摘要：擴(kuò)頻增益是在直接序列擴(kuò)頻技術(shù)中衡量擴(kuò)頻性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而偽隨機(jī)碼的長度又直接決定了擴(kuò)頻處理增益。文中介紹了SIRIUS公司生產(chǎn)的具有高擴(kuò)頻處理增益的直擴(kuò)芯片ASTRASC2001的結(jié)構(gòu)和特點，同時介紹了由其構(gòu)成的長碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計原理，同時給出了該系統(tǒng)的軟件設(shè)計框圖。

關(guān)鍵詞：直接序列擴(kuò)頻； 擴(kuò)頻處理增益； 偽隨機(jī)碼； SC2001

分類號：TN914.42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1006-6977(2003)01-0032-03

1 概述

隨著CDMA技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(簡稱直擴(kuò)技術(shù))越來越被人們所熟悉。直擴(kuò)技術(shù)也因具有抗干擾和抗多徑能力強(qiáng)、保密性好、易于組網(wǎng)等諸多獨特的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。本文所介紹的ASTRA(Advanced Spread Spectrum Transceiver ASIC)芯片SC2001就是基于直擴(kuò)技術(shù)的具有高擴(kuò)頻處理增益的新一代專用集成芯片。ASTRA SC2001是比利時SIRIUS公司開發(fā)研制的直擴(kuò)芯片。該器件在單個芯片上集成了收、發(fā)模塊，可以工作在CDMA及非CDMA兩種模式，其PN碼長可達(dá)1023位(可獲得高達(dá)30dB的擴(kuò)頻處理增益)。由于SC2001的集成度高，故可以完成全雙工直擴(kuò)收發(fā)機(jī)物理層的所有功能，并具有較高的吞吐率。因此，可在衛(wèi)星、導(dǎo)航、測距移動通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
2 ASTRASC2001的結(jié)構(gòu)特點

ASTRA SC2001是一個功能很強(qiáng)的可編程擴(kuò)頻(直擴(kuò))處理芯片，它主要由發(fā)射單元和接收單元兩部分組成，其內(nèi)部邏輯如圖1所示。其中發(fā)射單元主要由數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換單元、擴(kuò)頻單元、升余弦濾波器(完成波形成形及8倍過采樣功能)、保持功能單元(零階插值濾波器)、電平控制單元、數(shù)字上變頻及調(diào)制器組成；接收單元則由增益控制單元、數(shù)字下變頻器、抽取濾波器、接收升余弦濾波器(含8倍抽取功能)，早、中、晚(延遲)相關(guān)器、接收PN碼產(chǎn)生器和噪聲估計器等組成。另外，SC2001內(nèi)部還有接收、發(fā)送時鐘產(chǎn)生單元。

ASTRA SC2001可提供導(dǎo)頻信道(Pilot channel)和業(yè)務(wù)信道(Traffic channel)兩條信道。每條信道分別由同相支路(i支路)和正交支路(q支路)組成。信號由DSP以每組32比特的數(shù)據(jù)塊發(fā)至ASTRASC2001。到達(dá)的數(shù)據(jù)首先將根據(jù)不同的調(diào)制形式被轉(zhuǎn)換成不同的數(shù)據(jù)格式(如BPSK調(diào)制，32比特數(shù)據(jù)分配到每條信道的i支路；而對于QPSK調(diào)制，數(shù)據(jù)則平均分配到每條信道的i、q支路)，接著在擴(kuò)頻單元完成直接序列擴(kuò)頻，然后再經(jīng)過升余弦濾波器形 成波形，并將抽樣頻率提高至原來的8倍。接下來，再經(jīng)過零階插值使抽樣頻率提高至H倍(內(nèi)插因子H可編程，取值在1到1023之間)，這樣，總的抽樣率將被提升至原抽樣率的8 X H倍，以濾除DAC輸出信號中的鏡相頻率，并使上變頻器輸入信號的抽樣率和中頻載波的時鐘同步。，數(shù)據(jù)再經(jīng)過電平控制、數(shù)字上變頻及調(diào)制后輸出至寄存器DAC-DATA(8位)中，輸出為中頻信號。另外，ASTRASC2001還提供了擴(kuò)頻基帶信號輸出方式，即輸入信號只經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換及擴(kuò)頻就被輸出至寄存器DAC-DATA中，這樣利用片外的相關(guān)單元(主要是波形成形、上變頻及調(diào)制)就可將信號處理為中頻信號，從而提高ASTRA SC2001的使用靈活性，以滿足特殊用戶的需要。
在接收端，數(shù)據(jù)由寄存器ADC-DATA(8位)輸入，經(jīng)過增益控制、數(shù)字下變頻后進(jìn)入抽取濾波器(抽取因子D可編程，取值在1到1023之間)，然后信號被送入接收升余弦濾波器。這樣，從濾波器出來的信號即是抽樣率已恢復(fù)至原有抽樣率的擴(kuò)頻基帶信號(降低抽樣率的目的是為了減少多余的數(shù)據(jù)以提高計算效率)。，將信號與本地產(chǎn)生的PN碼進(jìn)行相關(guān)處理，即可完成信號的同步及解擴(kuò)。值得注意的是：ASTRA SC2001的接收單元提供了七個 滑動相關(guān)器來完成早、中、晚(延遲)相關(guān)數(shù)據(jù)的計算。同時結(jié)合DSP編程可以靈活地完成信號的捕獲、跟蹤及恢復(fù)。但用此種方法完成同步工作相對較慢。用戶如想獲得快速同步，可以采用片外FPGA器件構(gòu)成匹配濾波器。這種方法快可以在一個碼元的時間內(nèi)完成同步。

