基于嵌入式的智能射頻光傳輸模塊的設(shè)計(jì)

　　引言

　　在移動(dòng)通信迅速發(fā)展的今天，存在這樣的情況，即無論何種無線通信的覆蓋區(qū)域都將產(chǎn)生弱信號(hào)區(qū)和盲區(qū)，而對(duì)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)和用戶數(shù)不多的盲區(qū)，要架設(shè)模擬或數(shù)字基站成本太高，基礎(chǔ)設(shè)施也較復(fù)雜，在這種情況下，提供一種成本低、架設(shè)簡(jiǎn)單，卻具有小型基站功能的設(shè)備——直放站是很有必要的。因此，移動(dòng)通信服務(wù)商們開始在基地之外的建筑物內(nèi)部及地下等電波盲區(qū)設(shè)置直放站，以最大限度滿足用戶對(duì)于通話服務(wù)的要求。

　　光纖直放站主要由光近端機(jī)、光纖、光遠(yuǎn)端機(jī)幾個(gè)部分組成。光近端機(jī)和光遠(yuǎn)端機(jī)都包括射頻單元和光單元。信號(hào)的傳輸分下行鏈路和上行鏈路。在下行鏈路中，光近端機(jī)接收來自基站的無線信號(hào)，通過電/光轉(zhuǎn)換，電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，從光近端機(jī)輸入至光纖并傳輸?shù)焦膺h(yuǎn)端機(jī)，光信號(hào)再轉(zhuǎn)為電信號(hào)，進(jìn)入射頻單元進(jìn)行放大。信號(hào)經(jīng)過放大后送入遠(yuǎn)端天線發(fā)送出去，覆蓋目標(biāo)區(qū)域。上行鏈路的工作原理與下行鏈路類似，手機(jī)發(fā)射的信號(hào)通過遠(yuǎn)端天線至光遠(yuǎn)端機(jī)，再到近端機(jī)，回到基站。光纖直放站近端機(jī)的定向天線收到基站的下行信號(hào)(以GSM信號(hào)為例，頻段為935MHz-960MHz)送至近端主機(jī)，放大后送到光端機(jī)進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生波長為1550nm的光信號(hào)。因?yàn)楣饫w中傳輸有波長為1310nm的上行光信號(hào)，所以下行的1550nm的光信號(hào)要通過光波分復(fù)用器耦合到光纖中，最后經(jīng)光纖傳到遠(yuǎn)端機(jī)；遠(yuǎn)端光波分復(fù)用器將1550nm和1310nm波長的光信號(hào)分開后，讓1550nm波長的光信號(hào)輸入光端機(jī)進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，還原成下行射頻信號(hào)，再經(jīng)遠(yuǎn)端主機(jī)內(nèi)部功放放大，由全向天線發(fā)射出去送給移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)的上行信號(hào)(頻段為890MHz-915MHz)逆向送到基站，這樣就完成了基站與移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)聯(lián)系，建立通話。其原理如圖1所示。

圖1 光纖直放站的原理圖

　　光纖直放站系統(tǒng)因其使用特點(diǎn)，導(dǎo)致安裝調(diào)試工作較復(fù)雜，維護(hù)工作開銷巨大。為了增加系統(tǒng)的可靠性并降低系統(tǒng)安裝調(diào)試的復(fù)雜性，越來越多的直放站生產(chǎn)商都要求光模塊具有智能性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)直放站的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而方便工作人員進(jìn)行調(diào)試、維護(hù)和管理。本文討論了在傳統(tǒng)光模塊基礎(chǔ)上增加嵌入式單元的方法，以實(shí)現(xiàn)光模塊的智能化。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控電路是光模塊實(shí)現(xiàn)智能化的核心部分，圖2是本設(shè)計(jì)中光模塊的監(jiān)控系統(tǒng)框圖。該部分完成各監(jiān)控量的采集、控制等工作。本設(shè)計(jì)采用C8051F023型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)光模塊的嵌入式控制，它內(nèi)部集成了一個(gè)8位8輸入的ADC、一個(gè)10位8輸入的ADC和兩個(gè)12位DAC，非常方便對(duì)參數(shù)的采集和對(duì)壓控器件的控制。

