（电磁场与微波技术专业论文）多功能无线数字通信平台设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 无线数字通信是实现“无论在任何地方，无论在任何时间，无论在任何场合的任 何人都可以用任何方式通信”不可缺少的技术途径，本文提出了一种多功能无线数字 通信平台的设计方案，实现的无线数字通信平台工作在4 3 3 9 2 m h z 的无线频段，数字 信号采用连续相位频移键控( c p f s k ) 单边带调制，可承载实时的语音业务和数据业务， 并提供了计算机接口。本文首先对平台中采用的射频技术和语音编码技术进行了详细 一。 的理沦分析；对射频模块中的基带c p f s k 数字调制技术进行了数学公式的推导并给 出了其物理模型，对射频上下行交频方式进行了探讨；对语音模块中的连续可变斜率 增量调制语音编解码( c v s d ) 技术进行了分析；阐述了物理层中语音模块和射频模块的 实现柳去并采用微控制器单元( m c u ) 控制各模块实现了无线平台的相应外围电路；针 对多平台间的无线通信提出了无线随机接入点对多点组网协议，分析了组网协议中采 用a l o h a 随机接入方式的性能，描述了该协议的数据格式和实现点对多点通信的工作 机理：对平台和计算机的互连方式进行了阐述，详细讨论了平台的计算机串行接口设 计和：实现，描述了针对该平台射频模块半双工方式所实现的串口编程算法。 f 本文最后分别对设计的无线数字通信平台应用进行了语音双工和服务发现协议的 举例。对实现的无线数字通信平台进行了语音测试和无线组网协议的同步帧接收进行 t n 试，测试结果显示系统达到了预期的设计目标，该平台不仅可以进行远距离的语 音通信和无线耳机的实际应用，而且还可以在多个平台间无线组网构建微微网，并且 通过平台的计算机接口实现计算机间的无线互连，满足了多种无线通信应用的需要， 、 具有良好的应用前景。l 关键词：无线数字通信c p f s k 数字调制、c v s d 无线随机接入协议 一_ _ _ - _ - - _ _ _ _ - - - _ _ - - - _ - _ _ - - _ - _ _ _ - _ _ - - - 一 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s s & d i g i t a l c o m m u n i c a t i o nh a sb e e na i n d i s p e n s a b l ew a y f o rh u m a nt o c o m m u n i c a t ea ta n yp l a c e s ，a n yt i m e sa n da n yo c c a s i o n sw i t ha n y b o d yb ya n yr f l e a n s t h i st h e s i sp r o p o s e sas c h e m et oc o n s t r u c taw i r e l e s sd i g i t a lp l a t f o r m ，w o r k i n go nt h e f r e q u e n c yo f4 3 3 9 2 m h za n dc a r r y i n g v o i c eo rd a t a ，w h i c hi sa b l et o p r o v i d e v o i c e c o m m u n i c a t i o na si n t e r p h o n e si nl o n gd i s t a n c e ，w i r e l e s sh e a d s e ti n s t e a do fl o u d s p e a k e ro r w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kt h a tw o r k sa sap i c o n e t t h ep l a t f o r mi s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d i nt w o p a r t s ：h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e t h et h e s i sg i v e s a nt h e o r e t i c a la n a l y s i so f p h y s i c a ll a y e ri n c l u d i n gr fa n dv o i c e m o d u l e s ，e s p e c i a l l yh a v i n g am a t h e m a t i cc o n c l u s i o no