一種新型無線數字窄帶通信系統的設計與實現

高 翔,賈思強,楊 絮,陸起涌,2

(1.復旦大學 電子工程系,上海 200433;2.復旦大學 無錫研究院,江蘇 無錫 214131)

1 引 言

眾所周知,頻譜資源是一種極其寶貴的自然資源,然而,隨著無線通信技術和物聯網技術的進一步發展,勢必對現有的頻譜資源造成巨大的影響和沖擊。因此,在語音和中低數據率要求的通信應用中,采用數字窄帶通信方式不失為一種經濟實用的無線通信解決方案。一般而言,數字窄帶通信具有頻帶利用率高、穩定性好、抗干擾能力強等優點[1],與傳統的模擬窄帶通信系統相比,具有更好的安全性、靈活性和可靠性。然而,現有的數字窄帶通信方案形形色色,調制方式也多種多樣,無統一的標準,并且功能單一,不同模塊間兼容性差。近些年來,工作在ISM(工業 、科學 、醫學)290～ 460MHz的免審批頻段的幅度鍵控(ASK)數字通信系統已經得到廣泛應用[2]。但是該方式對信道特性變化十分敏感,受無線信道衰落影響較大;而其他的數字調制方式,諸如FSK、MPSK、MSK和QAM等與其相比雖也有一定優勢,但多數均是采用正交調制和相干解調的方式,其設備成本相對較高,在不同的場合下,也有各自的局限性[3]。本文介紹的系統是一種基于無錫士康通訊技術有限公司的SRT3500、SRT3300和SRT3602射頻芯片和以SCT3252為核心的基帶芯片構建的數字窄帶通信系統解決方案。該方案將原本廣泛應用于連續語音控制靜噪系統(CTCSS)中的兩點調制技術移植到數字通信系統中,并運用了二次調制的方式,可兼容歐洲通信標準協會的DPMR數字無線電標準協議。與其他的數字無線電協議標準相比,基于DPMR協議開發的數字窄帶通信系統具有頻帶利用率高、覆蓋范圍大和電池壽命長等特點,非常適合應用于無基站的直通通信中[4]。

2 系統設計方案

2.1 射頻系統

本方案的射頻系統是由士康公司的射頻專用芯片 SRT3500、SRT3300和 SRT3602構成。其中,SRT3500芯片集成了低噪聲放大器、混頻器、鎖相環和VCO等模塊,同時配置有寄存器,是一款可編程的射頻收發芯片,它通過三線控制方式與MCU相連,TX部分采用鎖相環頻率調制,RX部分采用超外差接收方式,構成了整個射頻系統的核心;SRT3300對中頻信號完成第二中頻的頻率轉換、限幅放大和鑒頻等功能,與SRT3500一起使用可以構成一個完整的接收機;SRT3602是射頻專用PA芯片,以滿足遠距離通信的要求。該三款芯片及其外圍器件構成了本文介紹的完整射頻系統,如圖1所示。

圖1 射頻系統方案圖Fig.1 Schematic diagram of RF system

2.2 基帶系統

本方案的基帶系統是由士康公司的SCT3252基帶處理器芯片和Wolfson公司的WM8758B的codec芯片以及C8051F120單片機組成。其中,SCT3252芯片包含了歐洲通信標準協會的標準ETSI TS 102 490和ETSI TS 102 658中規定的DPMR的物理層、數據鏈路層以及大部分的呼叫控制層的內容[5-6],構成一個數字語音系統的基帶信號處理部分。該芯片有DSP內核,用于數字濾波、語音編碼、數據壓縮等數字信號處理。對于語音信號,采用的是基于先進多帶激勵算法的AMBE2000的語音編解碼方式。芯片內置有4FSK調制與解調器,可完成信號的基帶調制。在基帶系統中,SCT3252中的DSP內核和C8051F120單片機構成信號處理和控制核心。

基帶系統的方案圖如圖2所示。

圖2 基帶系統方案圖Fig.2 Schematic diagram of baseband system

3 系統原理分析

3.1 系統原理概述

以語音信號的通信為例,信源端的語音信號經WM8758B的codec芯片數字化后被送入SCT3252,先是進行信源編碼,此時的數字語音信號經過AMBE編碼壓縮后獲得碼率為2 400 bit/s的語音編碼,再通過信道編碼,加入前向糾錯數據,從而使數據碼率變為3 600 bit/s,之后通過加入DPMR幀頭和相關的協議控制信息,使得信息碼率達到4 800 bit/s,最后該信號通過4FSK調制后進行增益調控,分兩路進入射頻系統。

