STEL-2000A芯片在一种专用扩频通信系统中的应用

STEL-2000A芯片在一种专用扩频通信系统中的应用摘要：介绍使用STEL-2000A芯片设计一种工作在902-928MHz频率范围，适合多种环境，体积较小的扩频通信系统。着重介绍应用该芯片的专用扩频系统的一些性能指标。关键词：扩频；直接序列；参数；性能指标1引言采用扩频通信技术实现信号的ISM频段的无线传输，因其不需要申请使用频率、保密性好、抗干扰能力强等优点而广为使用。本文使用STEL-2000A设计研究一种工作在902-928MHz经范围，适合多种环境、体积较小的扩频通信系统。STEL-2000A是Stanford公司研制的一种直接序列扩频处理器。该芯片功能很强且与CPU接口十分方便，工作方式灵活，可以实现结构简单、性能可靠的扩频通信系统。2直扩系统直接序列扩频系统又称直接序列调制系统或伪噪声系统，将要求发送的信息用高速率伪随机码扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发送端相同的伪随机码序列对接收到地信号进行相关处理，恢复出耗来的信息。以STEL-2000A为核心，辅以A/D、D/A、智能控制器等若干外围器件的直接序列扩频系统框图如图1所示。其工作过程如下：要发送的信息通过STEL-2000A的TXIN端进入扩频处理器，进行数据的加扩、调制，由TXIFOUT端输出到D/A进行数模转换，转换后的模拟信号通过带通滤波、宽和大、射频收发信器，最后送至天线发送。天线接收到的射频信号经过射频滤波器BPF后，进入MAX2420的下变频器，然后进行放大得到中频信号。经采样、A/D变换后送至STEL-2000A由微处理器来控制，主要完成发送和接受状态的切换及STEL-2000A内部寄存器的设置。3STEL-2000A芯片简介STEL-2000A可完成全部的直接序列扩频突发调制解调，实现中频以下全数字化，性能可靠，集成度高；具有可编程功能，从而支持多种工作模式；在发送和接收模式中，能工作于超过11Mb/s的扩频速率；采用数字PN匹配滤波器，能在一个符号内完成捕获；对于捕获/前导符号和跟踪/数据符号，具有2个独立的可长达64chip的PN序列；全双工或半双工操作，可以进行双频或单频操作；具有功率管理，可以大大减少系统的功耗，便于设计，便携式终端等特点。4系统的重要参数选择用STEL-2000A实现直扩系统的关键一部是系统参数的选择。它受到该芯片性能、扩频系统要求等各方面限制。下面是用该芯片实现一个特殊扩频系统的几个重要参数。4.1收发数据率STEL-2000A可支持数据速率高达2.048Mb/s。本系统收发数据的数据率Rb选为40kb/s。4.2系统地址码一般来讲，对地址码的设计有如下要求：（1）好的相关特性。自相关的旁瓣和相互关系数小，这是获得较强干扰能力的前提。（2）在保证自相关和互相关特性的前提下，不同结构的码序列要足够多，使系统容量至少不至于受地址码个数的限制。（3）码序列的周期应足够长，以保证循环和多址间的干扰具有近似白噪声的特性。（4）码序列应便于捕捉，使同步建立时间应尽可能短。本系统采用周期为N=64的正交Gold码作为地址码，则扩频增益为18dB。4.3元线调制方式STEL-2000A提供QPSK和BPSK两种调制解调方式。BPSK调制方式抗干扰性能比QPSK强。但二者射频带宽相同时，QPSK调制方式的两倍。本系统采用发送端STEL-2000A片内差分编码，片外QPSK正交调制和接收端STEL-2000A内部相干解调的方案。采用中频频率30MHz。4.4扩频码速率按照FCC的规定，直扩信号的最小6dB带宽不小于500kHz。设扩频码采用伪随机码，可以看作是完全随机、1和0等概率且各态历经的，则其功率谱密度为：P（f）=A2Tc[(sinπfTc)/(πfTc)]2式中：A为扩频码的幅度；Tc为扩频码的码元宽度。根据上式算出Rc=1/Tc应该不小于420kb/s才能符合FCC的要求。扩频码速率的另一个限制因素是处理增益的要求。FCC要求直扩系统的处理增益应大于10dB，那么扩频码速率至少是信息码速率的10倍。所以系统中扩频码速率为Rb×N=40kb/s×64=2.56Mb/s。系统主时钟采用20.48MHz。4.5射频带宽直接序列扩频通信的扩频带宽取决于伪随机码的码速率和调制方式，规定射频带宽等于已调制信号功率谱的主瓣宽度。用QPSK调制方法，其功率谱的主瓣宽度在数值上等于伪随机码的速率Rc的两倍，即B=5.12MHz。4.6基带采样速率STEL-2000A规定基带采样速率应该是chip速率的2倍，保证2样点/chip。所以基带采样速率=2Rb×N=2×40kb/s×64=5.12Mb/s。5接收机的性能指标根据以上所选择的参数可以算出接收机的性能指标。其性能指标包括很多，这里主要介绍必需的载噪比、噪声系数、接收机的灵敏度和最小接收电平。5.1必需的载噪比[C/N]对于一般的数字频率的调制来讲，规定接收机解调后的基带信号的误比特率Pc≤10-3。要达到这个要求，基带归一化信噪比[Eb/N0]对不同的调制方式和编码方案是不同的。对QPSK调制方式来讲，要求[Eb/N0]为9dB左右。在扩频通信中，令扩频处理增益为G=Rc/Rb=B/2Rb，可得：如果系统G=64，那么[C/N]=-10dB。5.2噪声系数[NF]噪声系数[NF]是描述接收机内部噪声的重要指标，它等于输入与输出信噪比之比。由多级组成的接收系统噪声系数[NF]以分贝为单位表示如下：式中，L0为输入带通滤波器的插入损耗；[NF1]为首级低噪声放大器的噪声系数；Li为抑制镜频滤波器的抑制度；G1为首级低噪声放大器的功率增益；[NF2]为放大器的噪声系数。对于本系统有L0=2.0dB，[NF1]=1.0dB，Li=25dB，[NF2]=5.5dB，将这些参数代入公式计算得到系统的噪声系数近似为[NF]=5dB。5.3接收机灵敏度及最小接收电平接收机的灵敏度是指：以标准测试调制时，接收机输出端得到规定的载噪比，并且输出功率为50%额定功率，在接收机输入端所需的最小信号电平。它以输入电压或以输入功率表示。灵敏度的定义是在输入端无外界噪声或干扰的条件下测定的，因此只反映了接收机的内部噪声与输入、输出信噪比的关系，它只是无外界噪声或干扰的最小上接收电平。接收机的噪声系数正是描述内部噪声与输入、输出的关系。因此它也与接收机的灵敏度发生关系，知道接收机的噪声系数，可按下式换算出接收机的灵敏度，它以电动势e或以最小输入功率Pmin表示。式中：K为玻兹曼常数（1.37×10-23J/K）；T为信源的绝对温度（2900K）；B为信号带宽；[NF]为噪声系数；[C/N]为载噪比；R为接收机输入阻抗。对于本系统有B=5.12MHz，[NF]=5dB，[C/N]=-10dB，R=50Ω，计算得Pmin=-142(dBm)。6结语以上主要介绍了用STEL-2000A实现一专用扩频通信系统的重要参数的选择及接收机的性能指标。对性能要求高的扩频通信系统，可以充分利用STEL-2000A的功能，达到更高的技术指标。