nt h eb a s e b a n dc p f s k d i 百t a lm o d u l a t i o na n dc v s d i tg i v e sa d e t a i ld e s c r i p t i o no f i m p l e m e n t a t i o na n d p e r i p h e r a ld e s i g no f v o i c e m o d u l ea n dr fm o d u l e d e s c r i b e st h em e t h o do fh o wt oc o n t r o lt h em o d u l e sb ym c ua n dt h e np r o p o s e sw i r e l e s s r a n d o ma c c e s sn e t w o r k i n g p r o t o c o lf o rm u l t i p l e p l a t f o r mc o m m u n i c a t i o ni nap i c o n e t i t a n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fa l o h a a d o p t e di nt h ep r o t o c o la n de x p l a i nt h ep r o t o c o l s f r a m ef o r m a t i o na n dw o r k i n gm e c h a n i s m t h et h e s i sa l s og i v e sad e s c r i p t i o no fh o wt o i n t e r c o n n e c tw i t ht h ec o m p u t e ra n di n t r o d u c e st h ea r i t h m e t i cp r o g r a m m e d b y v c f i n a l l y , t h et h e s i sg i v e st w oe x a m p l e so ft h ep l a t f o r ma p p l i c a t i o n sa sd u p l e xv o i c e c o m m u n i c a t i o na n ds e r v i c e d i s c o v e r yp r o t o c 0 1 t h ew i r e l e s sp l a t f o r mw er e a l i z e dh a s g a i n e dag o o dp e r f o r m a n c eo f v o i c ee v a l u a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o nf l a m er e c e i v e di nt h e n e t w o r k ，a n di t c a nr e a l i z em u l t i p l ef i m c t i o n sa n di ss u r et oh a v eab r o a da n db r i g h t b u s i n e s sm a r k e ti nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：w i r e l e s s & d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n c p f s kd i g i t a lm o d u l a t i o nc v s d w i r e l e s sr a n d o ma c c e s s p r o t o c o l i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 1 绪论 自十九世纪末的1 8 9 6 年6 月2 日，意大利的马可尼发明了无线电通信揭开了人类 通信的新纪元，通信事业得到了长足的发展。无线数据通信正在成为一个潜力巨大的 市场，近2 0 年来，随着无线通信技术的不断发展和社会需求的日益提高，包括移动电 话、无线寻呼、卫星通信等在内的无线通信都到了越来越广泛的普及和应用，并展示 出广阔的市场前景。在全球范围内，无线通信用户的年增量和增速都在持续逐年大幅 度增长，无线通信已经进入规模化发展的阶段。图1 1 显示了无线数据通信技术的发 展过程。 