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点到多点无线扩频传输系统的研究与开发 摘要 本人在硕士期间从事的项目是远程无线抄表的开发。抄表系统是 一个点到多点的通信系统，覆盖面广，用户众多，数据量大。由于抄 表系统具有以上特点，对系统的数据传输部分提出了较高的要求，要 求传输系统能及时可靠的传递数据，并且应具有较强的抗干扰能力， 所以我们决定在无线传输的基础上采用多进制扩频技术，这就是我在 项目中主要负责的工作。 无线扩频传输系统主要分为扩频模块、解扩模块和射频模块，由 于射频模块采用市场上现成的射频芯片r f 4 0 1 ，所以本人的主要 j 作 就是完成扩频模块和解扩模块的开发。扩频模块的设计重点是扩频码 的选择和产生，而解扩模块的设计重点是扩频码序列的同步、相关器 的实现和信息判决方法的选择等。在解扩模块中实现相关运算时采用 了多路相关器并行运行和一路相关器分时复用两种不同的方法，相应 的解扩模块有两种不同的设计方案，在论文中对这两种方案做了详细 的比较，并指出各自的适用情况。此外还对系统的调试，接口和性能 等进行了介绍。 除了介绍无线扩频传输系统的设计与实现外，在论文中还介绍了 建立抄表系统的必要性和实际意义，抄表系统的组成、工作过程和各 部分的设计方案等，使大家对抄表系统有一个整体的了解。此外对扩 频通信技术的理论知识也进行了介绍。 在论文的最后对自己的工作进行了总结，并对系统的改进提了一 些建议，中继方案用来提高系统的传输距离，匹配滤波捕获方案用于 实现系统的快速捕获，简易误码仪的设计用于改进系统的测试条件。 关键字：多进制扩频无线抄表同步现场可编程逻辑阵列( f p g a ) p o i n tt om u l t ip o i n tw i r e l e s s s p r e a ds p e c t r - u mt r a n s m i t s y s t e mr e s e a r c ha n dd e s i g n a b s t r a c t w i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e mi sp o i n tt om u l t i p o i n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， i n v o l v i n gm a n yu s e r sa n dal a r g ea m o u n to fd a t a t h e r e f o r ei t i si n d i s p e n s a b l et o d e s i g nar e l i a b l et r a n s m i ts y s t e m t h es y s t e mi s b a s e do nt h em 。a r yd ss p r e a d s p e c t r u mt e c h n o l o g y f i r s t l yw ee x p l a i nt h ei m p o r t a n c eo fs e t t i n gu paw i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e m a n dt h em a i nf u n c t i o nt h a tt h es y s t e mw a n t e dt or e a l i z e t h e nw ei n t r o d u c et h eb a s i c n o t i o n si nt h et h e o r yo fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n i nt h en e x tp a r t ，w ep r e s e n tab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ew i r e l e s sm e t e rr e a d i n g s y s t e m ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r e ，p a r a m e t e r f u n c t i o na n dd e s i g nm e t h o do f t h es y s t e m o u r o b j e c t i v ei st og i v eo u t l i n eo f t h ew i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e m i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r , h o wt od e s i g na n dr e a l i z et h et r a n s m i ts y s t e mi s i n t r o d u c e di nd e t a i l w ef o c u so nt h eg e n e r a t i o no fp ns e q u e n c e ，t h ep