ASTRA SC2001的主要特點如下：

●具有完全可編程的PN碼序列，位數(shù)多達(dá)1023位，可獲得30dB的擴(kuò)頻增益；

●所有的控制參數(shù)均可由片內(nèi)的41個寄存器(不包擴(kuò)存儲PN碼的寄存器)通過軟件編程的方法進(jìn)行設(shè)置；

●可完成多種調(diào)制和解調(diào)方式，如BPSK、QP-SK、QPN、OQPN、OQPSK及差分DBPSK、DQPSK、DQPN、DOQPN、DoQPSK的調(diào)制和解調(diào)等；

●在47MHz的工作時鐘及非CDMA工作模式下，數(shù)據(jù)速率可達(dá)11．75Mbits／s；

●具有片內(nèi)可編程的抽樣頻率及載波頻率；

●可為片外處理器及同步／解調(diào)器提供方便靈活的32比特接口；

●可提供同步CDMA、異步CDMA及非CDMA等多種工作方式；

●為CMOS全數(shù)字直接擴(kuò)頻收發(fā)機(jī)，采用3.3V工作電壓，功耗很低；

●采用100腳PQlP封裝形式。

3 基于SC2001的直擴(kuò)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

結(jié)合ASTRA SC2001的特點，筆者以TI公司的數(shù)字信號處理芯片TMS320C31和ASTRA SC2001為設(shè)計了一個長碼擴(kuò)頻系統(tǒng)。其原理如圖2所示。該系統(tǒng)首先將DSP進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，并用EPROM及RAM擴(kuò)展DSP的存儲空間，用數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成DSP的前向及后向通道。然后，根據(jù)ASTRASC2001的接口時序及TMS320C31的讀寫時序設(shè)計二者之間的接口電路，具體電路如圖3所示。系統(tǒng)中器件的選擇可根據(jù)數(shù)字信號處理器TMS320C31和ASTRA SC2001的工作頻率及工作特點而定。本系統(tǒng)中，TMS320C31的工作頻率是40MHz，EPROM用的是四片TMS27PC512-15(64k X 8)，RAM用的是八片CY7C194-15(64k X 4)。根據(jù)ASTRA SC2001的特點，選用的數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別是AD7821和AD7826，它們都是八位并行輸入。ASTRA SC2001的寄存器都有各自的12位地址，所以DSP對ASTRASC2001的讀寫操作相當(dāng)于對外部存儲器的操作。數(shù)據(jù)和控制信號均由C31通過32比特數(shù)據(jù)總線及12位地址總線傳給ASTRA SC2001。在接口電路中，CS為片選信號，當(dāng)其為低電平時，ASTRA SC2001進(jìn)入讀／寫工作模式。當(dāng)CS為高電平時，數(shù)據(jù)及地址總線上的信號無效。寫使能信號WE用于選擇是讀周期還是寫周期。當(dāng)為寫周期時，CS為低電平，且WE為高電平，12位地址信號及32位數(shù)據(jù)信號在DSP-STROBE信號的上升沿被ASTRA SC2001鎖定，然后被讀人ASTRA SC2001的內(nèi)部寄存器并進(jìn)行處理。ASTRA SC2001一般通過中斷請求輸入數(shù)據(jù)，即每隔32個碼元周期(單信道BPSK調(diào)制)或16個碼元周期(單信道QPSK調(diào)制)向TMS320C31發(fā)送請求信號DATA-RQ，并由該信號通過接口電路產(chǎn)生中斷請求INTO。此時，TMS320C31可通過調(diào)用相應(yīng)的發(fā)送中斷服務(wù)程序來將32比特數(shù)據(jù)寫入ASTRASC2001。在讀周期時，CS為低電平，WE也為低電平。ASTRA SC2001每經(jīng)過一個碼元時間，就會產(chǎn)生一個DATA-RDY信號(表明相關(guān)數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好)， 并由該信號通過接口電路產(chǎn)生中斷請求INTl。此時，TMS320C31可通過調(diào)用相應(yīng)的接收中斷服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)取走，從而完成TMS320C31與ASTRASC2001之間的數(shù)據(jù)傳送。