图1 1 无线数据通信的发展趋势 随着r r 技术的迅猛发展，通信的数字化早已成为主流的趋势之一：数字信号相对 于模拟信号，具有易存储、复制、还原、传输，信噪比并不会随距离变化等；在通信 领域数字通信开始全面替代模拟通信，除了计算机的广泛应用需要传输大量数字信息 的客观要求外，数字通信得到迅猛发展的原因还在于与模拟通信相比，它更能适应人 类对通信技术越来越高的要求：第一，数字传输抗干扰能力强，尤其在中继时，数字 信号可以再生而消除噪声的累积：第二，传输差错可以控制，改善了传输质量；第三， 便于使用现代数字信号处理技术来对数字信息进行处理；第四，数字信息易于作高保 密性的加密处理；第五，数字通信可以综合传递各种消息，通信系统功能得到了增强。 而且数字技术不仅在计算机、通信、雷达、卫星电视、测量仪表、宇航、医学及生物 华中科技大学硕士学位论文 工程等科学领域得到普遍应用，而且已经深入到人, f r 日常生活中的方方面面【2 j 。 通信的另一发展方向为无线通信。自麦克斯韦方程证实电波具有携带信息的能力 以来，人们开始利用无线电波( 电磁波、激光) 在空间传播和传递声音、文字、图像和 其它信息。由于空间信道具有可移动性、共享性、广播性和可迅速建设等优点，如今 随着无线通信扩频、正交频分多路等技术的发展，无线通信在可靠性、可用性和抗毁 性等很多方面超出了的有线通信方式，尤其在一些特殊的地理环境下，更是体现出了 其优越性【。另方面，在计算机和通信技术得到广泛应用以来，在所有的设备间进 行互相通信还存在很多麻烦，通常需要用专门的电缆来连接不问的设备。为了在众多 的个人设备之间传输信息，一个人可能需要携带与设备一样多的连线，而且连线的种 类也繁多，需要不同的转换接口。设备间通信不能共享或者互连和繁琐的连接方式给 设备的实用性带来了很大困扰。然而无线数字通信的发展人们不用再为复杂而繁琐的 布线烦恼，桌面上下可以干干净净空闲出一大块空间。 1 2 课题研究目的 本课题为设计多功能的无线数字通信平台：在通信环境中，提供一个简单的空中 接口，借助无线电波接收和发送数据，使设备间的数据交换不再通过连线来实现；同 时诸如语音的多媒体也以数字格式存储和转发，通过无线平台实现多媒体的传输，使 人们能通过无线平台互相交流。虽然现在无线数字通信设备繁多，但如何在低成本下 设计出高速率的无线语音传输成为本课题的主要目的，而且如何使该平台提供尽可能 多的应用功能也是本课题的另一主要目的。本平台设计的应用如图1 2 所示。 ( c ) 酽 印鲥 ( b ) 图1 2 系统应用示意图 ( a ) 印 2 华中科技大学硕士学位论文 本无线数字通信平台，既可以在一对终端间进行语音通话，又可以实现计算机应 用数据的无线传输，还可以以一个终端为基站，为多个终端进行组网，实现点对多点 的无线数据收发和控制。 1 3 课题意义 该平台可具体设计到多种应用中，方便人们的生活，实现人们一直追求的“无论 在任何地方，无论在任何时间，无论在任何场合与任何人都可以用任何方式进行通信” 的理想。例如： 无连线计算机 本系统可以替代连线。许多计算机外设的缆线都可以用无线连接替代，键盘、鼠 标、游戏操纵杆、喇叭、打印机、扫描仪和其他一些类似的设备嵌入该平台后可以实 现无线传输。还有一些与m p 3 、掌上电脑的连线、与数字摄像机之间的电缆以及与网 络进行连接的导线等等，都可以用无线连接替代。现在已经有一些应用，如手机与计 算机之间通信通过红外连接等。 由于不用考虑连线，外设的摆放和使用更加自由。例如，喇叭、打印机和扫描仪 可以根据环境放在最恰当地地方，而不必顾及连接器和导线长度的限制。用户的接口 设备，如键盘、鼠标和游戏操作杆，可以放在方便的地方，还可以随用户移动，不必 顾忌因为连线的限制而必须放在一个固定的地方 无线多媒体 支持多媒体的移动通信。无论在办公室还是在家里，多媒体应用正在迅速成为我 们生活中必不可少的一部分，本平台可提供实时的语音无线传输，增强了语音通信的移 动性，既可以设计成对讲机使人们在远距离仍可以进行语音通话，跨越距离将声音传 送到他们的面前，包括在移动大楼中不同楼层的两个人之间的通信，尤其是在特殊不 安全的环境下，不用人体亲自到达就可以了解那里的情况；又可以设计成无绳耳机， 省去耳机和音频终端间的连线，避免声音打扰了周围的人，还可以随处走动，在求助 台、办公桌前，使用无绳耳机进行通话可以解放人们的双手来操作计算机，在驾车或 者提着物品步行时，也需要无绳耳机解放人们的双手。 无线m o d e m 应用互联网协议使无线接入计算机网络成为可能，这样无论在办公室和公共场所 。一。1 。- _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- 。_ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ 一一 华中科技大学硕士学位论文 等多种环境，不用连接电话线就可以用笔记本通过无线m o d e m 随时随地登陆上互联 网。传统的方法是经过电话线用调制解调器拨号先连接到i n t e m e t 的服务提供商处， 再将计算机与i n t e m e t 互连。