r i n c i p l eo f s y n c h r o n i z a t i o na n dt h et w om e a n s t or e a l i z et h ec o r r e l a t o r e s p e c i a l l yt h e c o m p a r i s o no f t h et w om e a n s w a sp r o v i d e d i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m ，l a s t l ys o m em e t h o d sw e r ep u tf o r v a r d - k e yw o r d s ：m - a r ys p r e a ds p e c t r u m ，w i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，s y n c h r o n i z a t i o n f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) 独创性( 或创新性) 声明 y 5 8 s 4 4 3 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了i 9 f 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 萱建殪 日期 矽。争2 2 6 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位沦文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 童堡垒 皓牡 日期： 日期： 竺! ! ：! ：呈生 丝! 生2 ：兰王 北京邮i 乜人学研究生毕业论义 1 1 抄表系统背景介绍 第一章绪论 目前我国城市居民住宅的生活用电计量收费工作多采用人工抄收方式，不仅 耗费大量人力、劳动强度大、效率低，而且存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、 错算及抄表周期长等问题，此外对居民生活也是一种干扰，有时还给不法分子入 室犯罪以可乘之机。随着科技的发展，特别是智能小区、高层住宅小区的出现， 传统的抄表方式已经不能满足居民的要求。虽然现在有些住宅小区已采用了i c 卡电表的用电管理模式，但是用户仍需定期到电费收缴部门给i c 卡“充值”，而 不能采用电话银行缴费、网络缴费等多种自动缴费方式，在电子商务蓬勃发展的 今天，这种方式显然已经跟不上时代的需求。 鉴于上述情况，建立住宅自动抄表系统成为当前住宅建筑技术，尤其是智能 型住宅建筑中不可缺少的重要组成部分，具有十分重要的实践意义。采用远程自 动抄表系统，用户的用电数据可直接进入用电营业的计算机管理系统，用电管理 人员可随时监视用电情况，发现问题( 如故障、偷电等) 及时处理。随着形势的 发展，居民在银行开设个人帐户，营业计算机管理系统和银行联网，完成数据的 自动抄收、处理、银行转帐交费等全套操作，真正实现用电管理的自动化。实现 用电管理自动化对于进一步提高居民的生活品质等方面具有重要意义，也是实现 智能小区管理的重要步骤。有了用电管理自动化的基础，再实现用水、用煤气的 自动化就方便多了。 目前国内用于抄表的技术有很多种i i j ，如专用通信电路、红外、电力线载波 和无线技术等。其中专用通信电路和红外抄表的技术比较成熟，并且被广泛采用， 电力线载波抄表只能在小范围内使用。但是专用通信电路抄表需要布线，如果一 栋大楼已经完工，重新布线是很困难的；红外抄表虽然不用布线，但仍需人工抄 表，同时由于灰尘的存在，数据传输的可靠性会受影响：由于我国低压电力网的 负载千变万化，多种多样，网一l 干扰非常严重，电力线载波抄表仍存在许多技术 问题，而至今不能达到理想效果。在无线电技术迅猛发展的今天，我们有理由相 信，无线抄表是可行的，也是可以实现的。利用无线抄表完全可以解决上述抄表 方法的不足，这主要是因为其安装灵活方便，建设周期短，造价低廉。而且，在 无线基础上，采用扩频技术，还可以加强系统的抗多径干扰能力，使系统有很大 的灵活性，减小发射功率，非常适合于民用设各。当然在现阶段无线抄表也存在 第1 负共6 3 页 北京i u 人学州究生毕业咤j ：c ： 产品或系统的成本问题，但我们相信，随着无线电技术的发展，芯片生产成本的 降低，将无线电技术用于电力部门抄表是大势所趋，谁走在前面，谁将获得无法 估量的收益。 本人硕士期间的课题是关于远程无线抄表系统的项目，主要内容是开发点到 多点的无线扩频传输系统，本系统除应用于抄表系统的数据传输外，还能被很多 企业和部门采用，应用于智能化管理和必要的数据信息传送，例如居民物业智能 化管理，对用户水、电、气三表的计费和控制；防盗防火求救等安全措施的监控； 电业部门调度中心对各变电站的随时监控等。因此研究点到多点无线扩频传输系 统具有极高的实用价值和经济价值，可以推广扩频技术在民用领域的应用。 1 2 抄表系统概述与任务目标 远程无线抄表系统主要实现用电数据的采集、传输、存贮与管理，是由用电 管理中心、小区基站和采集器组成的结构。