一個(gè)多媒體擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了一個(gè)多媒體擴(kuò)頻通信系統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并詳細(xì)描述了如何用硬件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的文件、語(yǔ)音、視頻通信。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻 PN碼 通信口

在當(dāng)今各種信息快速傳遞的時(shí)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(dòng)通信從頻分多址（FDMA）到時(shí)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(kuò)展頻譜通信（Spread Spectrum Communication）。擴(kuò)頻通信技術(shù)可提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)、話音、圖像服務(wù)以及廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)互連，Internet接入服務(wù)。本文介紹一個(gè)直接序列擴(kuò)頻無(wú)線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可作為CDMA無(wú)線多媒體通信系統(tǒng)的一部分，又可以作為一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。

1 擴(kuò)頻通信技術(shù)及其特點(diǎn)

所謂擴(kuò)頻通信，簡(jiǎn)單地表述如下：擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬，頻帶的展寬是通過(guò)編碼及調(diào)制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

擴(kuò)頻通信具有一系列優(yōu)良特性，諸如抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好、信息保密傳輸、任意選址、誤碼率低、抗多徑干擾等。現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)有多種（直擴(kuò)、跳頻、跳時(shí)），本項(xiàng)目使用直接序列擴(kuò)頻（DS）。直接序列擴(kuò)頻就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列，在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，在收端用相同的擴(kuò)頻碼去進(jìn)行解擴(kuò)。把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)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(yǔ)音、視頻等信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)用改進(jìn)后的NETMEETING平臺(tái)作為人機(jī)對(duì)話軟件。NETMEETING將信號(hào)發(fā)至定義過(guò)的RS-232通信口，然后由與RS-232通信口相連接的擴(kuò)頻數(shù)字收發(fā)信機(jī)①進(jìn)行擴(kuò)頻、調(diào)制成為偽隨機(jī)序列碼（頻譜大大地?cái)U(kuò)展）再發(fā)射，通過(guò)微波（或衛(wèi)星）建立鍵路；在接收湍，天線將信號(hào)收至信機(jī)②解擴(kuò)、解調(diào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)化為文字、語(yǔ)音、視頻。這樣可實(shí)現(xiàn)多人參與的視頻會(huì)議。

3 擴(kuò)頻數(shù)字收發(fā)信機(jī)（簡(jiǎn)稱信機(jī)）的設(shè)計(jì)

（1）利用zilog公司的Z2000擴(kuò)頻芯片設(shè)計(jì)了一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)收發(fā)信機(jī)，具有與PC機(jī)的RS-232口通信的自適應(yīng)波特率（最高2048kb/s）接口。可以實(shí)現(xiàn)由2.48MHz的帶寬擴(kuò)頻至20.48MHz帶寬。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

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

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

接收時(shí)，天線將擴(kuò)頻信號(hào)接收下來(lái)，射頻模塊將它解調(diào)、下變頻，放大后送入信機(jī)（信機(jī)開(kāi)機(jī)后處于自動(dòng)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(hào)，一旦檢測(cè)到匹配數(shù)據(jù)將啟動(dòng)接收程序、進(jìn)入接收狀態(tài)，經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益控制，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)變成兩個(gè)（I和Q通道）數(shù)字信號(hào)，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(jī)接口、幀格式化、設(shè)置擴(kuò)頻芯片的控制寄存器、緩沖存儲(chǔ)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(yùn)放；

MAX2452：是一個(gè)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(hào)；輸出為70MHz的微分信號(hào)。這里作為第一中斷；

tp3067：勤務(wù)編解碼器（語(yǔ)音處理）；

sn75108：線路驅(qū)動(dòng)器；

cd4053：是一個(gè)三重雙信道模擬多路復(fù)用器，作為模擬開(kāi)關(guān)，切換信機(jī)的工作狀態(tài)（勤務(wù)或數(shù)據(jù)）；