本平台可以在无任何缆线的情况下，只要其内部支持拨 号上网协议子集，就可以连接k n t e m e t ，接收新的电子邮件或者向移动电话发送新的电 子邮件通知消息。 无线组网 在没有连线的邻近设备间组成无线网络实现个人区域网，或者说能实现个人设备， 诸如移动电话、掌上电脑、笔记本电脑和m p 3 间的联盟。当这些设备无缝隙连接地进 行通信时，它们的整体功能得到了增强。无线组网的另一个应用是移动设备和固定设 备，如与公用电话亭、打印机、网络介入点和固定销售机等之间的交互。当一个人靠 近某个固定设备时，他所携带的个人设备就能建立起与这个固定设备的通信。 h o m e r f 5 】 可以组建家庭无线网络，使统一标准的语音、数据和视频业务可以共享。从家庭 网络中的新型数字娱乐装置到传统的家用设施，组成的h o m e r f 网络支持多种家庭娱 乐、家庭自动化控制甚至是远程医疗服务。建立无线家庭网络后其应用可以多种多样： 在p c 、外设、无绳电话以及诸如便携式远程显示器等新型装置之间共享语音和数据； 在住宅内部及其周围的任何地方，通过笔记本电脑访问i n t e m e t ：在电脑和其他新型设 备之间共享一个i s p 连接；连接多部无绳电话、传真机和语音信箱的智能电话：检查 来自小型无绳电话的输入声音、传真和电子邮件等信息：通过对无绳电话发出命令， 启动其他的家用电子系统：做基于p c 或i n t e m e t 资源的多玩家游戏；用音频流下载 m p 3 和其他音频文件；在家中的任何个地方的联网设备上欣赏音乐。 1 4 论文的主要工作和章节安排 论文工作主要围绕着多功能无线数字通信平台的研制和开发进行，主要包括理论 分析了语音和射频的实现技术，对无线数字通信平台的功能设计进行了深入的分析， 提出了一套完整的多功能无线数字通信平台硬件设计方案和基于该平台的点对对点组 网协议软件设计方案。内容涉及无线数字通信平台语音模块和射频模块的设计原理和 实现方法，编程控制无线数字通信平台内各模块的方法和实现、点对多点无线随机接 入组网协议的设计原理和实现以及在计算机问进行数据通信的实现方式。 4 华中科技大学硕士学位论文 本文的章节具体安排如下： 第一章：介绍了无线数字通信的特点及目前的发展现状，并简要说明了论文涉及 的课题及实现目标，同时讨论了本课题所设计的多功能无线数字通信平台的未来发展 方向。 。 第二章：介绍了一般无线数字通信平台的总体结构和总体考虑。主要从三个方面 对平台的设计方案进行论述，一是平台工作频率的选择，二是语音模块和射频模块的 设计方案。并对整个平台的逻辑结构做了简要介绍。 第三章：讨论了无线数字通信平台采用的技术进行了原理分析并阐述了语音和射 频模块的实现。内容包括无线层的零中频调制、基带的c p f s k 数字调制和语音c v s d 编解码技术。对射频芯片和语音芯片的外围电路进行了详细论述。 第四章：详细论述了无线数字通信平台的数据传输层的设计方案，并阐述了控制 模块对各模块的物理连接和控制方式。内容包括各模块间的连接方式，控制模块对各 模块的控制实现，实现语音传输的实现方式和点对多点无线随机接入协议的工作机理 和实现过程。 第五章：主要介绍了无线数字通信平台计算机串行接口的设计及在w i n d o w s 编程 环境下与单片机通信的算法研究。 第六章：对无线数字通信平台的设计和实现做了总结，对无线数字通信平台的软 硬件测试的情况做了详细的论述，交代了实现中需要注意的一些问题，并提出了系统 的改进方向。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 无线数字通信平台的设计 2 1 一般无线通信系统概述 低频信号难于从天线上以电磁能量的形式辐射出去，信源需要调制到载波上去， 利用载波信号传播信息，然后在接收端将己调载波转换回原始信息。一般的无线数字 通信系统的简化方框见图2 1 所示【6 1 。 无线信道 雩 ，匮h 翌墅卜龊 k 机倒 图 图2 1 无线通信系统简化框图 一个简单的无线数字通信系统大概由以下几部分组成：a d 、d a 、数字信号的调 制解调器、功放、滤波器、变频器、振荡器等。 2 2 本课题系统硬件设计 在本课题的平台设计中，模拟信号以语音信号为主，将模拟的语音信号经a d 转 换为数字信号后调制发射出去，在接收端还原为数字信号，再通过d a 转换为语音信 号。因此本无线数字通信平台在物理上主要分为三个模块：语音模块，负责语音的a d 和d a 转换，提供模拟和数字信号的接口：射频模块，负责数字信号的调制和无线发 射接收，提供数字和射频信号的接口；控制模块，负责对语音模块和射频模块的协调， 同时可对数字信号进行相应的处理。在设计本无线通信数字系统时，我们首先要考虑 如下三个问题：射频频段的选择( 载波为多少) 、射频模块的设计、语音模块的设计。 