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1、theSPreadSPectrumCommunicationSystemBasedonSTEL一20O0AAbstractWihthteswitfdeveloPmeniofmobileeommunieation，theITUadvaneesthesnatd耐orIMTZ000as止etagretorthe3rdgeneartionmobileeommunieationsystem.A刀dhtemostinfiueneingnadaPPlieativeeommunieationalteehnologiesbasedonCDMAaerWCDMA，edm2a000，nadTD一SCDMA.Andth
2、entheteehnologyofCDMAbasedonsPeradsPeetru们以hteoryPlaysaveryimPortnatorleinhtemobileeorn们。unieationalteehnolog，ywhiehindieatestheuseofofsPeradsPeeturmeomrnunleationteehniqueinhteeornmecrialfieldhasdeveloPedinioanewstage.Underhtisbackgorund，alotofafmousLSI(LargeSealeInetgrationofCicruits)mnauafctuerri
3、nhetworldhasdeveloPedhteirownsPerdasPeeturmehiPPorduetswhiehhavealotof丘mctions.TheirpaPearnaeesProvidehtepaPlieationofthesPerdasPeeturmeo们n们nunieationsystemamoreeonvenieniPlatofrm.Basedonstudyingnadreadingalotoferlativeliteratuers，thisPaPerdesignsnadrealiezsadireetsequeneesPredasPeeUrtmeommunication
4、basebnadsystemdePendonStnaofrdTeleeomeoproration，5newsPreadsPecturmehiPSTEL一200OAnadInieleoproartion，5AT89CS1.ThisPorjeetnaalysesnadexPatiatestheinterioreo心ugartionnadworkingPrineiPleofSTEL一2000A，nademPhasiezsontheimPortnatbloeksnadPivotaltechniquesinhteehiP.ThenitdesignshtesehemeofthesPredasPecturm
5、system，ineludinghteholistierfmaeofhtesystemnadtheehoieesofeureialPar别的eters.ThedesignofhtissehemedaoPtsASICehiPtouflfillthemainufnetionsofthesPreadsPecturmeonununieationsystemnadenabeeonortlledbysotfware.Theeicruit15simPlenadflexible.ThisdesignenauflfilhtedemnadsofdieffrentdatartnasmissionsPeed.ltae
6、eomPlisheshtedesignofhardwareeireuit，nadexPatiateshteePabailiytofeveyrehiPsinhtissystemnadthePeriPheryinteracfeeireuitbetweenhteseehiPs.AtfernaalysingnadPerdominatingtheeonirollingtimingoftheehiPnadthewokringPrinciPleofhtesystem，htisPpaerdesignshtesystemsotfwareineludinghtemainPrograrn们nebloek，thert
