一种新型无线数字窄带通信系统的设计与实现

高 翔,贾思强,杨 絮,陆起涌,2

(1.复旦大学 电子工程系,上海 200433;2.复旦大学 无锡研究院,江苏 无锡 214131)

1 引 言

众所周知,频谱资源是一种极其宝贵的自然资源,然而,随着无线通信技术和物联网技术的进一步发展,势必对现有的频谱资源造成巨大的影响和冲击。因此,在语音和中低数据率要求的通信应用中,采用数字窄带通信方式不失为一种经济实用的无线通信解决方案。一般而言,数字窄带通信具有频带利用率高、稳定性好、抗干扰能力强等优点[1],与传统的模拟窄带通信系统相比,具有更好的安全性、灵活性和可靠性。然而,现有的数字窄带通信方案形形色色,调制方式也多种多样,无统一的标准,并且功能单一,不同模块间兼容性差。近些年来,工作在ISM(工业 、科学 、医学)290～ 460MHz的免审批频段的幅度键控(ASK)数字通信系统已经得到广泛应用[2]。但是该方式对信道特性变化十分敏感,受无线信道衰落影响较大;而其他的数字调制方式,诸如FSK、MPSK、MSK和QAM等与其相比虽也有一定优势,但多数均是采用正交调制和相干解调的方式,其设备成本相对较高,在不同的场合下,也有各自的局限性[3]。本文介绍的系统是一种基于无锡士康通讯技术有限公司的SRT3500、SRT3300和SRT3602射频芯片和以SCT3252为核心的基带芯片构建的数字窄带通信系统解决方案。该方案将原本广泛应用于连续语音控制静噪系统(CTCSS)中的两点调制技术移植到数字通信系统中,并运用了二次调制的方式,可兼容欧洲通信标准协会的DPMR数字无线电标准协议。与其他的数字无线电协议标准相比,基于DPMR协议开发的数字窄带通信系统具有频带利用率高、覆盖范围大和电池寿命长等特点,非常适合应用于无基站的直通通信中[4]。

2 系统设计方案

2.1 射频系统

本方案的射频系统是由士康公司的射频专用芯片 SRT3500、SRT3300和 SRT3602构成。其中,SRT3500芯片集成了低噪声放大器、混频器、锁相环和VCO等模块,同时配置有寄存器,是一款可编程的射频收发芯片,它通过三线控制方式与MCU相连,TX部分采用锁相环频率调制,RX部分采用超外差接收方式,构成了整个射频系统的核心;SRT3300对中频信号完成第二中频的频率转换、限幅放大和鉴频等功能,与SRT3500一起使用可以构成一个完整的接收机;SRT3602是射频专用PA芯片,以满足远距离通信的要求。该三款芯片及其外围器件构成了本文介绍的完整射频系统,如图1所示。

图1 射频系统方案图Fig.1 Schematic diagram of RF system

2.2 基带系统

本方案的基带系统是由士康公司的SCT3252基带处理器芯片和Wolfson公司的WM8758B的codec芯片以及C8051F120单片机组成。其中,SCT3252芯片包含了欧洲通信标准协会的标准ETSI TS 102 490和ETSI TS 102 658中规定的DPMR的物理层、数据链路层以及大部分的呼叫控制层的内容[5-6],构成一个数字语音系统的基带信号处理部分。该芯片有DSP内核,用于数字滤波、语音编码、数据压缩等数字信号处理。对于语音信号,采用的是基于先进多带激励算法的AMBE2000的语音编解码方式。芯片内置有4FSK调制与解调器,可完成信号的基带调制。在基带系统中,SCT3252中的DSP内核和C8051F120单片机构成信号处理和控制核心。

基带系统的方案图如图2所示。

图2 基带系统方案图Fig.2 Schematic diagram of baseband system

3 系统原理分析

3.1 系统原理概述

以语音信号的通信为例,信源端的语音信号经WM8758B的codec芯片数字化后被送入SCT3252,先是进行信源编码,此时的数字语音信号经过AMBE编码压缩后获得码率为2 400 bit/s的语音编码,再通过信道编码,加入前向纠错数据,从而使数据码率变为3 600 bit/s,之后通过加入DPMR帧头和相关的协议控制信息,使得信息码率达到4 800 bit/s,最后该信号通过4FSK调制后进行增益调控,分两路进入射频系统。

