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使用直接序列扩频芯片SX043实现高增益扩频Modem
摘要：介绍了高增益扩频芯片SX043的特点、主要性能及用法，并以SX043为核心，设计实现了高增益扩频Modem。关键词：扩频通信 PN码 处理增益 直接序列扩频芯片SX043 Modem
扩频通信是当今国际上高新技术的热点之一。扩频通信是用PN码对传输的信息进行调制，将其频谱扩展后再传输，而在接收端使用相同的PN码对接收到的信息进行解调，恢复原始信息的一种通信方式。扩频通信可使信噪比改善20到50多分贝，而且具有抗噪声、抗干扰、抗衰落、抗多径能力强，可以采用三分多址实现多址通信，易于多媒体通信组网，具有良好的安全通信能力等诸多优点，已在民用和军事中被广泛应用。
本文介绍一种利用美国AMI公司生产的直接序列扩频芯片SX043制作的Modem。
1 SX043的性能及特点
SX043的主要特点有：
·具有可编程功能，通过内部108个寄存器的值控制芯片的收、发。
·完成直接序列扩频基带处理的全部功能。
·全双工或半双工通信。
·支持的调制方式有：BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK、QAM（8或16）。
·高达1Mbps（BPSK/DBPSK）、2Mbps(QPSK/DQPSK)、3Mbps(8QAM)、4Mbps(16QAM)的数据速率。
·可选长度为11码片的Barker码的最大码长可达到2047的m序列或gold码。
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SX043的突出优点是处理增益高。内部有收、发独立的PN码发生器，由11个移位寄存器组成，可产生m序列和gold码序列，最大码可达2047，因此SX043处理增益高达33.1dB。同时用户可选择与传输使用的m序列互相关值最小的另一m序列，它们的互相关值加上用户设定的偏移值作为跟踪、捕获环路的基准值，从而使得同步的误判率减小。用户还可以通过设定寄存器值，在信息传输完成后，使捕获跟踪环路保持夺跟踪状态，继续寻找一个新的同步头。这个特性允许连续传输任意数量的数据块，而不需要重新锁定信息。由于SX043的内部时钟为64MHz，因此在BPSK（DBPSK）方式下，可支持的最大数据速率为1MHz；在QPSK（DQPSK）方式下，可支持的最大数据速率为2MHz。
SX043通过相互独立的输入、输出FIFO作为数据缓冲器与微控制器通信，它最大可存储16个字节。通过FIFO可监督数据传输、接收的状态，在数据传输完成、数据溢出或数据传输被强行放弃时发出中断信号送入微控制器。用户可通过SX043的内部寄存器查看FIFO的状态，控制FIFO在何状态下送出中断。
SX043内部有包格式发生器，使用HDLC协议传输数据，也可以由用户自定义协议通知收信方信息传输完成。如果在信息的传输过程中信息被放弃，SX043会发送放弃标志FF告知用户。用户还可以选择是否对数据包的信息部分扰码。SX043支持CRC-32和CRC-16两种错误检测方式，使用扰码可增强数据传输的可靠性，消除长连0、连1现象，减小多径干扰、码间干扰等，但是使用扰码会产生误码扩散现象。
2 SX043的内部结构
SX043的内部结构框图如图1所示。
由图1可见，SX043由发送模块、接收模块、微控制器接口以及控制与标识寄存器组成。
发送模块由时钟发生器、PN码发生器、深度为16字节的FIFO及信息处理模块组成。SX043通过外部输入的参考时钟和其内部的锁相环，可产生64MHz的稳定工作时钟。此时钟被寄存器TVCO-DIV的值加1所除，所为PN码时钟（最大可达到64MHz）。待传信息由FIFO输入后，经过打包、扰码（可选）再与用户设定的PN码相乘后送出。
接收模块由时钟恢复电路、捕获跟踪环路、深度为16字节的FIFO、PN码发生器及信息处理模块组成。
SX043接收模块内有一PLL，其中的相位检测器一端输入TX的4MHz的参考频率，另一端输入fVCO/16。因为VCO输出64MHz时钟，其被寄存器RN4中的值加1所除，得PN码时钟。
SX043接收模块中，PN码发生器产生的PN码通过PN2引脚输出，与接收到的扩频信号相乘，再通过解调，产生接收信号强度指示信号（RSSI1、RSSI2）。此信号提供给捕获跟踪环路，完成对接收信号的正确接收。捕获采用相位滑动法，跟踪采用τ抖动锁相环
电路。根据设定的滑动速率，PN2每次滑动码元长度的1/2，同时电路对RSSI1抽样，一旦其值大于PN码捕获的基准值，电路转到跟踪状态，开始同步头的检测。若在连续的16个符号周期内，没有检测到同步头，若在连续16个符号周期内，没有检测到同步头，则返回到滑动状态；若已检测到同步头，则电路进入τ抖动状态。用户可设定抖动速率，抖动幅度可选为相关峰值的%，从而使得接收端的PN码始终与接收到的PN码同步，正确接收发送来的信号。
