號,則需經過復接和解碼兩個環節才能輸出碼型為NRZ碼的二次群信號。對該信號進行基帶擴頻,然后經過中頻調制和上變頻,饋至天線發送出去。從端是主端的逆過程,其功能框圖見圖1(b)。系統中的基帶部分、中頻和射頻部分均在控制器的控制下進行工作。

2 數字復/分接模塊設計

2.1 數字復/分接原理

　　數字復接的目的在于擴大傳輸容量提高傳輸效率。在主端進行復接,在從端進行分接恢復出原來的各支路信號。根據輸入信號的不同類型可以選用同步復接方式或異步復接方式,當輸入端的各支路信號來自同一鐘源,各支路上的數據流之間僅存在相位差而不存在頻差則采用同步復接;反之,如果各路數據流來自不同的鐘源,存在相差和頻差則需采用異步復接方式。本系統考慮到各支路信號可能來自不同的鐘源,但是各支路的標稱速率一致,故采用異步復接方式中的準同步方式。所謂的準同步數字復接是指:在復接側各支路先進行碼速調整,使其成為同步信號再同步復接;在分接側先同步分接,再恢復碼速。這里所說的碼速調整就是指人為地在各個待復接的支路信號碼流中插入一些脈沖而使各支路信號的瞬時速率同步,在收端按照復接插入的規則扣除掉插入的脈沖,人們常用正碼速調整方法。

　　準同步數字復接的幀結構如下:

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　其中F₁₁、F₂₁……F₁₃、F₂₃是幀同步碼,碼型為:11110000;F33、F43為告警位和備用位;C₁₁～C₄₁,C₁₂～C₄₂,C₁₃～C₄₃為四個支路的插入標志,“1”表示有插入,“0”表示無插入;V₁～V₄為插入脈沖,如不需插入時則傳送信息碼。

2.2 復/分接電路設計

　　早期的復接設備由分立元器件組成,完成一個二次群數字復/分接需要很龐大的電路支持,隨著LSI技術發展,二次群設備大大簡化。在國內,武漢郵科院研制出WG03復接芯片和WG02分接芯片,清華大學等單位也先后研制出了類似產品。這里我們選用了北京格林威通信公司的產品GW7600,它將分/復接功能集成到一塊芯片上,從而增強了可靠性,減小了體積。GW7600具有如下性能特點:

　　·既可用于二次群又可用于三次群進行準同步復/分接,符合ITU-T建議G.742和G.751;

　　·將復/分接集成為一片;

　　·內部集成數字式2.048MBPS和8.448MPBS速率的時鐘恢復電路;

　　·各支路和群路碼型都可以單獨選擇;

　　·具有完善的告警功能。

　　利用GW7600作為核心芯片所構成的復/分接電路原理框圖如圖2。

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　　其中初始化單元用來設置群路及各支路碼型(HDB3/NRZ),復接側及分接側雙單變換單元將HDB3碼的雙極性信號變為兩路單極性信號,告警信號單元按照G.741標準實時提供告警信號,時鐘單元用以提供復/分接電路必需的時鐘信號。系統加電后開啟初始化單元,進行初始化設置,然后系統自動完成復/分接功能。

3 基帶擴頻模塊

　　本設備需要對二次群信號進行透傳,因此要求基帶擴頻芯片必須滿足兩個條件:(1)吞吐量必須能夠處理二次群信號;(2)面向E2信號呈連續方式進行傳送。目前,國外許多從事專用集成電路開發研制的廠商先后研制出了具有不同特點的基帶擴頻處理芯片,但是大多數只能處理1Mbps、2Mbp、4Mbps數據流,比如:STEL2000、Z2000、SX043、HFA3824等芯片。HARRIS公司于1998年先后推出了HFA3860系列基帶擴頻處理芯片,它可以分別工作于1Mbps/2Mpbs/5.5Mbps/11Mpbs,通過分析最后確定采用HFA3860B作為本系統的基帶處理器。

3.1 HFA3860B簡介

　　HFA3860B是HARRIS公司1998年11月繼符合IEEE 802.11無限局域網標準的DSSS基帶處理器芯片HFA3824之后推出的能夠處理高速數據流的DSSS基帶處理芯片。它不僅對HFA3824具有一定兼容性,而且可以在2.4GHz ISM頻段上按照802.11的帶寬標準傳輸高速數據流,該芯片具有如下性能特點:

　　·擴頻增益:≥10dB;

　　·可編程數據速率:1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、11Mbps;

　　·單電源供電:2.7V～3.6V;

　　·擴頻調制方式:DPSK、DQPSK、MBOK、CCK;

　　·支持全雙工或半雙工操作;

　　·片內集成有A/D轉換器和RSSI電路;

　　·支持雙天線轉換。

3.2 QMBOK擴頻調制方式

　　HFA3860B可以采用不同的擴頻調制方式使其分別處理不同的標稱速率,本系統的吞吐量為8.448Mbps,

　　可以采用QMBOK擴頻調制方式。QMBOK(四相多元雙正交鍵控)是一種軟擴頻方式,它不同于一般的直擴方式,而是采用編碼方法完成頻譜的擴展,即用幾位信息碼元對應一條偽隨機碼進行調擴。QMBOK的擴頻過程如圖3所示。