在射频系统中,两路基带信号分别通过VCO和VCTCXO送入锁相环,锁定频率由MCU对SRT3500的寄存器配置设定,并对参考晶振分频后通过锁相环频率合成获得,本系统设计的射频频率是446MHz。两点调制后的射频信号被送入到SRT3602进行功率放大,经由输出匹配至天线。

在接收端,射频接收机采用的是二次变频的超外差方式,由天线获得的无线电信号先经446 MHz的声表面滤波器抑制镜频干扰后送入SRT3500的低噪放进行放大,进行第一次混频。在本设计中第一级本振频率为467.7 MHz,故对446MHz射频信号经差频后获得的第一中频信号为21.7 MHz,然后经过21.7 MHz晶体滤波器送入SRT3300进行二次变频,二次变频的本振频率为21.25MHz,故第二中频为450 kHz,第二中频信号经低通滤波后限幅送入鉴频单元,最终恢复出基带4FSK信号并将该基带信号送至SCT3252和WM8758B进行4FSK解调、信道解码、信源解码和D/A处理,最终获得源端语音信号。

数据信号的通信过程和语音信号类似,仅是略去了语音压缩和编码的步骤。

在整个系统中,除了数字通信系统必备的信源和信道编解码技术,两点调制和二次调制技术的应用是该无线数字窄带通信系统设计的关键。

3.2 系统关键技术分析

3.2.1 两点调制原理

在锁相环调频电路设计中,锁相环单点调制是无线模拟通信中一种常用的技术,但是其缺陷是信号的低频调制特性差[7]。而对数字通信系统,往往基带信号有大量的低频分量,不适合采用单点调制,故在本系统中采用了两点调制技术,可以有效地克服单点调制的这一弊病。两点调制的原理如图3所示。

图3 两点调制原理图Fig.3 Schematic diagram of two-point modulation

对以上两点调制的非线性模型可以进行简单的线性化处理,不妨设则当近似有,sin(θe(t))=θe(t)。

对于锁相环路的分析而言,传递函数具有重要的意义,锁相环有开环传递函数、系统传递函数和误差传递函数3类传递函数[8],分别为

可得

式中,sθ2(s)表示输出频率。而H1(s)显然是一个低通函数,所以对于TX1输入的调制信号具有良好的低频调制特性。

对于TX2,由如下方程:

可得

同样地,sθ2(s)表示输出频率,而 E(s)是一个高通函数,所以对于TX2输入的调制信号具有良好的高频调制特性。

综合以上系统函数的分析,将式(1)与式(2)相加,可以得到如下的结果:

因此,从理论上而言,选择合适的系数,可以使这种高通和低通的特性互相补偿,利用这种两点调制的方式可以得到较宽的基带信号调制后的FM信号,既满足了对调制系统的频率响应特性,又可以保证较高的载频稳定度[9]。本系统的两路基带信号从SRT3500的19号引脚Mod和VCTCXO的压控输入端进入。

3.2.2 二次调制技术

所谓二次调制技术,指的是数字信号经过两次调制后进入信道输送,这是一种提高数字通信系统可靠性和降低误码率的方法。在该系统中,由于数字码元的频谱范围较宽,受到无线传输信道的影响,导致接收到码元的信噪比较差。故在基带系统中增加合适的数字调制会有助于提高系统的可靠性。实验证明,以4FSK为基带信号的调频通信系统在传输速率合适时,只有频率交替的时间点会出现一定失真,其他时间点的波形很好,完全可用4FSK解调器解调出原始数字信号[10]。这种方法不仅实现了数字信号的有效传输而且能在射频发射功率一定的条件下提高接收端信号的信噪比,减少误码率。在本系统中,由SCT3252完成基带的 4FSK调制,由SRT3500完成射频FM调制。