2 2 1 频段的选择 ：j 己线通信媒质一般包括无线电波、微波、红外线光。微波一般用于卫星通信，而 红外线则常被用于一些极短距离的小数据量应用环境 7 1 。无线电频率又按管制带宽 一- - _ - _ - - - _ _ - - _ _ _ _ _ - - - - _ _ 一 6 华中科技大学硕士学位论文 和非管制带宽划分，当前的g s m 移动通信上行频率为8 8 0 9 s m h z ，下行频率 9 2 5 9 6 0 m h z ；双频手机还可以在上行频段1 7 1 0 1 7 8 5 m h z 和下行频段1 8 0 5 1 8 8 0 m h z 上：2 5 g 的g p r s 业务和g s m 共用一个频段，无需对硬件进行改动：即将 推出的码分多址的3 g 业务国际电联确定的频段是1 8 8 5 2 0 2 5 m h z 及2 1 1 0 一 2 2 0 0 m h z ；具有中国特色的“小灵通”业务所属频段为1 9 0 0 1 9 2 0 m h z 学j 。以上这些业 务都在国家的管制带宽范围内，使用需经国家无线电管理机构批准，由国家对无线电 频谱实行统一规划、合理开发、科学管理。蓝牙和8 0 2 1 1 协议工作在全球通用的2 、 4 g h zi s m ( 即工业、科学、医学) 频段，除两协议的频段重叠造成互相干扰外，由于 i s m 频带具有的公开性，使得其对所有无线电系统都“来者不拒”，又十分靠近热红外 频段，会遭到不可预测的干扰，比较常见的家电、手机、遥控器、微波炉等等都会对 其形成干扰。鉴于以上情况，我们选择位于3 0 0 m 5 0 0 m 间的4 3 3 9 2 m h zi s m 频段， 这一频段无需申请许可，节省了申请费，而且这一频段也多为对讲机频段。 2 2 2 射频芯片综述 随着无线技术的发展和无线市场的日益扩大，各种性能的无线集成芯片也纷纷涌 现出：来。当前工作在科医频段的几种典型的数字收发芯片，其性能参数见表2 1 所示。 表2 1 市场上各无线射频芯片的参数比较【9 】f 1 。1 | 1 1 1 ln e m r i r f 4 0 lg j i i f 4 0 0趣1 2 0 1 工作频段 4 3 3 9 3 4 3 4 3 33 0 0 5 0 03 0 0 5 0 0 工作信道2 个 3 2 个1 个 调制方式 f s kf s kc p f s k 传输速率 2 0 髓d s1 9 6 k b i 】s 6 4 k h p s 编码方式无p , a n c h e s t e r无 变容= 极管 外围器件贴片电容电感s a w 、贴片三极管 线豳 稳频方式 p l lp l ls 肼 工作电压 2 7 。5 2 v2 7 4 3 3 v2 r 3 v 输出功率* 1 0 d b m 5 浦+ 5 d b m 应用方式无f h s s无 7 华中科技大学硕士学位论文 n r f 4 0 1 芯片的特点是发射功率大，对电压要求小，外围电路简单，芯片在不同的 信道上以双工方式进行收发工作，但调制主要采用p l l 锁相技术，其v c o 电路采用 l c 振荡电路，所以频率性能易受外界环境的限制。 g j r f 4 0 0 芯片则采用对f s k 信号的硬检测技术，可实现跳频扩频通信，加强了信 号的保密性，但其速率太低，只能进行低速率的数据传输，基本可维持语音通信，而且 由于外围器件采购困难，所以只能放弃使用。 还有前景十分广阔的爱立信公司出品的蓝牙模块 1 2 1 也曾为选择的一种，其 r o k l 0 1 模块分主从模块0 0 8 和0 0 7 ，可实现点对点和点对多点的跳频数字通信，而 且模块工作在2 4 g h z ，模块内部构建了5 0 0 h m 的天线、u s b 和u a r t 的计算机接口及 p c m 的语音数字接口，其中软件部分还包含了b b 、l m 和h c i 的协议；但是鉴于其 开发工具价格昂贵最后并未采用。 最后本无线数字通信平台采用x e m i c s 公司的x e l 2 0 1 射频芯片作为射频模块的 核心部件，它具有的高速数据传输性能便于平台后期灵活开发，其v c o 的振荡电路 采用了稳定性高的s a w 表面声表晶振，而且由于采用零中频技术，可将其作为更高 微波频率的中频输入，并因基带调制的d d s 技术可对频偏进行数字调整，有利于后续 开发。 2 2 3 音频编码器综述 一般人的语音频率范围在3 0 0 h z 3 k h z 范围内；人耳能听到的声音频率范围大 约为1 6 h z 1 6 k h z ：所以可以确定语音信号的频宽为4 k h z 。根据n y q u i s t 定律采样 速率至少应为被采样模拟信号的两倍，方可还原该模拟信号，作为语音信号带宽 _ 4 k h z 所以，采样速率至少为8 k h z ”】。当前的语音编码算法主要有脉冲编码调制 p c m 、差分脉冲编码调制a d p c m ；d e l t am 、连续可变斜率增量调制c v s d ：c e l p 码激励线性预测算法三类。