接收到的信息通过解扰、解包后送入FIFO，由微控制器接口输出。
微控制器通过微控制器接口将初始程序写入，设置所有控制寄存器的值，并在数据传输和接收的过程中，监控各标识寄存器的值，从而控制SX043的状态，保证信息传输的可靠性。
3 扩频Modem的设计参数
综合考虑了SX043的性能和电路的实现难易程度后，扩频Modem的设计参数定为：
（1）为了实现高扩频增益，保证数据速率不能太低，数据速率定为32kbit/s，使用码长为1023的m序列，从而保证扩频增益不低于30dB。
（2）采用BPSK调制方式。由于在SX043的内部扩频，其输出数据速率高达32Mbps，因而必须选用宽带调制器。调制器中频定为70MHz。
（3）由于解调是在解扩后完成，因而可降低对解调器中频的要求，故选择10.7MHz为常用中频频率。选此中频是由于本设计中选用的是AMI公司生产的配合SX043使用的可编程解调芯片SX061，它支持的最大中频为13MHz。也正是由于此原因，我们在接收端加入了混频器，从而保证扩频增益及数据传输的可靠性。
4 扩频Modem的系统设计
4.1 Modem的结构图如图2所示，可分为发送、接收和控制三部分。
在发送部分，待传数据经过微控制器送入SX043，变为宽带信号后送入外部的BPSK调制器变为中频信号的滤波，然后送入射频发送部分，经过上变频、滤波、功放后由天线发射出去。
在接收部分，接收来的信号经过低噪声放大、下变频、解扩及滤处理后，与SX043产生的接收PN码相乘，变为窄带信号，通过混频器使信号中频变为10.7MHz后，再经过滤波解调器处理后变为基带信号。此信号送入SX043处理变为原数据后输出。
在控制部分，用户通过微控制器输入、输出数据，编写SX043的内部寄存器值，控制系统时钟，收、状态。
4.2 软件设计
软件设计主要由两部分组成：一部分是SX043内部寄存器值的读写控制程序，另一部分是SX061的控制程序。有关SX043及SX061各寄存器的详细设置请参考这两个芯片的技术资料。下面仅就SX043的几个重要寄存器的设置进行说明。
4.2.1 发、收伪码寄存器设置
对发、收伪码控制的寄存器分别为TPNA、TPNB和RPNA、RPNB，它们各占用11bit。将11bit中的某一位或多位置1，便可设定某个长度的PN码。例如，若将TPNA设为00100001000，则其为长度511的m序列。由于RPNB与RPNA的互相关值加上寄存器RFO中的值作为同步检测的基准值，因而RPNB要选择与RPNA互相关值最小的m序列，从而保证同步码捕获的准确性。
4.2.2 伪码速率设置
发端的伪码速率由20位寄存器TVCO-DIV控制；收端的伪码速率由20位寄存器RV4A控制。当接收模块启动时，自动将RN4A中的值装入RN4。由于SX043的工作频率为64MHz，因此，若TVCO-DIV或RN4A的值为N，则伪码的码速率为64/（N+1）（Mchips/s）。
4.2.3 PN码滑动幅度和抖动幅度的设定
在伪码速率较高的情况下，当RN4A的值为1～10时，采用VCO抽头控制器控制PN码的滑动与抖动幅度，具体可通过寄存器RN3设定。VCO抽头控制器内部可自行实现滑动，只要将RN3的第5位置1即可。RN3的第4位为1时，则使其产生抖动。由于VCO有14个抽头。因此，每一个抽头较前一个抽头延时工作周期的1/14，即1.11ns。因而，选定超前或滞后的抽头数（由RN3的0～3位确定）就可以设定抖动的幅度。例如，假设伪码速率为32MHz，则T=31.25ns，若抖动幅度设为相关峰值的±10%，则应选的抽头数为3.125ns/1.11ns≈3，将0011写入RN3的0～3位即可。
在伪码速率较低的情况下，采用RN4模块设定PN码的滑动及抖动幅度。滑动时环路自动将RN4B的值装入RN4、超前抖动时将RN4C的值装入RN4、滞后抖动时将RN4D的值装入RN4，改变PN码的周期，从而产生滑动及抖动。
若滑动幅度为1/2码元，则PN码时钟周期应增加50%，因而RN4B的值应为RN4A值的1.5倍。
若抖动幅度为相关峰值的±10%，则RN4C的值应为RN4A值的90%，因而RN4D的值应为RN4A值为110%。
电路经过调试，达到了比较理想的结果。假设输入速率为32kbps的周期码序列0111010（见图3），在SX043内部与长度为1023的PN码（见图4）相“异或”后变为宽带信号输出（频谱见图5）；接收端将接收到的信号解扩、混频，再经解调后输入SX043处理、恢复出原信号。
使用SX043达到了30dB的处理增益及较高的数据传输速率；采用单片机89C51对其控制，工作方式灵活；采用大规模集成电路，集成度很高，因而结构简单，体积较小。此Modem可以应用于无线局域网、专用数据网、数据信息处理及其它无线系统中。由于高增益，它还可以应用于军事上。
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