整个系统的组成如图1 1 所示 图1 1远程抄袁系统的整体结构 从陶1 1 看出无线抄表系统采用分布式体系结构。这种体系结构分上下两层： 上层是用电管理中心和集中器之间，底层是集中器和采集器之n _ i j 。我们主要完成 的是底层的部分，即小区基站和采集器之间的通信。此系统适合现代智能小区的 管理，采集器放在用户端，一个采集器可对8 个居民的电表进行监控，用户端的 主要功能足对用户数据进行采集、简单处理、存储并响应小区基站的命令。小区 基站放在小区管理中心内，主要功能是在需要时向用户提取所要的数据，发送到 管理计算机，并且对传输进行控制，负责处理简单的意外情况。管理计算机负责 所有数据的管理，包括异常情况的记录，可以在很方便的情况下及时处理问题、 北京邮电大学研究生毕业论文 查询数据。抄表系统底层结构如图1 2 所示。 基站端 图卜2 抄表系统底层结构 圈 回 在图1 2 中，p c 机用于存储和管理所有用户的电表数据，对数据进行分类、 统计和计算，产生各类数据报表。单片机完成电表数据的采集和控制，我们的系 统中采用了低功耗高速单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 ，具有功能强、低功耗的优点，简单高 效，可靠性高。p c 机和单片机之间的数据传输采用串口通信方式。p c 的串口是 r s 2 3 2 电平的，而单片机的串口是t t l 电平的，所以两者之间必须有一个电平 转换电路，我们采用了专用芯片m a x 2 3 2 进行转换。扩频和解扩的功能是由 f p g a 完成的，而专用的收发模块r f 4 0 1 实现射频的调制解调和发射接收功能。 我们开发的无线抄表系统具有以下特点： l 、具有很强的可移植性：可应用于多种抄表( 如水表，煤气表) 系统和其他 方面。 2 、具有很好的操作性：本系统采集控制部分使用的是a v r 系列的a t 9 0 s 8 5 1 5 单片机，这种单片机可以实现在线编程。如果需要改动程序或者增加系统功 能，可以立即修改，这给凋试和系统升级带来方便。另外本系统的a v r 单片 机使用c 语言开发，程序可读性强，易于修改增加一些功能。 3 、具有很强的可靠性：本系统在无线基础上采用扩频技术，加强了系统的抗 第3 】巧共6 3 页 北京邮i u 人学州究付i 毕业论史 多径干扰能力。此外为了实现高可靠性的数据传输，我们在系统中采取了差 错控制。 4 、系统体积较小，外围电路很少，便于安装，有很强的实用价值。 5 、数据管理部分采用v i s u a lb a s i c 程序编写，方便于以后扩展系统功能。 在整个系统的开发过程中，我本人主要负责抄表系统无线数据传输部分的设 计、实现和调试，并完成数据传输部分与系统其它部分( 数据采集和数据控制) 的接1 ：2 配置。在设计无线数据传输部分时，扩频码的选择，扩频系统的同步，解 扩信息的判决和芯片资源的合理利用等是设计的重点和难点。 1 3 论文结构介绍 本篇论文在第一章介绍了本人参与开发的远程无线抄表项目的背景，以及需 要完成的任务。 第二章介绍了项目涉及的主要通信理论知识，包括扩频通信技术的理论基 础、基本特点和应用领域，重点介绍了在抄表传输系统中使用的多进制直扩技术 的优点和原理。 在第三章，划抄表系统做了一个总体介绍，主要介绍了抄表系统的组成和功 能、性能指标和设计原则、各组成部分的设计方案以及开发环境，使大家对抄表 系统的原理、工作过程和实现方法有一个大概的了解。 接下来在第四章中，介绍了在抄表项目中，我本人负责_ 丌发的数据传输部分 的设计和实现，分扩频模块、解扩模块和射频模块几个子模块来展开介绍。介绍 完各模块的开发情况后，接着介绍各模块问的接口以及与抄表其他部分的接口。 此外，还要介绍系统的仿真和调试情况，并对系统的性能进行了分析。 论文的最后，除了总结本人的工作外，还提出了对系统的改进方法。 第4m 共6 3 负 北京帅i u 人学研究生毕业论文 2 1 扩频通信技术 第二章主要理论依据 无线抄表系统的数据传输部分采用了扩频通信技术，抗干扰能力强，稳定性 高。扩频通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) ，与光纤通信、卫星通信，一同 被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 2 1 1 扩频通信的基本概念 扩频通信，即扩展频谱通信技术，它的基本特点是其传输信息所用信号的带 宽远远大于信息本身的带宽。扩频通信技术最早起源和应用于军事通信，随着 i s 9 5 标准的颁布，扩频通信技术逐渐广泛应用在移动通信和室内无线通信等各 种商用应用系统中，为用户提供可靠的通信。目前扩频c d m a 技术已经被确立 为第三代陆地移动通信系统的多址技术。典型的扩频通信系统如图2 - 1 所示。1 。 信 道 图2 - 1典型扩频通信系统框图 它主要由原始信息，信源编泽码，信道编译码( 差错控制) ，载波调制与解 调，扩频调制与解扩和信道六大部分组成。信源编码的目的是去掉信息的冗余度， 压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。信道编码的目的是增加信息在信道传 输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分是为了 使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，如微波频段，短波频段等。