3. 2軟件設(shè)計原理及程序設(shè)計框圖

對ASTRA SC2001的控制可通過ASTRA SC2001和TMS320C31之間的接口來完成。本系統(tǒng)中的TMS320C31一般運行在微計算機(jī)／引導(dǎo)裝載程序狀態(tài)。當(dāng)TMS320C31復(fù)位后，通過程序引導(dǎo)裝載功能可將EPROM中的程序裝載到RAM中運行，以降低系統(tǒng)成本、方便系統(tǒng)設(shè)計。接著，TMS320C31通過預(yù)先設(shè)計的程序?qū)STRA SC2001進(jìn)行初始化。其中包 括向ASTRA SC2001的寄存器T-CDMA-C及R-CDMA-C中寫入發(fā)送和接收PN碼序列；向T-SEL-PSK及R-SEL-PSK發(fā)送控制字可以決定發(fā)送和接收的調(diào)制方式；而通過向T-CLK-NCO及R-CLK-NCO發(fā)送控制字則可決定系統(tǒng)發(fā)送和接收的工作頻率等。在對所需寄存器進(jìn)行設(shè)置以完成對ASTRA SC2001的初始化后，TMS320C31將啟動數(shù)模及模數(shù)變換器，同時啟動ASTRA SC2001并使它們保持同步。這樣，整個系統(tǒng)便進(jìn)入了工作狀態(tài)。圖4所示是其程序框圖。圖中，中斷仲裁單元負(fù)責(zé)解決INT0及INTl兩個中斷同時發(fā)生時所產(chǎn)生的沖突。因為ASTRA SC2001對解擴(kuò)后的數(shù)據(jù)可以暫存在片內(nèi)寄存器中，而不必馬上取走。所以，在仲裁單元中應(yīng)賦予發(fā)送中斷請求更高的優(yōu)先級。

4 結(jié)論

ASTRA SC2001是近年來少有的高集成度且功能非常強(qiáng)大的擴(kuò)頻芯片，由其構(gòu)成的系統(tǒng)可獲得很高的擴(kuò)頻處理增益，并可大大簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計。因此，在通信領(lǐng)域，特別是在W-CDMA和衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中，ASTRA SC2001會有很好的應(yīng)用前景。

　　1. 朱近康。擴(kuò)展頻譜通信及其應(yīng)用。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1993

　　2. Fumiyuki Adachi.Wideband DS-CDMA for Next-Generation Mobile Communications Systems.IEEECommunication Magazine,1998,（9）

　　3. ASTRA SC2001數(shù)據(jù)手冊。1998年3.0版

　　4. TMS320C3X USER′S GUIDE

　　5. TMS320C31 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TMS320C31_1036758.html.

　　6. EPROM datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/EPROM_1128137.html.

　　7. AD7821 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/AD7821_1131498.html.