圖2 光模塊的監(jiān)控框圖

　　在射頻信號(hào)的輸入和輸出端，功率檢測(cè)電路將耦合的射頻能量進(jìn)行放大，并實(shí)現(xiàn)功率/電壓轉(zhuǎn)換，再對(duì)產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在程序中采用查找表的方法，即可得到輸入/輸出的功率值。C8051F023根據(jù)檢測(cè)到的功率值，調(diào)整鏈路中的衰減值。在射頻信號(hào)輸入端，單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換控制壓控衰減器，而在輸出端，則通過程控衰減器控制信號(hào)增益。偏置電路為激光器（LD）的工作提供合適的驅(qū)動(dòng)電流。單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換采集到激光器的偏置電壓，在程序中光功率與電壓同樣采用查找表的方法直接轉(zhuǎn)換，而偏置電流則通過電壓與電流的線性關(guān)系轉(zhuǎn)換得到。當(dāng)某些因素導(dǎo)致激光器驅(qū)動(dòng)電流過大或過小時(shí)，單片機(jī)通過改變D/A輸出電壓來調(diào)整偏置電路的輸出電流，使激光器的發(fā)光功率維持在正常水平。另外，需加一個(gè)熱敏電阻監(jiān)測(cè)模塊的實(shí)時(shí)溫度，根據(jù)電壓與溫度值的關(guān)系曲線圖，可通過熱敏電阻的電壓值變化而采集出溫度值的變化情況。

　　數(shù)據(jù)傳送電路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用射頻收發(fā)芯片CC1000作為數(shù)傳芯片。CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù)制造出的可編程高頻單片收發(fā)芯片，主要用于工作頻帶在315MHz、868MHz及915MHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療）方面和SDR（短距離通訊）方面，可在300-1000MHz范圍內(nèi)通過編程工作，其主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變。CC1000芯片含有三條串行數(shù)據(jù)線接口，PDATA、PCLK、PALE用于配置內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)收發(fā)等功能控制，能夠與多種單片機(jī)(MSC51、ARM、AVR、PIC等)直接兼容連接。

　　CC1000與C8051F023的連接圖如圖3所示。單片機(jī)使用三個(gè)輸出管腳用于連接CC1000的三串行配置口（PDATA、PCLK、PALE），以配置CC1000的工作模式。其中PDATA必須是雙向管腳，用于程序數(shù)據(jù)的輸入輸出。信號(hào)接口由DIO和DCLK組成，在本設(shè)計(jì)中它們分別與單片機(jī)的TXD1和RXD1連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的半雙工式收發(fā)。管腳CHP_OUT用于監(jiān)視頻率鎖定狀態(tài)，當(dāng)CC1000內(nèi)部的PLL鎖定時(shí)，該引腳輸出高電平。另外單片機(jī)可通過A/D轉(zhuǎn)換檢測(cè)RSSI信號(hào)的強(qiáng)度。

　　近端模塊與遠(yuǎn)端模塊之間采用FSK通信，在圖3中，引腳RF_OUT和RF_IN分別用于發(fā)送FSK_OUT信號(hào)和接收FSK_IN信號(hào)。通信數(shù)據(jù)FSK_OUT由近端模塊中的CC1000發(fā)出，結(jié)合圖2可知，F(xiàn)SK_OUT信號(hào)通過耦合器耦合到射頻信號(hào)中，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換進(jìn)入光纖傳輸至遠(yuǎn)端模塊；在遠(yuǎn)端，光信號(hào)被還原為射頻信號(hào)，通過低通濾波得到FSK信號(hào)，此時(shí)稱FSK_IN信號(hào)，該信號(hào)被遠(yuǎn)端模塊的CC1000接收。遠(yuǎn)端模塊發(fā)送給近端模塊的數(shù)據(jù)依據(jù)同樣的原理傳輸。模塊之間的FSK通信大大提高了對(duì)光模塊的監(jiān)測(cè)和控制能力。

圖3 單片機(jī)與CC1000接口示意圖

　　C8051F023有兩個(gè)UART接口，在本設(shè)計(jì)中UART0與上位機(jī)通信，UART1則用于與CC1000的數(shù)據(jù)傳輸。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

　　軟件總體功能主要分為四個(gè)部分：參數(shù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)收發(fā)和性能控制。在主程序中采用兩個(gè)中斷：定時(shí)器中斷和串口中斷。定時(shí)器中斷實(shí)時(shí)采集參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；串口中斷實(shí)時(shí)收發(fā)上位機(jī)和FSK數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)命令的處理和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸。

　　主程序的結(jié)構(gòu)如圖4所示，程序?qū)ι衔粰C(jī)命令進(jìn)行鑒權(quán)處理之后，根據(jù)通信協(xié)議解析處理命令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

　　CC1000參數(shù)編程

　　CCl000作為數(shù)傳芯片，需要進(jìn)行參數(shù)配置以決定其工作性能，因而CC1000參數(shù)編程是一個(gè)重要的過程。通過可編程配置寄存器能改變以下主要參數(shù)：接收/發(fā)送模式、射頻輸出功率、射頻輸出頻率、FSK分頻、晶振參考頻率、傳輸速率和數(shù)據(jù)格式等。在本設(shè)計(jì)中，CC1000采用曼徹斯特編碼方式進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼和同步工作，這通過設(shè)置CC1000的MODEM1寄存器的參數(shù)完成。在同步編碼方式中，曼徹斯特編碼不需要鎖定平均值濾波器，傳輸效率高。設(shè)計(jì)要求CC1000采用11.0592MHz晶振，接收本振頻率為433.766MHz，發(fā)射中心頻率為433.916MHz（連發(fā)“1”）、433.948MHz（連發(fā)“0”），調(diào)制頻偏為32kHz，載頻穩(wěn)定度為10kHz。根據(jù)以上參數(shù)，可通過Chipcon公司提供的CC1000配置軟件SmartRF Studio來產(chǎn)生配置信息，這些配置信息將被輸入到單片機(jī)中。另外該軟件還可以提供輸入/輸出匹配電路和VCO電感所需的元件參數(shù)值。