对模拟语音进行数字化处理后，数字语音的保真度主要有 带宽和处理能力两个因素来决定： 对于第一代调制方式p c m 信号，是用同等的量化级数进行量化，完全没有利用 语音的特性，与普通的a d 转换一样，信号没有得到压缩n 4 1 。所以如果采样率为4 k h z ， 每次采到8 位数字信号，数字传输率需为6 4 k h z ，这说明数字语音需要压缩来降低数 字传输率。 对于第二代调制方式m 增量调制只有两个量化电平，每次采样只需i 位数字信 华中科技大学硕士学位论文 号，如果采样率还是8 k h z ，则数字传输率为8 k h z 。但当语音信号大幅度变化时，阶 梯波的上升或下降有可能跟不上信号的变化，会产生滞后，造成失真，称之为“斜路 过载” 1 5 1 。因为采用的是最粗糙的量化器，其量化误差也比较严重，语音质量得不到 保证，所以通常选择采样频率比n y q u i s t 采样频率高许多倍。 现在随着处理信号能力的提高，出现了第三代调制方式c e l p ，这种采样方式属 于有损压缩方式，其利用了线性预测分析的原理，其采样率可减少到5k h z 到8 k h z ， 甚至更小，但是其芯片目前还相当昂贵，所以没有予以采用。 c v s d 是在m 的基础上改进的一种语音调制方式【1 ”，用多个连续可变的线段来 逼近音频信号，它和m 都是采用两个量化电平( 1 b i t ) ，在m 的量化器的基础上采 用了自适应技术来循序调整量化阶的大小，以更精确地表达小幅度信号而不牺牲大幅 度信号的性能。c v s d 十分适用于对语音有“通信质量”要求的场合，其在无线数字 通信中的应用优点有： 1 数字传输速率可调，一般数字语音传输速率范围在9 6 k h z 6 4 舷内，c v s d 可根据实际的信号带宽和传输速率的限制，由时钟信号控制其采样频率： 2 c v s d 采用了串行无帧发送方式，若发送端的数据发生缺失，对于接受端输 出会降至零，然后重新解调，同理允许少量的零星误码； 3 在无信号输入时产生0 1 0 1 序列，在无线信道中有利于功放的功率均衡。 考虑以上众多因素，我们选择了m o t o r o l a 公司生产的m c 3 4 1 8 c v s d 语音编码 解码：卷片作为本系统的音频处理的核心。 2 3 本课题系统框图 综合上述情况，本无线数字通信系统平台硬件设计将分为三个模块：射频模块、 链路管理控制模块和语音模块。模块核心分别为射频芯片x e l 2 0 1 、语音芯片m c 3 4 1 8 、 控制芯片a t 8 9 c 5 1 。以x e l 2 0 1 为核心的射频模块，其内部集成基带调制和射频收发， 对外提供收发数据线和时钟引脚；以m c 3 4 1 8 为核心的语音模块，对语音信号实现 c v s d 编解码功能，对外提供数字语音信号的输入输出引脚，同时需要外界提供时钟 信号；链路管理控制模块由a t 8 9 c 5 1 构成来控制x e l 2 0 1 射频模块和m c 3 4 1 8 语音模 块的数据输入输出，对数字语音和无线信号的参数进行配置，并对外提供串行接口， 以方便非语音数据信号的无线传输和与计算机相连实现计算机间的无线数据传输。 9 华中科技大学硕士学位论文 无线数字通信平台的逻辑结构可划分为物理层、数据传输层和应用层三部分；定 义无线数字通信平台的内部逻辑如图2 2 所示。 图2 2 无线通信平台逻辑功能框图 物理层：其功能是实现物理的语音接口、串行接口和无线接口，包括将模拟的语 音信号处理为数字信号、将数字信号调制为基带信号，将基带信号调制为射频信号发 射，还有对语音模块和射频模块的控制，及向计算机提供的r s 2 3 2 串行接口。 数据传输层：其功能是对发送数据和接收数据进行分组，转向无线层发送和向上 层应用程序提供服务；包括对串行接口的数据进行处理和对多平台间的点对多点通信 进行协调，对无线组网提供支持。 应用层：是该平台的一些实际应用，包括语音的移动通信，w i n d o w s 的串行通信， 无线广播等，典型的串行应用可以从i r d a 或串行电缆的环境中的应用移植到本无线 平台上。 关键逻辑块功能概述 基带为连续相位频移键控( c p f s k ) 数字调制方式：将数字的0 1 信号经过c p f s k 数字调制后为下层的无线层提供i 和q 两路正交信号。 无线层为零中频单边带载波调制：将基带提供的正交三角基带调制信号直接经过 1 0 言 华中科技大学硕士学位论文 载波变频到射频波段，无需中频i f 二次调制，同时将接受到的射频信号经过单边带解 调送到基带转变为数字信号。 音频为c v s d 编解码器：将模拟语音信号数字编码后向基带提供数字语音信号， 还负责将下层的数字语音信号解码为模拟语音信号送往喇叭输出；完成语音信号编解 码的全部处理功能。 