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　　輸入數據通過擾碼器擾碼后,按照1.375MHz的時鐘將數據按符號送入多路器,多路器將1個符號分解為8bit,d₀～d₂,d₄～d₆各為一組。d₀～d₂,d₄～d₆分別送入兩個修正Walsh函數發生器,然后各輸出一個8位修正Walsh函數,d₃、d₇用對修正Walsh函數的原碼取代碼,這樣,可以在不增加設備復雜度的基礎上增加2bit的傳送量。數據傳換形式如下:

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　　其中,符號速率R_B=1.375MSPS;數據速率R_b=1.375×8=11Mbps；CHIP速率R_c=1.375×8=11Mchips/S。由此可以看出雖然數據速率提高了,但是由于其擴頻后的CHIP速率沒有變,所以對帶寬無影響。MBOK的解擴過程如圖4所示。

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　　解擴過程主要通過三個環節:相關運算、輸出極性鑒別和碼元判決三部分。待解擴I/Q支路信號分別與8個修正Walsh函數進行相關運算,在T時刻進行抽樣,經過極性鑒別器分離出信號的符號和絕對值信息送入碼元判決器,在碼元判決器中比較

|q1|～|q8|,取其最大值,經過修正Walsh函數表恢復出所對應的3位碼字,再結合符號位便可恢復出相應的4位信息,從而達到解擴目的。

　　修正的Walsh函數表見表1。

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　　這種調擴方式的擴頻處理增益包含兩部分:(1)帶寬減少所帶來的增益;(2)編碼增益1.6dB,所以PG=10.6dB。

3.3 HFA3860B在系統中的應用

　　HFA3860B的標稱速率為11Mbps,而本設備所要處理信號為8.448Mbps,能否將該芯片降速使用是個關鍵問題。通過對HFA3860B分析發現其各時鐘之間有一定的分頻關系,它的主時鐘MCLK額定頻率為44MHz,其它各時鐘信號均由其分頻得來,TXCLK為發送時鐘,RXCLK是接收數據時鐘,二者均是MCLK的4分頻。如果將主時鐘MCLK工作頻率降至33.792MHz,則TXCLK和RXCLK的工作頻率將降至8.448Mbps,HFA3860B便可工作在8.448Mbps速率下,從而滿足吞吐量的要求。再者,HFA3860B主要滿足802.11協議要求,進行包方式傳送,為了實現面向E2信號的連續方式傳送,可以利用FIFO進行緩存完成連續方式與包方式之間的轉換,原理圖如圖5所示。

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　　在圖中A、B兩點數據呈連續狀態,而在其它各處數據按包方式傳送,顯然每包的數據速率應大于8.448Mbps。這里如何設置FIFO的深度、每包的包長以及控制信號的配合問題是關鍵問題。另外,為了保證E2數據的頻率、相位具有繼承性,要求各部分的時鐘信號具有繼承性,因此,發端HFA3860B的主時鐘MCLK是從E2信號源時鐘5倍頻得來,收端HFA3860B的主時鐘由鎖相環跟蹤接收信號獲得,FIFO的時鐘由HFA3860B分頻、倍頻得來,這樣逐級繼承保證了時鐘關系不發生失真。

　　包方式傳送時的幀格式如下。

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4 中頻、射頻模塊

　　從系統性能考慮,我們選用Harris公司的芯片組HFA3724、HFA3624、HFA3524、HFA3424、HFA3925實現中頻調制/解調和上/下變頻功能,如圖6所示。在主端,可編程基帶處理器3860B輸出擴頻后的兩路正交信號(IOUT,QOUT),這兩路信號在HFA3724中以280MHz為載頻完成DQPSK/DBPSK中頻調制,已調中頻信號再經HFA3624上變頻至2.4GHz?ISM頻段,最后經HFA3925功率放大由雙工器饋至天線發送出去。在從端,通過天線選擇器選擇合適的接收天線接收信號,接收到的2.4GHz擴頻信號經收發轉換開關饋至低噪聲放大器HFA3424,經下變頻器HFA3624變頻為280MHz的中頻信號送入HFA3724,中頻信號再通過HFA3724解調成為基帶信號送入HFA3860B。

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　　綜上所述,無線通信向高速化發展是未來發展的大趨勢。在國外,已有廠家著手研制高速無線局域網產品,我們研制的擴頻E2無線中繼器在這方面作了一定嘗試。不難預測,高速無線通信產品必然具有廣闊的應用前景。

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參考文獻

1 HFA3860B數據手冊.HARRIS公司

2 李文海等編.數據通信技術.北京:人民郵電出版社

3 郭峰等編著.無限局域網.北京:電子工業出版社

4 GW7600數據手冊. 格林威通信技術有限公司

5 朱近康編著.擴展頻譜通信及其應用.合肥:中國