7、nasmissioneonrtolingbloeknadrhereeeivingeonrtollingbloek.AnditemPhasiezsonhowtosettheinnerregistersofSTEL一2000A.Atlast，debugging15doneonhtehardwarePlatofmr，nadhteeorreetwvaeofmrresultshvae摘要随着移动通信的迅猛发展，国际电联(IUT)提出了把IMTZ000标准作为第三代移动通信系统的发展目标。IMT2000标准化建议中最有影响和应用前景的就是基于扩频通信技术的W-CDMA、edmZaO00和TD一SCDMA。
8、这标志着扩频通信技术在移动通信领域的应用进入了新阶段。在这样的背景下，世界上很多著名的大规模集成电路芯片制造商纷纷推出了自己的专用扩频芯片产品。这些专用扩频芯片的功能都很强大，它们的出现为扩频通信系统的应用提供了更加便利的平台。本文在阅读和研究了大量相关文献的基础上，以美国StnaofdrTeleeom公司生产的最新扩频专用芯片STEL一2000A和Atmel公司的AT89C51为核心，设计实现了一个直接序列扩频通信基带系统。在该设计中，分析阐述了STEL一2000A内部结构和工作原理，重点分析了芯片中的各个重要模块与关键技术。接着进行了扩频系统方案设计，包括系统总体框架的设计和各种系统参数的
9、选择。该方案的设计采用AsIC芯片来完成扩频通信系统中的大部分主要功能，可以用软件进行控制，电路简单，使用灵活，能够满足不同数据速率的传输需要。完成了硬件电路设计，对系统中的各个芯片性能以及它们之间的外围接口电路进行了详细讨论。在分析掌握芯片控制时序和系统工作原理之后，进行了系统的软件设计，设计给出了主程序模块、发送控制模块和接收控制模块，并重点讨论了对STEL一2000A内部寄存器的设置。最后在硬件平台上进行了调试，得到了正确的波形结果。通过对本系统的软件和硬件的设计和调试，加深了对扩频通信系统中各个重要模块和各种关键技术的理解，并得到了一些有意义的结论。为今后我国研制具有自主知识产权的专用
10、扩频芯片积累了一定的实际经验。关键词:扩频通信;CMDA;S丁EL一200以;亿目录第1章绪论.11.1扩频通信技术概述.11.2扩频通信技术发展与现状.11.3专用扩频芯片研发现状.21.4本论文的研究内容.3第2章扩频通信系统.42.1扩频通信的基本原理.42.1.1扩频通信的理论基础.52.1.2扩频通信系统的指标.62.1.3扩频通信的特点.，62.1.4扩频通信的分类.，72.2直接序列扩频通信系统(DSSS).82.3扩频序列.102.3.1扩频码的选择.102.3.2m序列及相关特性.，.112.4扩频信号的捕捉与同步.，.巧第3章系统硬件平台设计.183.1系统总体方案设计.1
11、83.1.1系统总体构成.183.1.2系统参数设计.193.2器件选择.，.233.2.1扩频芯片.233.2.2高速D/A转换芯片.273.2.3高速刀D转换芯片.283.2.4控制芯片的选择.303.2.5电平转换芯片.313.3系统硬件接口电路.犯3.3.1STEL一2O00A与Ar89C51的接口.323.3.2STEL一20O0A与AD9708的接口.333.3.3STEL一Z000A与ADgO57的接口.343.3.4AI，89C51与PC机的接口.363.3.5制作PCB板的注意事项.363.4系统中的主要模块设计.38介生器.383.4.2输入输出处理器.383.4.3差分编
12、码器.383.4.4PN码发生器.393.4.5BPS幻QPSK调制器.，二，.403.4.6频率控制字寄存器和NCO.403.4.7下变频器.403.4.8数字匹配滤波器.413.4.9功率检测器.433.4.11差分解调器.433.5系统中的关键技术.，.，.，.，.，.，.，.，.，.443.5.1白化处理.443.5.2符号跟踪处理.453.5.3两种采样模式.463.5.3两种工作模式.483.6电路调试.483.6.1中频回环功能的应用.483.6.2STEL一Z000A中的测试点.49第4章系统软件设计.，.524.1系统软件的总体设计.52.42STEL一Z000A内部寄存器的
13、设置.534.2.1PN码的设定.554.2.2调制方式的设定.，.564.2.3采样模式及采样速率的设定.56.42.4NCO频率控制字(FCW)的设定.，.57.42.5突发数据包长度的设定.574.2.6相关峰检测门限的设定.574.3调试结果及分析.59第5章结论.65参考文献.66附录1电路板原理图.68附录2电路板PCB图.，.69附录3电路板.，.，.70ofsotfwarenadhardware，theeomprehensionoftheimPornattbloeksnadPivotalteehniquesinthe印readspeeturmeommunieationsyset