扩频调 制和解扩是为了某种目的而进行的信号频潜展宽和还原技术。 北京邮f u 人学俐究生毕业论立 2 1 2 扩频通信的理论基础 根据仙农( c e s h a n n o n ) 在信息论研究中总结出的信道容量公式 c = w x l o g2 0 + s ? n 、 式中c 信息的传输速率 s 有用信号功率 w 频带宽度 n 噪声功率 为了提高信息的传输速率c ，可以从两种途径实现，加大带宽w 或提高信 噪比s n 。当信号的传输速率c 一定时，信号带宽w 和信噪比s n 是可以 互换的，即增加信号带宽可以降低对信嗓比的要求，扩频通信就是用宽带传输技 术来换取信噪比的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。 扩频通信最常用的是直接序列扩频和跳频直扩混合系统，其抗干扰能力最 强，在本系统中主要采用直接序列扩频。 2 1 3 直接序列扩频 所谓直接序列扩频，就是在发端直接用具有高速率的扩频码序列去扩展信号 的频谱，而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成 原始的信息。接收机解扩实际上是对干扰信号进行频谱展宽，把干扰信号变成功 率谱密度很低而频谱很宽的信号，经窄带滤波器滤除后，使落到带内的干扰信号 能量很小，而有用的数字信号被压缩还原成窄带信号，顺利通过滤波器，因此该 系统具有微强的抗干扰能力。图2 - 2 为直接序列扩频系统的基本组成框图。 信 图2 - 2直接序列扩频系统的基本组成框图 信包 第6 负菇6 3 负 北京邮电火学研究生毕业论义 如图2 2 所示，在发端通过信源编码调制成的数字信号，与本地码发生器产 生的扩频码序列进行扩频调制后通过射频发送出去，在收端接收到的信号经变频 到中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去解扩，最后经过信源解码， 解调为原始信息输出。 2 。1 。4 扩频通信的特点及应用 无线通信多在地形、地物都比较复杂的环境和条件下进行，因而往往需要解 决自然和人为的干扰、多径干扰及实现多址联接等许多复杂的技术问题。可以说 目前还没有一种通信技术像扩频通信技术那样能同时解决这样复杂的技术问题， 所以现代的各种无线通信网，如：分组地面无线通信网、地面移动无线通信网、 分组卫星通信网、室内无线通信网等新的组网方式中，无不采用扩频通信技术。 扩频通信系统具有以下特点： 1 、抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力。 由于扩频通信利用扩展频谱技术，在接收端对干扰信号频谱能量加以扩散， 对有用信号频谱能量压缩集中，因此在输出端就得到了信噪比的增益。扩频通信 系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰性能越强。例如：处理增益为3 0 d b ， 除去系统损耗2 d b 外，接收机还能在干扰信号比有用信号强1 8 d b 的条件下，仍 有不小于1 0 d b 的二 ：作信嗓比，即有1 0 d b 的余量用于信号解调，进行正常通信。 此外，对于单频及多频载波信号的干扰、其它伪随机调制信号的干扰，以 及脉冲正弦信号的干扰等，扩频系统都有抑制干扰，提高信噪比的作用。特别是 对抗敌方人为干扰方面，效果很突出。简单地说，如果信号频带扩展1 0 倍，干 扰方面需要在更宽的频带上去进行干扰，分散了干扰功率。在总功率不变的条件 下，其干扰强度只有原来的1 1 0 。而要保持原有的干扰强度，则必需加大1 0 倍 的功率，这在实际战场条件下，有时是难以实现的。 另外，山于在接收端采用了扩频码序列进行相关检测，即使采用同类型信弓 进行干扰，如果不能检测出有用信号的码序列，由于不同码序列之间不同的相关 性，干抗也起不了太大作用。抗干扰性能强是扩频通信最突出的优点。 2 、抗多径干扰 多径干扰同上述与发射信号独立的加性噪声和干扰不一样，它是发射信号在 第7 负共6 31 j 北京邮i u 人学l f j f 究生毕业论文 传播过程中，遇到各种反射体( 如电离层、对流层、高山、高大建筑物或建筑群 等) 引起反射或折射，形成对直接到达接收机的发射信号的干扰。这是所有无线 通信，如卫星通信、微波通信、移动通信、短波通信等所面临的十分突出的问题。 出于反射或折射是多方向、多途径、与直接到达接收机的发射信号完全相关的， 会使接收机的接收信号产生严重的失真、波形展宽、波形重叠和畸变，造成通信 系统解调器输出出现大量差错，以至不能正常通信。因此，长期以来，抗多径干 扰问题始终是一个难以解决的问题。一般的方法是排除干扰或变害为利。前者是 设法把最强的有用信号分离出来，而排除其它路径来的干扰信号，这就是采用分 集技术的基本思想。后者是设法把不同路径来的不同延迟的信号在接收端从时间 上对齐相加，合并成较强的有用信号，这就是采用梳状滤波器的基本思想。这两 种基本方法在扩频通信中都是容易实现的。我们可以利用扩频码序列之间的相关 特性，在接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多 个路径来的同一码序列的波形相加合成。