AD9059：是一個(gè)雙路8位D/A轉(zhuǎn)換器；

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

CLC520;AGC,即自動(dòng)增益控制；

多工器：主要有四種功能（射、收、發(fā)、遙控）。

4 計(jì)算機(jī)部分

整個(gè)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(gè)網(wǎng)卡，與普通網(wǎng)卡幾乎一樣，只是速度慢了。還有一點(diǎn)就是RTS線可以按照有無(wú)包發(fā)送來(lái)控制（筆者編了一個(gè)程序來(lái)控制，其中控制RTS/CTS應(yīng)答時(shí)序的方法：控制發(fā)送等待時(shí)間，若有包發(fā)送，先拉高RTS，等待CTS高或者通過(guò)時(shí)間點(diǎn)（time-out），就發(fā)送出去。還有空閑等待時(shí)間，若在一定的時(shí)間內(nèi)一直無(wú)包發(fā)送，就降低RTS，使信道機(jī)停止發(fā)送，讓出信道。參數(shù)值1～255，時(shí)間長(zhǎng)短與機(jī)器速度有關(guān)）。只要能實(shí)現(xiàn)這兩點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)程序都可以用（只是為了簡(jiǎn)化要寫(xiě)的程序）。

程序流程圖如圖4所示。

Packet driver是一種簡(jiǎn)單且公開(kāi)的Ethernet驅(qū)動(dòng)接口。slx_rzk是一個(gè)完全的串行口Ethernet仿真程序（不是簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的slip或ppp），可以用于任意一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)。要改變packet driver的流控方式，只需要外掛一個(gè)殼就行了。這個(gè)殼就是sliprts（當(dāng)然這個(gè)程序可以用到slip或ppp上）。但在windows中卻無(wú)法直接使用packet driver。所以只能通過(guò)ODI搭橋，這個(gè)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(lái)對(duì)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(tái)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(guò)改進(jìn)的windows的NETMEETING作為多媒體通信的人機(jī)對(duì)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(jì)算機(jī)串行通信原理設(shè)計(jì)的。主要的通信控制在于RS-232C接口（Recommended Standard）的握手控制。本項(xiàng)目用到了它的七個(gè)控制信號(hào)，其中兩根是自己端短接（DTR和DCD），只有檢測(cè)到DCD有效，那些串口通信程序才工作，而PC機(jī)開(kāi)機(jī)后DTR是有效的。它的RTS和CTS控制和PC機(jī)的工作（流控）。

（2）RS-232C接口的信號(hào)說(shuō)明如表1所示。

表1 RS-232C接口的引腳說(shuō)明

（3）在收發(fā)過(guò)程中的通信控制。信機(jī)檢測(cè)RTS，如果為低則僅僅接收信號(hào)；如果為高則啟動(dòng)發(fā)送程序處于發(fā)送狀態(tài)，同時(shí)PC機(jī)必須檢測(cè)到CTS有效（表示信機(jī)準(zhǔn)備好發(fā)送工作，若CTS無(wú)效可防止PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，防止信機(jī)丟失數(shù)據(jù)）才將數(shù)據(jù)傳入信機(jī)。

（4）點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。利用全向天線作為主天線，定向天線為從天線，通過(guò)主PC機(jī)中一個(gè)（修改89C52中PN碼的）控制軟件達(dá)到選擇多點(diǎn)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(jī)輸出的70MHz中頻擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)LNA、帶通濾波器后，被2340MHz解調(diào)至110MHz的中頻信號(hào)，再經(jīng)中頻電纜傳到信道機(jī)。

·性能指標(biāo)：

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(shí)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(shí)鐘頻率：fT=45.056MHz

接收時(shí)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(cè)門(mén)限值：0.7

擴(kuò)頻增益：10

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想基于簡(jiǎn)化無(wú)線通信的多媒體終端的制造。借助windows中NETMEETING平臺(tái)，并利用擴(kuò)頻技術(shù)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，并具有帶寬度、保密性能好、抗干擾能力強(qiáng)、任意選址、誤碼率低等許多優(yōu)點(diǎn)。