在射頻系統中,兩路基帶信號分別通過VCO和VCTCXO送入鎖相環,鎖定頻率由MCU對SRT3500的寄存器配置設定,并對參考晶振分頻后通過鎖相環頻率合成獲得,本系統設計的射頻頻率是446MHz。兩點調制后的射頻信號被送入到SRT3602進行功率放大,經由輸出匹配至天線。

在接收端,射頻接收機采用的是二次變頻的超外差方式,由天線獲得的無線電信號先經446 MHz的聲表面濾波器抑制鏡頻干擾后送入SRT3500的低噪放進行放大,進行第一次混頻。在本設計中第一級本振頻率為467.7 MHz,故對446MHz射頻信號經差頻后獲得的第一中頻信號為21.7 MHz,然后經過21.7 MHz晶體濾波器送入SRT3300進行二次變頻,二次變頻的本振頻率為21.25MHz,故第二中頻為450 kHz,第二中頻信號經低通濾波后限幅送入鑒頻單元,最終恢復出基帶4FSK信號并將該基帶信號送至SCT3252和WM8758B進行4FSK解調、信道解碼、信源解碼和D/A處理,最終獲得源端語音信號。

數據信號的通信過程和語音信號類似,僅是略去了語音壓縮和編碼的步驟。

在整個系統中,除了數字通信系統必備的信源和信道編解碼技術,兩點調制和二次調制技術的應用是該無線數字窄帶通信系統設計的關鍵。

3.2 系統關鍵技術分析

3.2.1 兩點調制原理

在鎖相環調頻電路設計中,鎖相環單點調制是無線模擬通信中一種常用的技術,但是其缺陷是信號的低頻調制特性差[7]。而對數字通信系統,往往基帶信號有大量的低頻分量,不適合采用單點調制,故在本系統中采用了兩點調制技術,可以有效地克服單點調制的這一弊病。兩點調制的原理如圖3所示。

圖3 兩點調制原理圖Fig.3 Schematic diagram of two-point modulation

對以上兩點調制的非線性模型可以進行簡單的線性化處理,不妨設則當近似有,sin(θe(t))=θe(t)。

對于鎖相環路的分析而言,傳遞函數具有重要的意義,鎖相環有開環傳遞函數、系統傳遞函數和誤差傳遞函數3類傳遞函數[8],分別為

可得

式中,sθ2(s)表示輸出頻率。而H1(s)顯然是一個低通函數,所以對于TX1輸入的調制信號具有良好的低頻調制特性。

對于TX2,由如下方程:

可得

同樣地,sθ2(s)表示輸出頻率,而 E(s)是一個高通函數,所以對于TX2輸入的調制信號具有良好的高頻調制特性。

綜合以上系統函數的分析,將式(1)與式(2)相加,可以得到如下的結果:

因此,從理論上而言,選擇合適的系數,可以使這種高通和低通的特性互相補償,利用這種兩點調制的方式可以得到較寬的基帶信號調制后的FM信號,既滿足了對調制系統的頻率響應特性,又可以保證較高的載頻穩定度[9]。本系統的兩路基帶信號從SRT3500的19號引腳Mod和VCTCXO的壓控輸入端進入。

3.2.2 二次調制技術

所謂二次調制技術,指的是數字信號經過兩次調制后進入信道輸送,這是一種提高數字通信系統可靠性和降低誤碼率的方法。在該系統中,由于數字碼元的頻譜范圍較寬,受到無線傳輸信道的影響,導致接收到碼元的信噪比較差。故在基帶系統中增加合適的數字調制會有助于提高系統的可靠性。實驗證明,以4FSK為基帶信號的調頻通信系統在傳輸速率合適時,只有頻率交替的時間點會出現一定失真,其他時間點的波形很好,完全可用4FSK解調器解調出原始數字信號[10]。這種方法不僅實現了數字信號的有效傳輸而且能在射頻發射功率一定的條件下提高接收端信號的信噪比,減少誤碼率。在本系統中,由SCT3252完成基帶的 4FSK調制,由SRT3500完成射頻FM調制。