可见常规通信技术难以对付的多径干 扰，采用扩频技术却能得到圆满的解决。 另外，在跳频通信系统中，由于用多个频率的信号传送同一信息，实际上还 起到了频率分集的作用。因此，在目前民用数字蜂窝移动通信及部分军用通信设 备中，经常采用简单的跳频技术作为抗多径干扰的一种手段。 3 、保密性好 在一定的射频发射功率下，由于扩频信号分散在很宽的频带内，无线信道中 有效信号功率谱密度很低，近似于噪声特性( 使之“隐蔽”起来) 。这有利于减 少对其他通信系统的干扰同时也降低了被“窃听”和被“截获”的机会，增强了 通信的可靠性。 4 、可以实现码分多址( c d m a ) 扩频通信所以能得到迅速发展，其另一个主要特点足可以进行选址通信。扩 频通信提高了抗于扰性能，但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用返 一频带，则可大大提高频带利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频训 制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性， 在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户不同码型的情况下可 以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样，在一宽频带上许多对用户可以 同时通话。它与利用频带分割或时间分割的方法实现多址通信的概念类似，即利 用不同的码型进行分割，所以称为扩频c d m a 。这种扩频c d m a 方式，虽然要 第8 弧麸6 3 负 北京邮i u 大学研究生毕业论文 占用较宽的频带，但按平均到每个用户占用的频带来计算，其频带利用率是很高 的。除此之外，采用扩频c d m a ，还有利于组网、进行选呼、增加保密性和解 决新用户随机入网等问题。 随着通信技术的不断发展，使用扩频调制技术的领域也越来越多了。应用领 域主要有以下方面【3 】： 1 、在地面战术通信中的应用( 抗干扰、保密、隐蔽和抗衰落) ： 2 、在数字蜂窝移动通信中的应用( 扩频技术可实现码分多址，达到多系统 共享频谱资源；扩频技术是解决多径衰落的最佳办法。) ； 3 、在卫星通信中的应用( 扩频通信可实现码分多址，抗干扰，便于保密) 4 、在数据传输中的应用。 扩频通信的主要缺点是技术复杂，近年来，随着数字处理技术的发展，集成 工艺的进步，使扩频系统变得简单，因此，扩频技术在这些年发展非常迅速，由 军用到民用、商用，范围很广。 无线扩频设备多用于点对点和星状结构( 点对多点) ，如果通信距离过长或 有阻挡，可通过增加中继器来解决。 现有的点对多点扩频通信系统有两种方式，使用最多的是“多点对多点”方 式，这种方式的中心数据( 话音) 源与多个收发设备相连，每一个收发设备通过 自己的定向天线与一个远端设备进行通信，它们使用不同的频率和扩频码，在此 系统中，位于主站的所有设备收发同步，以减少相互干扰。 另一种为轮询方式，在这种方式下，主站只有一部收发设备与主机相连，通 过全向天线与远端多个收发设备通信，主站按一定的顺序访问远端站，被访问的 远端站向主站发送信息，轮询系统规模不宜太大，否则信息延时会过大。智能小 区内的用电管理网，因为小区内的住户有限，数据传输量不大且通信不频繁，所 以采用轮询方式是最佳的选择。 2 2 多迸制直扩技术 在抄表的无线传输设计过程中，我们最初采用的是二进制直扩，为了提高系 统的处理增益和降低传输带宽，设计中e h - - - 进制直扩改进为多进制直扩。 第9 页共6 3 页 北京邮l 乜人学州究生毕业论文 2 2 1多进制直扩的优点 直接序列扩频具有许多优良特性和功能。但是二进制直扩在下列情况下就显 出不足： l 、带宽限定的同时要求有一定的处理增益，此时二进制直扩往往无法采 用。 2 、在用户数较少的情况下，采用二进制直扩不能有效地利用频谱。 3 、在时变信道以及有多种信源或多种传输速率要求的情况下，二进制直扩 难以适应各种需要。 解决上述问题的一种有效方法是采用多进制直扩技术，多进制直扩既保持扩 频的优点又适当的提高了传输效率，已经展示了广泛的应用前景。在m 进制扩 频系统中，扩频序列由m 个长为n 的正交码集组成，每个码字传输m = l 0 9 2 m 比特信息。因为每个扩频码对应于m 个信息比特，所以在信息速率一定的情况 下，多进制扩频系统的带宽仅为二进制扩频系统的1 m ，这使得多进制扩频特别 适合于频谱宽度限定而又要求一定处理增益的场合。此外多进制扩频可以在码片 速率不变的条件下实现可变速率或可变处理增益的扩频，有利于提高系统的抗干 扰能力和支持综合业务的传输。 按照一般的概念，在常规的通信体统中，把二进制传输改作多进制传输，其 频带利用率可以提高，但是因为要进行多进制判决，故相应的误码性能会下降。 但是，在多进制直扩系统中，信息的检测是靠码序列的相关检测进行判决的，只 要合理地设计码序列，使之具有良好的相关特性，就不会因为多迸制而比二迸制 带来额外的损失。 2 2 2 多进制直扩的原理 多进制直扩主要是通过扩大正交扩频序列集和增加信号空问中信号( 点) 的 数量来提i 渐进制数的冈此魁以复杂度的提高来换取性能的改善。 幽2 3 所示为个m = 2 m 进制直扩系统发送模块的简化框图，图中m 为一 个信息符号的比特数。