14、mhasbeeomedeePe.rAndsomeuseuflresultshvaebeenacquired.PraetiealexPerieneeshvaebeenaeemuulatedofrhtedeveloPmeniofsPeradsPeet几mehiPofourcountyrown.KyeW心rds:SPreadSPeetrumCommunication;CDMA;STEL一2000A了/Jr一.71，气，了7.致谢.研究生履历)路A心转换器，应用起来更加方便，可编程数据率最高也可以达到4MbPs，调制方式可以选择DBPSK或者DQPSK。值得一提的是stnaofdrTeleeom公司的
15、STEL一2000A，在这几款芯片中它的功能最为强大，使用时只需根据具体要求将功能寄存器设定为不同的值即可实现不同的工作模式，外围电路也相对简单。这些大规模集成电路的出现，使扩频设备的体积大大缩小，成本大幅度降低，电路设计也更为简单，功能更加齐全，可靠性更高。由于我国半导体生产工艺以及设计水平的相对落后，目前在扩频芯片研制领域，还没开发出自己的专用扩频芯片，只能使用国外现成的产品。而这些专用扩频芯片产品虽然功能都很强大，但是也存在着一定的局限。比如创门作为现成的AsIC产品，其内部电路与大部分功能都己无法改变，缺少针对不同应用环境所应具有的灵活性，也不便于系统以后的升级。另外在扩频系统被应用到
16、军事领域的情况下，使用这些国外的芯片产品，对于军事机密和国家安全来说，并不是一件好事。1.4本论文的研究内容本课题以STEL一Z000A为核心，采用AT89C51对它进行控制，辅以DA/、刀D等外围电路，设计实现了一个直接序列扩频通信系统。论文首先对扩频通信系统进行了介绍，着重介绍了直接序列扩频通信系统和扩频码序列。接着阐述了对系统硬件平台的设计，包括系统设计的总体方案、系统参数的设计、芯片器件的选择、各部分间的接口电路、系统中的主要模块和关键技术。最后设计出了系统的软件平台，重点介绍了对STEL一Z000A内部寄存器的设置。并对软硬件平台进行了调试，得到了正确的波形结果。1章绪论1.1扩频通
17、信技术概述enMA(eodenivisionMultipleAeeess)通信是利用互相正交(或尽可能正交)的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信，即码分多址通信。采用于利用相互正交(或尽可能正交)的编码去调制信号，会将原信号的信号频谱带宽扩展，因此，对这种调制方式的通信，又称为扩展频谱通信。扩展频谱通信(SPredaSpecturmCoTunIunciatino)是将待传送的信息数据被伪随机码(扩频序列:SPreadSqeuenc)e调制，实现频谱扩展后再传输;接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。显然，这种通信方式与一般常见的
18、窄带通信方式不同，是在扩展频谱后的宽带通信，再相关处理恢复成窄带信号后进行解调数据。因此，具有伪随机编码调制和信号相关处理两大特点。正是这两大特点，使扩展频谱通信方式有许多优点，如抗干扰、抗噪声、抗多径衰弱、能在低功率谱密度下工作、有保密性、可多址复用和任意选址、可高精度测量等。扩展频谱通信作为新型通信方式，特别引人注目，得到了迅速发展和广泛应用。，1.2扩频通信技术发展与现状扩频通信技术最早应用于军事领域。50年代美国麻省理工学院研究成功NoMAe(NoiseMo血lationnadeoerrlationsystem)系统，成为扩频通信研究发展的开端，从此，军事通信机关对军事通信、空间探测、
19、卫星侦察等方面广泛应用扩频通信方式的研究十分活跃。1985年5月美国联邦通信委员会F(CC)制订了民用公共安全、工业、科学与医疗和业余无线电采用扩频通信的标准和规范，明确规定公共安全用37MHz一952MHz，最大输出功率为ZW的电台;工业、科学和医疗用902MHz一928MHz、2.4GHz一2.SGHz、5.725GHz一5.85GHz三个频段，最大输出功率为IOOmW。世界各国相继行动，组织扩频通信专门研究机构和学术团体，开始了对扩频通信的深入研究和广泛应用。1999年，在火爆的移动通信领域，世界目光的焦点是3G(3drgneeration)标99年10月25日至11月5日在芬兰赫尔辛基