链路管理控制器负责对各模块数字信号的控制和管理，在物理层主要有数字语音 信号、无线收发信号、串行数据信号和控制信号四种信号，链路控制管理器通过控制 信号和时钟信号对数字语音信号、串行数据信号进行有效的管理和协调，将数字语音 信号和串行数据信号有序的送发到无线模块中，并将无线模块接收到的无线数字信号 实时的转发到语音模块和串行接口中去，保证数字信号的正确、实时收发；内部以定 时器和中断方式来控制数字信号。 组网协议负责所组网络的时间同步过程和各终端的地址分配过程，对网络数据包 的分组格式进行了定义和协调信道在网络各终端问的占用，保证各终端能有效和准确 地通信，实现对各终端的确认和呼叫连接。 各模块间信号流程 在本平台上共有3 种信号，它们分别是音频信号、数据信号和控制信号，这三种 信号在逻辑模块的流向为： 音频信号：根据语音的特点，语音无线数字通信使音频信号分为数字语音和模拟 语音两种形式。模拟的音频信号在一端平台上通过语音模块采集变为数字语音信号后 送入基带、无线层经过无线信道发射出去，另一端平台通过无线信道接收到射频信号 后解调成数字语音信号发往语音模块还原为模拟语音播放出来。实现语音无线双工通 信，即通话双方可以同时听到对方的语音：这种通信方式需要点对多点的组网协议的 支持，是组网协议的一种特殊形式，将要发送的数字语音信号进行传输，虽然在时间 上语音数据的接收和发送是不连续的，但在双方平台上对接收到的数字语音进行缓存 然后播放，播放出的语音效果是连续的。 数据信号：数据信号有两种形式，一种是串行数据格式，该格式适用于计算机的 串行接口，收发无需同步信号控制，通过r s 2 3 2 串行接口来收发，主要为计算机应用 提供数据服务；另一种主要是射频模块提供的发送接收数据格式，链路管理控制器根 据射频模块的数据收发方式，向连接的其他设备物理提供数据，为这些设备提供无线 数据服务。 华中科技大学硕士学位论文 控制信号：对于本平台中的射频接口、语音接口和串行接口，控制信号对这些接 口进行协调控制，控制信号分为时钟信号、数据传输率控制信号、调制控制信号、功 率控制信号、发送接收控制信号、采样控制信号、串口模式控制信号。时钟信号控制 语音模块的采样速率和采样时刻：采样控制信号控制语音信号的采样和还原；数据传 输率控制信号控制基带的数据发送速率；调制控制信号控制基带的调制参数：功率控 制信号控制无线层的发射功率大小：发送接收控制信号控制无线层的收发；串口模式 控制信号控制串行接口的工作方式。 备逻辑模块的实现 基带和无线层在射频模块x e l 2 0 1 芯片中实现，射频向上层的提供数字信号和控 制信号，向下层提供发射接收的无线信号；音频在语音模块m c 3 4 1 8 芯片中实现，向 多媒体应用和基带提供数字语音信号，链路管理控制器对其实现控制；链路管理控制 器和r s 2 3 2 0 串行接口在控制模块c 5 1 中实现，向m c 3 4 1 8 和x e l 2 0 1 提供控制信号， 同时实行串行的数据接收；点对多点组网协议由软件编程实现；串行数据计算机应用 由w i n d o w s 串口编程实现。 以下各章将根据物理模块和逻辑模块的划分分别阐述本平台各模块的原理和设计 实现方式。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 3 物理层设计与实现 本章主要介绍物理层逻辑模块中无线层、基带和音频的实现原理，然后将介绍射 频模块、音频模块和天线的物理实现和其模块的外围电路设计。作为链路管理控制器 的控制模块是物理层中各模块数据链路管理控制的核心，将在下章中阐述。 物理层是整个无线数字通信平台的底层，其中射频模块和语音模块的实现决定了 平台的基本性能，在物理层中基带的调制参数、无线层的修正频率和音频的采样速率 都可以数字可调，所以这里的无线数字通信平台不仅指其传输的是数字信号，还指可 以用数字信号设置无线通信的相关参数。 3 1 物理层中逻辑模块的功能原理 3 i 1 无线层中的单边带调制 一般信号的频谱由两个边带组成，并且两个边带是信息谱的复制。高于和低于载 波频率的边带分别称为上边带和下边带，两个边带携带的信息是相同的，因此对于有 限传输频宽，我们可以去除其中一个边带，而又不致丢失任何有用信息，这种方法称 之为单边带调制s s b 。单边带信号的产生方法如图3 1 所示。 图3 1 单边带信号的调制解调方法 单边带调制数学公式可表示为 驯f ) _ k 肌) j m ( 咔2 班 ， 其中名( f ) 为m ( r ) 的h i l b e r t 变换，对应为m ( f ) x 磊1 ，未( f ) 中的每个正谱分量都是 华中科技大学硕士学位论文 m ( t 1 的谱分量的9 0 0 相位差( 一9 0 0 ) 。 单边带解调方法数学公式可表示为 m ( t ) + j t h ( t ) = s s s 8 e 口 ( 3 - 2 ) “一”表示低频滤波，将滤除基带信号外的杂波和高次波。 