多迸制扩频系统中，由于采用n 位扩频码来传输m 比特 信息，如果用r b ，t b 和e b 分别表示扩频前的信息速率和每个信息比特的宽 度及能量，用r c ，t c 和e c 表示扩频后的码片速率和每个码片的宽度及能量， 由于每个扩频码传输m 比特信息，有： 北京邮l u 大学研究生毕业论文 r e 2 ( n m ) 。r btt c 2 ( n v n ) 。t b ，e c = ( m n ) e b 输入信 图2 - 3 多进制直扩系统的发送模块的简化框图 出 设每个数据字符的传输时间为t ，信号功率为p ，而编码序列中每个码片的 时间为t c ，且有t = n t c 当采用p s k 调制时，第i ( i = 1 , 2 ，3 ，m ) 个码组的已 调信号可写为： 鼬) ：万n - 1 “f g ( 卜皿) c 。s w 式( 2 - 1 ) j = o 式2 - 1 中u i j 是第i 个码组所对应的扩频码序列，g ( t ) 是子码波形函数，当t t c 时，g ( t ) = 0 ，且有f 。g 2 ( t ) d t = 兀。 在接收端，等概传输m 个数据符号时，最佳接收机为m 个匹配滤波器或相 关器，相关器的长度为n t c ，扩频处理增益为n 。接收机的原理框图如图2 - 4 所 示，图中用m 个匹配滤波器并行运算，从中选出输出最大的一个作为传输的码 组，再经过并串变换，即可获得发送端发送的二进制信息。这种接收机在经过相 关判决后就同时完成了解调和解扩的过程，这种做法的代价是增加了系统的规 模，为了对一个符号进行判决，需要进行多次积分运算，运算量太大。 另一种更为实际的做法是，在接收端先对码片进行解调，再送到相关器进行 解扩运算。相应的接收机模型如图2 5 所示。 第1 1 贞共6 3 负 北京蛐i i 乜人学 f 究g t # 业论立 接收信号 州萏卜r 千。选 钍j g 0一j z ) c o s w c t ，= 0 出 - ，0 、l 】雕 1 到 7最 i 一j 大 u 2 j g ( t - j t c ) c o s w d 1 = 0 值 咖 ， 2 - 4 多进制直扩接收机原理框图 图2 - 5 另一种多进制直扩接收机原理框图 可以看出，多进制直扩信号的产生和检测都比较复杂。我们是以增加设备的 复杂度为代价而换得的。因此，如何简化系统的复杂度，使之实现起来容易而可 靠是非常关键的。 北京邮电大学研究生毕业论文 第三章抄表系统总体介绍 远程无线抄表系统的核心是要设计一个应用于住宅小区的点到多点无线数 据传输系统。抄表系统可以分为用户端、基站、管理计算机和无线信道等几个部 分，按所实现的功能可分为数据采集模块，数据控制模块，数据传输模块和数据 管理模块。 3 1 系统组成和功能 抄表系统的组成图如3 1 所示： 信道 垣要 嚯翌圈圈i 竺兰竺竺堡兰! ：! i j 用户端( 数据采集、用户电表 l 数据传输模块) 1 8 图3 1无线抄表系统的示意图 各部分的功能如下： 用户端：与用户电表相连，主要包括数据采集模块和数据传输模块。用户端 主要完成以f 任务，一是负责及时采集用电量数据；二是接收从基站发送来的命 令；三是分析命令，并执行相应的操作，例如把用户的用电量数据发送给基站， 或者向用户示警显示用户应该交费，或者依据命令切断用户电源，停止供电等。 用户电表：在本系统中使用的是老式机械表，用户所用的电能量通过电表的 转数表示，电表每转固定的圈数表示用电一度。用户端通过数据采集模块对电表 进行用电量采集。 第1 3 负共6 3 页 北京邮i u 人学训究生毕业论殳 基站：与管理计算机相连，主要包括数据控制模块和数据传输模块。基站完 成以下任务，一是接收管理计算机发出的命令；二是把这些命令通过无线信道发 送给用户端处理；三是接收用户端发送回来的用户的电量数据；四是把这些数据 通过r s 2 3 2 串口送给管理计算机。 管理计算机：包括数据管理模块，主要任务是接收基站送来的数据，进行记 录、分析、整理。管理员也可以通过它，发出向用户示警、催缴电费、停止供电 等命令。 无线信道：在4 3 3 9 2 4 3 4 3 3 m h z 开放频段上，采用2 f s k 调制。 管理计算机和基站通过串行接口进行通讯，管理计算机的串口是r s 2 3 2 电 平的，而单片机的串口是t t l 电平的，所以在管理计算机和单片机之间我们采 用了专用芯片m a x 2 3 2 进行电平转换。基站和用户端的通信通过无线信道，并 且在此基础上采用了扩频通信技术，提高了通信的可靠性。 整个系统的工作过程如下： 首先，我们给小区内各个用户电表分配个用户号码( u s e r i d ) ，它们是区 分不同用户的唯一标志，这个号码被事先固化在用户端。 基站逐一地发送用户号码，向各个用户提出“收集电量数据”的请求。所有 的用户端都会接收到此请求，并对之进行分析，与事先分配给自己的用户号码相 比较。如果相同，用户端把采集到的电量数据发送给基站，然后继续监测电表， 采集电量数据。如果不同，则弃置不理。 基站过接收此数据，对数据进行分析处理后，把正确的数据送给管理计算机。 然后，继续向下一个用户发出“请求”。 管理计算机收到数据后，记录到数据库中，进行分析、计算等操作处理，实 现及时更新用f f ：l 量数据、电赞收缴管理等等操作。 