　　完成配置信息后，要對(duì)CC1000進(jìn)行初始化，主要完成內(nèi)部寄存器的設(shè)置，初始化時(shí)需復(fù)位CC1000內(nèi)部寄存器。當(dāng)完成寄存器的設(shè)置后，為了避免芯片運(yùn)行過程中頻率產(chǎn)生的漂移，應(yīng)當(dāng)校正CC1000內(nèi)部VCO和PLL寄存器中的值。之后對(duì)MAIN寄存器進(jìn)行設(shè)置，將CC1000輸出功率初始值設(shè)為0，功耗模式設(shè)置為低電平模式，以降低功耗。初始化流程如圖5所示。

圖5 CC1000初始化流程圖

　　數(shù)據(jù)收發(fā)程序設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)的收發(fā)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收上位機(jī)數(shù)據(jù)，單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收CC1000數(shù)據(jù)和單片機(jī)向CC1000發(fā)送數(shù)據(jù)。這里僅討論單片機(jī)通過串口1接收中斷接收CC1000數(shù)據(jù)的過程，這是整個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)程序設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)與CC1000之間采用曼徹斯特同步模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。在發(fā)射模式下（單片機(jī)向CC1000發(fā)送數(shù)據(jù)），PCLK提供發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)，DIO用于數(shù)據(jù)輸入，CC1000自動(dòng)完成對(duì)數(shù)據(jù)的譯碼。在接收模式下，PCLK提供接收數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)，在DIO提供數(shù)據(jù)，CC1000自動(dòng)完成數(shù)據(jù)編碼和同步工作。

　　（1）數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

　　在曼徹斯特同步模式下，數(shù)據(jù)幀由訓(xùn)練碼、同步碼、前導(dǎo)碼和有效數(shù)據(jù)構(gòu)成。在本設(shè)計(jì)中，訓(xùn)練碼為連續(xù)交替出現(xiàn)的0和1，共40個(gè)；同步碼為連續(xù)出現(xiàn)的8個(gè)0；前導(dǎo)碼為連續(xù)的8個(gè)1。當(dāng)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)符合前面所有格式的數(shù)據(jù)時(shí)，接下來的數(shù)據(jù)就是要接收的有效數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)符合幀格式時(shí)，單片機(jī)才認(rèn)為該數(shù)據(jù)合格，從而進(jìn)行接收，這樣可以保證接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低傳輸誤碼率。

　　（2）串口1接收中斷服務(wù)程序

　　在通信過程中，CC1000具有三種狀態(tài)：IDLE（空閑）、RX（接收數(shù)據(jù)）、TX（發(fā)送數(shù)據(jù)）。由于CC1000與單片機(jī)之間是半雙工模式通信，因而RX與TX兩個(gè)狀態(tài)會(huì)互斥。數(shù)據(jù)的接收由串口中斷完成：UART0接收中斷接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)，UART1接收中斷則接收來自CC1000的數(shù)據(jù)。UART1中斷服務(wù)程序數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示。在接收過程中，為了避免數(shù)據(jù)幀長度過長的問題，當(dāng)接收的有效數(shù)據(jù)超過緩沖區(qū)空間時(shí)，單片機(jī)判定此幀無效。

圖6 UART1中斷服務(wù)程序

　　參數(shù)監(jiān)測(cè)與控制

　　單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換完成對(duì)參數(shù)的采集和數(shù)字化，這一過程由定時(shí)器中斷完成。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)，并通過PC機(jī)顯示出來。增益控制和偏置電壓則通過單片機(jī)的D/A轉(zhuǎn)換來控制。有關(guān)這方面的軟件設(shè)計(jì)，因篇幅有限不再贅述。

　　總結(jié)

　　嵌入式智能光模塊可以實(shí)現(xiàn)直放站近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)的遠(yuǎn)程光纖通信，在此基礎(chǔ)上，PC機(jī)只需通過RS232/485總線與近端機(jī)通信，便可完成對(duì)近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便了工作人員對(duì)直放站的調(diào)試和維護(hù)。經(jīng)測(cè)試，CC1000之間的FSK通信在20dB光衰條件下的誤幀率優(yōu)于0.1％，保證了監(jiān)控的可靠性。