一个多媒体扩频通信系统的设计和实现

    摘要：介绍了一个多媒体扩频通信系统项目的设计和实现过程，并详细描述了如何用硬件实现点对点和点对多点的文件、语音、视频通信。

    关键词：扩频 PN码 通信口

在当今各种信息快速传递的时代，要求更多的通信功能和通信资源，而现在频带已经非常有限。为了提高频带利用率，要求单位波段能具有尽可能大的信息传输容量，移动通信从频分多址（FDMA）到时分多址（TDMA）一直发展到今天的码分多址（CDMA）。这种码分多址的技术基础就是扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication）。扩频通信技术可提供点对点或点对多点的数据、话音、图像服务以及广域网、局域网互连，Internet接入服务。本文介绍一个直接序列扩频无线通信系统，该系统既可作为CDMA无线多媒体通信系统的一部分，又可以作为一个单独的系统独立运行。

1 扩频通信技术及其特点

所谓扩频通信，简单地表述如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽，频带的展宽是通过编码及调制的方式来实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。系统原理如图1所示。

扩频通信具有一系列优良特性，诸如抗干扰性强、隐蔽性好、信息保密传输、任意选址、误码率低、抗多径干扰等。现有的扩频通信系统有多种（直扩、跳频、跳时），本项目使用直接序列扩频（DS）。直接序列扩频就是直接用具有高码率的扩频码序列，在发端去扩展信号的频谱，在收端用相同的扩频码去进行解扩。把展宽的扩频信号还原成原始信息。

2 系统框图及功能

系统框图如图2所示，操作人员将文字、语音、视频等信号输入计算机，系统用改进后的NETMEETING平台作为人机对话软件。NETMEETING将信号发至定义过的RS-232通信口，然后由与RS-232通信口相连接的扩频数字收发信机①进行扩频、调制成为伪随机序列码（频谱大大地扩展）再发射，通过微波（或卫星）建立键路；在接收湍，天线将信号收至信机②解扩、解调，并将信号转化为文字、语音、视频。这样可实现多人参与的视频会议。

3 扩频数字收发信机（简称信机）的设计

（1）利用zilog公司的Z2000扩频芯片设计了一种点对多点收发信机，具有与PC机的RS-232口通信的自适应波特率（最高2048kb/s）接口。可以实现由2.48MHz的带宽扩频至20.48MHz带宽。硬件结构框图如图3所示。

（2）该机器以89C52为系统核心处理器、以Z2000为主要功能芯片（实现扩频功能）、配合其他芯片完成基带处理部分。

当要传输数据时，PC机对RS-232通信口进行检测，而信机由RS-232口实现流控（具体的通信控制在第五部分）。当PC机收到有效信号后便发出数据，由RS-232口送入89C52，用时钟为2048kb/s的信号进行采样，经过Z2000的处理（先差分编码，再用20.48MHz的伪随机序列对数据进行扩频），然后用MAX2452产生70MHz的载波频率进行调制，产生一个数字化的中频QPSK输出信号，经过MAX436和单片放大后得到中频为70MHz的信号，DA转换后经中频电缆送到（经过一个多工器）射频部分上变频，进行射频调制并发送。

接收时，天线将扩频信号接收下来，射频模块将它解调、下变频，放大后送入信机（信机开机后处于自动搜索状态），主芯片Z2000的PN匹配滤波器筛选所接收到的信号，一旦检测到匹配数据将启动接收程序、进入接收状态，经过自动增益控制，再进行A/D转换将模拟信号变成两个（I和Q通道）数字信号，然后经Z2000处理得到2.048MHz的同步数据送入RS-232口。