4 系统硬件和软件设计

4.1 硬件系统设计

整体硬件系统的框图如图4所示,射频系统和基带系统通过3根连线相连,分别为Demodulation、Mod1和Mod2。SRT3500与MCU通过SRT3500规定的三线方式连接,SCT3252与MCU通过HPI总线方式连接,而WM8758B和SCT3252通过串口方式连接。

图4 系统整体原理图Fig.4 The schematic diagram of the entire system

在实际硬件系统的构建中,有以下几点尤其需要注意。

(1)SRT3500芯片VCO周围的LC tank非常敏感,由于高频电路线间的寄生电感和寄生电容的影响,在PCB板设计时,必须减短该部分的走线并采用良好的电磁屏蔽措施,而元件也必须用绕线电感和精度较高的电容。在本设计中,射频工作频率在446MHz,其tank值选择L=6.8 nH和 C=7.8 pF比较理想。

(2)图中R1可变电阻用于调节VCTCXO中的直流偏置,当将发射机的发射频率调整到446 MHz后,保证其不再变动,否则会影响射频工作频率和载频稳定度。

(3)两点调制的高低通频率补偿特性与Mod1和Mod2两路信号的幅度有关,只有当两路信号的幅度合适时才能够对数字信号进行调制和解调。在本设计中,一般Mod1信号的 Vpp为100 mV左右,Mod2信号的Vpp为1.3V左右能够达到比较理想的效果。

4.2 软件系统设计

射频部分的软件控制采用的是SRT3500定义的三线控制方式,在时钟信号的上升沿写入数据,数据的结尾以STB信号产生的短脉冲标识,其时序如图5所示。其中,CLK信号频率不超过1 MHz,最小时钟脉宽为0.2 μ s,DATA 信号最小建立时间为0.1 μ s,最小保持时间为0.2 μ s,STB标识信号的最小脉宽为0.2 μ s。

图5 SRT3500的三线控制时序Fig.5 The sequence chart of 3-wire in SRT3500

MCU对SRT3500用三线控制的方式配置SRT3500的寄存器。在SRT3500中,寄存器一共有4个,其命名为RB[0:3],这些寄存器用以设置芯片的工作模式、本振频率、参考频率和分频系数等。

在该系统中,以 21.25 MHz参考晶振、467.7MHz本振频率的接收机为例,写入寄存器的数值如下:

对于基带系统,其控制的核心是MCU,信号处理的核心是SCT3252中的DSP内核,整个软件系统分为待机、侦听和发射3种模式,其软件设计的总体流程如图6所示。

图6 系统软件流程框架Fig.6 The process framework of software in the system

5 测试与应用

本文介绍的无线数字窄带通信系统已制成实物,并已经通过测试。

(1)性能参数测试

测试仪器:安捷伦HP8920B综合测试仪;

TX mode:工作频率446 MHz,输出功率0.4 W;

RX mode:接收灵敏度为-110 dBm(SINAD≥12 dB)。

选配合适的400～470 MHz的50 ΨSMA全向天线,天线增益为2.15 dB,采用REDOT 1050A数字驻波表测得最小电压驻波比为1.3。

(2)通信距离测试

测试环境:复旦大学邯郸校区(市区环境);

通信方式:点对点通信;

实测有效数字语音通信距离小于等于612 m。

测试结果表明,本文设计的系统通信效果良好,具有一定的实用性和参考价值,可应用于数字对讲机、无线数字广播和无线传感器网络等常见的无线通信应用场合。

6 结束语

本文介绍了一种新型无线数字窄带通信系统的实现方法,通过理论推导和实际测试,证明了锁相环两点调制技术应用于数字无线通信系统的可行性。同时,本文运用的二次调制的方法也是一种能有效提高射频系统有效带内功率的措施。与现有的单次调制单次变频的窄带数字通信方案相比,该方案具有更高的可靠性和频带利用率,在语音通信中效果更明显。

本文仅对系统进行了点对点的测试,该系统亦可通过频分或时分的方式组网以扩大应用范围,组网宜采用的路由策略和网络最大系统容量有待进一步研究。

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