20、召开的TIU一RTGS/1最后一次会议顺利确定了3G无线接口标准，即IM-TZOOO无线接口技术规范建议(IM.TRSPC)，基于这一全球统一的标准，用户可以实现全球漫游。世界各国都提出了自己的建议和标准，其中最有影响的是欧洲的WCDMA、美国的edmZaooo以及我国提出的拥有自主知识产权的TD一SCDMA。2001年3月16日，TD一SCDMA标准被正式写入3GPPRelease4，这是TDSCDMA发展史上一个重要的里程碑。而基于扩频理论的CDMA技术更是成为国际电联3G标准的主流技术。从2004年开始，全球的3G市场开始快速发展。进入2005年，在3G商用网络建设上逐渐进入稳定增长的时
21、期，业务发展和用户数量继续快速增长，产业链和设备市场也越来越成熟。截至2005年6月底的统计数据显示，全球使用CDMAZ000IX和WCDMA等3G技术的用户已经达到了1.87亿人以上。2006年，随着我国3G牌照的发放，3G用户将迅猛增长，信息产业部预计到2006年底我国3G用户将超过1000万。随着技术的融合，业务需求的增长，最终在全球范围内3G将全面取代ZG网络。这样便确立了以扩频理论为基础的CDMA通信技术在当今移动通信领域中的稳固地位，把扩频CDMA通信的研究、应用和发展推向了一个全新的阶段。川234156171891.3专用扩频芯片研发现状目前，在专用扩频芯片研制领域，国外不少的公
22、司都推出了自己的产品。如美国AMI公司生产的直接序列扩频芯片SXO43，美国Harris公司的直接序列扩频基带处理芯片HSP3824，ZLOG电信公司生产的直接序列数字脉冲调制解调芯片287200，美国stnaofdrTeleeom公司生产的单片全数字扩频处理芯片STEL一2000A等。这些扩频芯片的功能很强大，比如SXO43扩频芯片具有可选长度为11位的Barker码和最长码长达2047的m序列或Gold码，在全双工或半双工方式下，具有高达IMbps(BpSK/DBpSK)、ZMbps(QpsE了DQpsK)、3Mbps(SQAM)、4MPb(sl6QAM)的数据速率，能完成直接序列扩频基带
23、处理的全部功能。而信号恢复成通常的基带信号，再使用通常!通信处理手段解调出发送来的信息数据D。显然，接收端不知道发送的扩频信卜所使用的伪随机编码时，要进行扩频解调是非常难办甚至不可能的。川Ll扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础是信息论中关于信息容量的香农定理:e=B109:(l+S/N)式中:C为信道容量(比特渺);B为信道带宽为信号平均功率。可见，增加系统的信息传输速率，增加信道带宽(B)增加信噪比侧N)来实现;当信道容量汾1)(赫兹);N为噪声功率;S即增加信道容量，可以通过C为常数时，带宽B与信噪比之间可以互换，即可以通过增加带宽(B)来降低系统对信噪比(别N)的要求，也可以通过增加信
24、号功率来降低信号的带宽;当带宽(B)增加到一定程度后，信道容量C不可能无限制地增加。因此，在无差错传输的信息速率则可以用足够宽的带宽来传输信号。C不变时，如信噪比很低，扩频通信的另一个理论基础是柯捷尔夫的抗干扰理论，息与差错概率的公式:其中得到的如下关于信Pe二(f习N0)份2)这个公式指出:差错概率凡是信号能量E与噪声功率频谱N0之比的函数。设信号频谱宽度为B，信息持续时间为T，信号功率为S二习T，噪声功率为N=B从，信息带宽为叮二/lT，则:几二fS(.T可N)二f/sN.)B(/M)份3)从上式可知:差错概率凡是输入信号与噪声功率比/sN和信号带宽与信息带宽比侧梦二者乘积的函数。也就是说
25、，对于传输一定带宽叮的信息来说，信噪比与带宽是可以互换的。它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处这一客观规律。总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍的带宽信号来传输信息，就是为了提高通信的抗千扰能力，即在强千扰条件下保证可靠安全地通信。扩频通信扩频通信系统2.1扩频通信的基本原理扩频通信一般是指用远远大于原始数据信号带宽的频带宽度来传输信息的技术。在信号发送端，首先将信息调制形成数据信号，该数据信号经扩频序列(S，飞adingSeuqneec)调制后，信号的频带被展宽，展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号经变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频