因此，可以将系统抽象为一个点到多点双向无线数传系统，采用的是“半坝 工”工作模式。在这个系统中，基站处于主控地位，采取“轮询”方式，向各点 ( 用户端) 发送数据请求，各点收到请求后，若验证是对自己的请求，向基站回 送数据。 北京i i | i f 也入学研究生毕业论义 3 2 系统主要参数 抄表系统的主要参数如表3 1 所示。 表3 1 抄表系统的主要参数 信息传输速率1 2 k b i t s 扩频方式1 6 进制扩频 扩频增益 1 6 扩频后的传输速率4 8 k b i t s 用户数量 1 0 0 0 最大传输距离1 0 0 5 0 0 米 通信控制方式 轮询 射频调制方式2 f s k 发射频率4 3 3 9 舭3 4 3 3 m h z 通信方式 芈双工 3 3 系统性能要求和设计原则 远程无线抄表系统作为一个工程实用系统，必须根据系统结构形式满足( 或 达到) 以下性能： 1 、系统整体功耗经济性。系统整体功耗是系统运行效率的重要标志，也是 系统是否经济合理，切实可行的关键。这关键技术主要体现在系统的功能模块 中其硬件结构必须采用最先进的高功能、低功耗微电子器件和电路组成，保证系 统运行功耗最低。 2 、系统数据采集存储性能。为了保证系统在停电时能对各种能耗量继续保 持正常的数据采集存储功能系统的工作电源应不受停电的影响。这一关键技术 主要体现在数据采集存储单元中。 3 、数据通讯的有效性和可靠性。主要表现在系统的检测精度、误码率和运 行稳定性是否符合相关标准。因此，要求采用完善可靠的硬、软件结构进行系统 数据传输设计以保障系统运行时数据通讯的有效性和可靠性。 4 、系统数据管理功能。系统应用数据库是体现系统管理功能的标志，建立 的数据库应能充分满足各项管理要求，能向用户提供集数据、文字、图像、声音 第1 5 页共6 3 负 北京i j | f i u 人学埘究生芦业睑史 为一体的直观、操作方便的人机界面，并提供外部数据通讯接口。 s 、系统产品化、模块化、系列化。所以系统工程设计应符合国家相应标准、 规范及国家相关政策导向。 明确了抄表系统的性能要求后，在设计系统前，我们还应对系统的设计原则 有所了解，在没计系统时主要应考虑如下几条原则： 1 、可靠性和实用性。保证数据不丢失，且适应本地的实际情况： 2 、唯一性和一致性。保证数据准确，并可实现多费率结算功能； 3 、先进性。采用最新的硬件，使系统在今后一段时问保持领先水平 4 、易扩充性。系统具有扩展功能，易于今后的升级及扩展： 5 、易于维修： 6 、开放性： 7 、优越的性能价格比。 3 4 系统各部分设计方案简介 本系统按功能可分为数据采集，数据控制，数据传输和数据管理几部分。其 中数据采集部分位于用户端，数据控制部分位于基站，而数据传输部分在基站和 用户端都存在，数据管理部分在管理计算机中实现。 在系统设计中，我主要负责抄表系统数据传输部分的开发，对于传输系统的 设计和实现将在下一章中做详细介绍，在这里对各部分的设计方案都做一下简单 的介绍。 3 4 1 数据传输部分的设计方案 数据传输部分在基站和用户端之问提供可靠高效的数据传输。本系统中，数 据传输部分i 广频解扩模块和射频收发模块组成。由于扩频技术具有抗多径干 扰、抗频带选择性衰落和保密性好等优点，本系统的数据传输部分在无线通信f 内 壁础i 二采刚了扩频技术。在选择扩频方式时，由于我们的系统是一个信道功率受 限、带宽受限的系统，决定采用多进制直扩技术。我们通过应用a l t e r a 公司的 f p g a 产品来完成扩频解扩，开发环境是m a x + p l u s l i ，开发语吉采用v h d l 语 数据传输部分的射频模块是很量要的，对设计人员的电子电路经验以及实验 第1 6 页共6 3 负 北京邮i u 人学研究生毕业论文 测试条件的要求很高，如果完成全部扩频解扩模块和射频模块，会延长研发周期， 所以对于本系统，我们不再自己设计射频模块，而选用市场上已有的射频模块。 通过查阅资料，选择r f 4 0 1 作为射频模块的核心单元，这样不仅降低了研发难 度，而且r f 4 0 1 完全满足考虑了系统的性能要求。 在抄表系统中，由于上、下行链路均采用多进制直扩技术，所以基站和用户 端的数据传输部分相同。 3 4 2 数据控制部分的设计方案 数据控制部分位于基站，是系统的控制核心，该部分负责接收计算机的命令， 按用户号依次对每个用户的用电量进行轮询，并且对用户反馈回来的用电数据进 行分析判断，把正确的用电数据送给管理计算机进行处理。此外还要负责处理传 输控制过程中产生的些错误情况，例如单次反馈超时错误，多次反馈超时错误， 数据用户地址错误等。由于该部分要与管理计算机通过串口r s 2 3 2 进行通讯， 在该部分还应该有串口通信模块。 鉴于单片机在数据采集、工业测控方面的广泛应用，我们的数据控制部分利 用a v r 单片机来实现。a v r 单片机把许多的外围电路都整合到片内，具有很 强的功能，而且容量比较大，采用r i s c 结构，能够在线编程。鉴于c 语言在单 片机开发方面的优势，我们的编程语言选择了c 语言，开发过程的编译环境是 i c c a v r ，调试环境为a v rs t u d i o ，下载工具采用的是s l a v r 。 3 4 3 数据采集部分的设计方案 用户端的数据采集部分完成两方面的工作，一方面采集用户电表的读数和监 控电表运行状态并将这些数据存储( 掉电可以保持数据不遗失) 。