4 系統硬件和軟件設計

4.1 硬件系統設計

整體硬件系統的框圖如圖4所示,射頻系統和基帶系統通過3根連線相連,分別為Demodulation、Mod1和Mod2。SRT3500與MCU通過SRT3500規定的三線方式連接,SCT3252與MCU通過HPI總線方式連接,而WM8758B和SCT3252通過串口方式連接。

圖4 系統整體原理圖Fig.4 The schematic diagram of the entire system

在實際硬件系統的構建中,有以下幾點尤其需要注意。

(1)SRT3500芯片VCO周圍的LC tank非常敏感,由于高頻電路線間的寄生電感和寄生電容的影響,在PCB板設計時,必須減短該部分的走線并采用良好的電磁屏蔽措施,而元件也必須用繞線電感和精度較高的電容。在本設計中,射頻工作頻率在446MHz,其tank值選擇L=6.8 nH和 C=7.8 pF比較理想。

(2)圖中R1可變電阻用于調節VCTCXO中的直流偏置,當將發射機的發射頻率調整到446 MHz后,保證其不再變動,否則會影響射頻工作頻率和載頻穩定度。

(3)兩點調制的高低通頻率補償特性與Mod1和Mod2兩路信號的幅度有關,只有當兩路信號的幅度合適時才能夠對數字信號進行調制和解調。在本設計中,一般Mod1信號的 Vpp為100 mV左右,Mod2信號的Vpp為1.3V左右能夠達到比較理想的效果。

4.2 軟件系統設計

射頻部分的軟件控制采用的是SRT3500定義的三線控制方式,在時鐘信號的上升沿寫入數據,數據的結尾以STB信號產生的短脈沖標識,其時序如圖5所示。其中,CLK信號頻率不超過1 MHz,最小時鐘脈寬為0.2 μ s,DATA 信號最小建立時間為0.1 μ s,最小保持時間為0.2 μ s,STB標識信號的最小脈寬為0.2 μ s。

圖5 SRT3500的三線控制時序Fig.5 The sequence chart of 3-wire in SRT3500

MCU對SRT3500用三線控制的方式配置SRT3500的寄存器。在SRT3500中,寄存器一共有4個,其命名為RB[0:3],這些寄存器用以設置芯片的工作模式、本振頻率、參考頻率和分頻系數等。

在該系統中,以 21.25 MHz參考晶振、467.7MHz本振頻率的接收機為例,寫入寄存器的數值如下:

對于基帶系統,其控制的核心是MCU,信號處理的核心是SCT3252中的DSP內核,整個軟件系統分為待機、偵聽和發射3種模式,其軟件設計的總體流程如圖6所示。

圖6 系統軟件流程框架Fig.6 The process framework of software in the system

5 測試與應用

本文介紹的無線數字窄帶通信系統已制成實物,并已經通過測試。

(1)性能參數測試

測試儀器:安捷倫HP8920B綜合測試儀;

TX mode:工作頻率446 MHz,輸出功率0.4 W;

RX mode:接收靈敏度為-110 dBm(SINAD≥12 dB)。

選配合適的400～470 MHz的50 ΨSMA全向天線,天線增益為2.15 dB,采用REDOT 1050A數字駐波表測得最小電壓駐波比為1.3。

(2)通信距離測試

測試環境:復旦大學邯鄲校區(市區環境);

通信方式:點對點通信;

實測有效數字語音通信距離小于等于612 m。

測試結果表明,本文設計的系統通信效果良好,具有一定的實用性和參考價值,可應用于數字對講機、無線數字廣播和無線傳感器網絡等常見的無線通信應用場合。

6 結束語

本文介紹了一種新型無線數字窄帶通信系統的實現方法,通過理論推導和實際測試,證明了鎖相環兩點調制技術應用于數字無線通信系統的可行性。同時,本文運用的二次調制的方法也是一種能有效提高射頻系統有效帶內功率的措施。與現有的單次調制單次變頻的窄帶數字通信方案相比,該方案具有更高的可靠性和頻帶利用率,在語音通信中效果更明顯。

本文僅對系統進行了點對點的測試,該系統亦可通過頻分或時分的方式組網以擴大應用范圍,組網宜采用的路由策略和網絡最大系統容量有待進一步研究。

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