26、码序列去相关解扩，再经过信息解调恢复成原始信息输出。具有伪随机编码调制和信号相关处理两大特点。正是这两大特点，使扩展频谱通信方式有许多优点，如抗干扰、抗噪声、抗多径衰弱、能在低功率谱密度下工作、有保密性、可多址复用和任意选址、可高精度测量等。扩展频谱通信作为新型通信方特别引人注目，得到了迅速发展和广泛应用。ADl数据调制卜一叫扩频调制扩频解调l呻I数据解调卜州信息接收，一源式一信扩频编码发生器扩频编码发生器同步电路图2一1扩频通信的基本原理图F19.2一1Basietheo仃figuerofsPerdasPectrumcommunication扩频通信的基本原理如图分1所示。信息数据D经通常的
27、数据调制后变成带宽为B.的信号B(.为基带信号带宽)，用扩频序列发生器产生的伪随机编码P(N编码:pseudoNoiseCod)e去对基带信号作扩频调制，形成带宽为B:(B:B.)、功率谱密度极低的扩频信号，再发射。众多的通信用户，使用各自不同的伪随机编码，可以同时使用带宽为B:的同一频带。在接收端，首先使用与扩频信号发送者相同上的好处，这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。102LZ扩频通信系统的指标扩频通信系统有两个重要的性能指标:处理增益和干扰容限。1.处理增益(扩频增益)扩频通信系统的抗干扰性能在扩频和解扩的处理过程中得到提高，这种扩频处理得到的好处称之为扩频系统的处理增益，用G表示
28、，定义为接收相关处理器输出与输入信噪比之值，即:G，嘿镌蹂畏或G，二01s箫=Bd()奇份刃式中:乓为频谱扩展后的信号带宽，凡为频谱宽展前的信息带宽。在直扩系统中，处理增益也等于伪随机码速率凡与信息速率凡的比值，即扩频的倍数。扩频通信系统的抗干扰能力与扩频处理增益成正比。2干扰容限干扰容限指在保证系统正常工作条件下(系统输出信噪比一定)，接收机输入端能够正常承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，用从表示:_S、1M，一行一L+(万，。田田怪5)一_、，一。.，S、.一，、人二、_二_，.一、，、，一二、-一一式中:入为系统的损耗，(杀)n为系统输出端信噪比，G。为处理增益。干扰容限直N”-一p
29、-一”一-一”-一接反映了扩频系统接收机可能允许的极限干扰强度，当干扰机的干扰功率超过干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。因此它往往比处理增益更确切表征了系统的抗干扰能力。2L3扩频通信的特点扩频通信是通信领域中的一个重要发展方向，与传统的通信相比它具有如下特点:(1)抗干扰能力强对于各种形式人为的(如电子对抗中)干扰或其他窄带或宽带(扩频)系统有差异，在接收端进行相关解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被压缩。因此扩频系统具有极强的抗干扰能力。抗衰落能力强，信息传输可靠性高扩频信号占据的频带很宽，当由于某种原因引起衰落时，只会使一小部分频谱衰落，而不会使整个信号产生严重畸变。故具有抗频率选择
30、性衰落的能力。抗多径干扰能力强由于在扩频系统中增加了扩频调制与解扩过程，这样可以利用扩频码序列间的相关特性，在接收端解扩时用分集接收技术从多径信号中分离出最强的有用信号，或将多径信号中的相同码序列信号叠加，这样就可以有效地消除无线通信中多径干涉造成的信号衰落现象。保密性好由于扩频信号分布在很宽的频带内，功率谱密度很低，信号可以在强噪声背景下，甚至是有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信，这有利于减少对其他通信系统的干扰，同时降低了被窃听和被截获的机会。因而扩频系统具有很高的保密性。可以采用码分复用实现多址通信利用扩频码序列之间良好的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，在分配给不同用户不同码型的情况下，系统可以区分不同用户的信号，这样在同一频带上许多用户可以同时通话而互不干扰。提高了频带利用率。易于多媒体通信组网扩频系统是宽带系统，是一个透明的高速数字信道，可以传送语音、传真、数据和图像等综合业务。011”l2L4扩频通信的分类按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为以下几种:1.直接序列扩频(DriectSequene。s详eadSpe通信系统。就是采用高速率的直接序列伪随机码c勺氏l