另一方面收到 基站命令时，进行分析处理，并做出相应的操作。 为了保证在停电时，系统能继续保持正常的数据采集存储功能，我们应该在 数据采集部分加入掉电保护装置。 山于用户电表采用的是老式机械电表，我们需要把电表的转动转换为可处删 的电信号，这就需要个光电转化电路。 发。 与数据控制部分一样，我们在开发时也采用了c 语言对a v r 单片机进行丌 北京l f i i f i u 人学科究生毕业论义 3 4 4 数据管理部分的设计方案 数据管理部分接收数据控制部分送来的数据，进行处理、显示、存储和打印 等并向控制部分发出操作指令。管理系统一般具有查询、管理、自动校对、催缴 电费、断线检测等功能。该模块用v i s u a lb a s i c 开发，主要实现计算机与单片机 的串口通讯以及数据库管理。 3 5 系统开发工具及其环境介绍 在这里主要介绍抄表数据传输部分开发过程中用到的f p g a 芯片及其丌发环 境。 3 5 1f p g a 介绍 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e sa r r a y ，现场可编程门阵列) 与 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻 辑器件，它们是在p a l 、g a l 等逻辑器件的基础上发展起来的。同以往的p a l 、 g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路应用 场合，它可以替代几十种甚至上百块通用i c 芯片。这样的f p g a c p l d 实际上就 是一个子系统部件。这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。由于芯 片内部硬件连接关系的描述可以存放在磁盘、r o m 、p r o m 或e p r o m 中，因而在可 编程门阵列芯片及外围电路保持不动的情况下，换一块e p r o m 芯片，就能实现。 种新的功能。f p g a 芯片及其开发系统问世不久，就受到世界范围内电子工程设 计人员的广泛关注和普遍欢迎。 尽管f p g a 、c p l d 和其它类型的p l d 的结构各有其特点和长处，但概括起来 它们是由三大部分组成的： l 、一个二维的逻辑块阵列，构成了p l d 器件的逻辑组成核心。 2 、输入输出块。 3 、连接逻辑块的互连资源，连线资源由各种长度的连线线段组成，其中也有。 些可编程的连接，下关，它们用于逻辑块之问、逻辑块与输入输出块之间的连 接。 利用f p g a c p l d 进行电路设计的一般流程 北京邮l 乜人学研究生毕业论文 1 、设计输入。 2 、仿真。所设计的电路必须在稚局布线前验证，目的主要是在仿真时，验证电 路功能是否有效。 3 、设计输入编译。设计输入之后就有一个从高层次系统行为设计向低层次门级 逻辑电路的转化翻译过程，即把设计输入的某种或某几种数据格式( 网表) 转化 为底层软件能够识别的某种数据格式( 网表) ，以求达到与其工艺无关。 4 、设计输入的优化。对于上述综合生成的网表，根据布尔方程功能等效的原则 用更小更快的综合结果替代一些复杂的单元，并与指定的库映射生成新的网表 这是硬件描述语言输入方式中减小电路规模的一条必由之路。 5 、布局布线。当初步的仿真被验证后，就开始布局布线。这一步可相对规划出 a s i c 和f p g a c p l d 设计。 6 、仿真。设计人员需要利用在布局布线中获得的更精确的r c 参数再次验证电路 的功能和时序。 7 、流片。在布局布线和后仿真完成之后，当需要大批量生产该芯片时，就可以 开始a s i c 芯片的投产了。 a l t e r a 公司成立1 0 余年来，一直致力于高密度可编程逻辑期间的研发和生 产，称为业界的佼佼者。a l t e r a 可编程器件除了具有p l d 的一般特点之外，还具 有改进的结构、先进的处理技术、现代化的开发工具以及多种m e g a 功能选用等 特点。 a l m r a 公司提供了三大类1 0 个系列的c p l d 产品：多阵列m a x 9 0 0 0 ， m a x 7 0 0 0 ，m a x 5 0 0 0 ，m a x 3 0 0 0 和c l a s s i c 系列；柔性( 可更改) 逻辑单元阵 列f l e x i o k ，f l e x 8 0 0 0 及f l e x 6 0 0 0 系列：先进的可编程单元阵列a p e x 2 0 k ， a c e x l k 系列。在本系统的丌发过程中我们选用了a l t e r a 公司f l e x l o k 系列的 芯片e p f l 0 k 1 0 l c 8 4 - - 4 。f l e x1 0 k 系列典型器件性能对照如表3 - 2 所示n 北京邮i u 人学 j f 究生毕业论义 表3 - 2f l e x1 0 k 系列典型器件性能对照表 特 性e p fl o k l oe p f1 0 k 2 0e p f1 0 k 5 0e p fl o k l 0 0e p f1 0 k 2 5 0 器件门敷3 l0 0 0 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