    （3）主要芯片的功能

89C52：主机接口、帧格式化、设置扩频芯片的控制寄存器、缓冲存储器、通信协议、控制电路；

MAX233：由RS-232口电平到TTL电平的转换；

MAX497：视频缓存；

MAX436：视频运放；

MAX2452：是一个积分调节器，输入振幅为1.35V、带宽为15MHz的微分I和Q基带信号；输出为70MHz的微分信号。这里作为第一中断；

tp3067：勤务编解码器（语音处理）；

sn75108：线路驱动器；

cd4053：是一个三重双信道模拟多路复用器，作为模拟开关，切换信机的工作状态（勤务或数据）；

AD9059：是一个双路8位D/A转换器；

QL12X16B：现场可编程器件，用于速率控制、分接同步、时钟外围等；

CLC520;AGC,即自动增益控制；

多工器：主要有四种功能（射、收、发、遥控）。

4 计算机部分

整个系统的基本思路是在串行口上建立以太网仿真连接。完成后，串行口就是一个网卡，与普通网卡几乎一样，只是速度慢了。还有一点就是RTS线可以按照有无包发送来控制（笔者编了一个程序来控制，其中控制RTS/CTS应答时序的方法：控制发送等待时间，若有包发送，先拉高RTS，等待CTS高或者通过时间点（time-out），就发送出去。还有空闲等待时间，若在一定的时间内一直无包发送，就降低RTS，使信道机停止发送，让出信道。参数值1～255，时间长短与机器速度有关）。只要能实现这两点的驱动程序都可以用（只是为了简化要写的程序）。

程序流程图如图4所示。

Packet driver是一种简单且公开的Ethernet驱动接口。slx_rzk是一个完全的串行口Ethernet仿真程序（不是简单的点对点的slip或ppp），可以用于任意一点对多点。要改变packet driver的流控方式，只需要外挂一个壳就行了。这个壳就是sliprts（当然这个程序可以用到slip或ppp上）。但在windows中却无法直接使用packet driver。所以只能通过ODI搭桥，这个桥就是pdether，但它与windows并不是100%兼容，要用自己的net.cfg。所以必须在autoexec.bat中多加一句copy net_cfg.cfg，用来对付windows的霸道行径。配置好这些，再配好已存在的ODI适配器上的IP设置，两台PC的串行口用NULL MODEM线（交叉的RS-232线）连好。

另外，还使用经过改进的windows的NETMEETING作为多媒体通信的人机对话软件和主要通信软件。

5 通信口控制的修改

（1）通信口是根据计算机串行通信原理设计的。主要的通信控制在于RS-232C接口（Recommended Standard）的握手控制。本项目用到了它的七个控制信号，其中两根是自己端短接（DTR和DCD），只有检测到DCD有效，那些串口通信程序才工作，而PC机开机后DTR是有效的。它的RTS和CTS控制和PC机的工作（流控）。

（2）RS-232C接口的信号说明如表1所示。

表1 RS-232C接口的引脚说明

（3）在收发过程中的通信控制。信机检测RTS，如果为低则仅仅接收信号；如果为高则启动发送程序处于发送状态，同时PC机必须检测到CTS有效（表示信机准备好发送工作，若CTS无效可防止PC机发送数据，防止信机丢失数据）才将数据传入信机。

（4）点对多点的实现。利用全向天线作为主天线，定向天线为从天线，通过主PC机中一个（修改89C52中PN码的）控制软件达到选择多点的目的。

6 射频部分

射频部分原理图如图5所示。

其工作原理如下：

·发送端：信道机输出的70MHz中频扩频信号经过2340MHz混频调制到射频为2410MHz，再经带通滤波器、LPA后，由天线发射出去。

·接收端：天线接收到2450MHz的信号经过LNA、带通滤波器后，被2340MHz解调至110MHz的中频信号，再经中频电缆传到信道机。

·性能指标：

主端：Tx:2410MHz 从端：Tx:2450MHz

Rx:2450MHz Rx:2410MHz

频宽：20.48MHz

接收天线的灵敏度：-86dBm@BER=10-6

7 参数的选定

接收主时钟频率：Fr=40.96MHz

取样频率：fSA=40.96MHz

中频频率：f1=10.7、70、0MHz

PN片速率：Rc=20.48MHz

发射主时钟频率：fT=45.056MHz

接收时基带取样频率：fq=40.96MHz

信息数据码率：rD=2.048MHz

PN匹配滤波器检测门限值：0.7

扩频增益：10