这种射频调制方法将基带信号的两个正交分量直接调制到4 3 3 9 2 m h z 的载波上， 省去了一般无线通信中的中频调制步骤，实现了零中频技术，并且节省了一半的带宽： 其中采用的声表面波( s a w ) 振荡器，提供了高精度的振荡频率，中一1 1 , 频率能高达几千 兆赫兹，稳定性好、相噪低1 8 1 。而且解调电路和调制电路相似，在收发器中可共用本 地振荡器和9 0 0 调相电路。 3 1 2 基带的c p f s k 数字调制 一般电路在基带对数字信号进行f s k 调制时多采用模拟的调制方式，以非线性器 件改变振荡频率，然后滤去非线性器件引入的杂波成分，因此电路十分复杂。如果进 行连续相位调制则电路就更加复杂【l 。这里的基带调制采用全数字化的电路调制，调 制频率可上兆赫兹，符合现代的软件无线电观点，其思路具有一定的借鉴价值。而且 全数字化电路的实现使调制参数精确数字可调，避免了解调的复杂性。 c p f s k 原理 连续相位频移键控是f s k 的一种改进，由于相位的非连续变化将引起包络的起 伏，因此采用连续相位调制可以从根本上改善包络的起伏。m s k 是具有调制指数为 0 5 的连续相位频移键控的一个特例【2 0 】，c p f s k 的数学表示推导如下。 p a m 信号的数学表示式为： d ( f ) = i g ( t - n t ) ( 3 - 3 ) 这里， l 代表幅度序列，幅值电平分别为l ，3 ，+ ( m - i ) ，是信息序列 映 射到k 位的二进制数值；g ( f ) 是幅度为去，宽度为丁的矩形脉冲。d ( f ) 信号是频移 到载波后的调制信号，因此相应的基带波形信号可表示为 1 4 华中科技大学硕士学位论文 v ( f ) = 肠玩挑+ 丸 ( 3 - 。) 这里五是峰值频偏，九是载波的初始相位。 对应的载波调制后的信号可表示为 协序c o s 2 班嘶咖丸 这里妒( f ；，) 代表随时间变化的载波相位，其定义为： 妒( f ；，) = 4 石玩f o a ( r ) 打 嘲玩啦l g ( r - n t ) 卜 ( 3 5 ) 公式( 3 6 ) 说明：虽然d ( f ) 是不连续的，但d ( f ) 的积分却是连续的。因此获得的是 连续相位信号。2 e e n t s f ( n + 0 r 期间的载波相位由公式( 3 6 ) 中的积分式决定。 因而 m 咖2 厅厶丁荟砌正( 丁) l( 3 7 ) = 以十2 r h l q ( t - n t ) 这里 ，只，q ( n ) 定义如下： h = 2 五f 只= 棚 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 1 5 华中科技大学硕士学位论文 g ( 以) = 公式( 3 9 ) 表明见代表了所有符号在( 月一1 ) z 时间内的积累，所以说这种调制方式 是有记忆的，参数h 称作调制指数。 2 1 j c p f s k 的优点 一般的f s k 波形在码元跳变处频率会发生明显的变化，相位也会发生很大的跳 变，c p f s k 较于f s k 的调制方式能避免相位的跳变，该调制方式保证了相位在码元 变化处即从一个频率到另一个频率的跳变时相位是平稳变化。对于其他的数字信号的 调制方式，b p s k 需要的带宽最多，c p f s k 与其他相比具有更小的旁瓣，因为相位变 化越平缓，谱的拖尾下降到零就越快。也就是说相比于其他的调制方式c p f s k 具有 更高的谱利用率。，当传输信号拥有较小的旁瓣时，有利于避免过量的相邻信道干扰。 x e l 2 0 1 芯片c p f s k 调制的0 1 信号频谱分别如图3 2 所示。 ：”澎蛭 8 船沙i 嘁 图3 2 x e l 2 0 1 芯片c p f s k 的0 1 数字信号调制频谱( 左边是0 ，右边是“1 ”) 全数字调制电路 随着c m o s 数字l s i 的高速发展，模拟调制可以用数字调制代替。对一个周期为 t ( ：万1 ，工是调制频率) 的波长信号以进行m 等分的时间取采样值，调制信号电路 ，r、， 0 s r o 蜒 o o，一玎。一2 华中科技大学硕士学位论文 将其s i n 和c o s 的数表固化在r o m 内存中，在每个采样时刻读出信号相应的三角数值， 其相位值为谚= 等f 盯 ( f - o ，l ，2 ，毗然后进行d a 转换得到对应自勺i | 司制信号， 此时的采样频率工= 面1 2 考等于唾，采样频率一般为调制频率的整数倍。输出的三 角波采样信号经过低通滤波器除去高次的镜像频谱后就可还原为原来的波长信号。调 制的频率会受存储器的读取时间和d a 转换的限制。 2 2 1 直接数字合成d d s 技术是x e m i c s 公司应用在x e l 2 0 1 芯片中的c p f s k 数字调 制技术，该芯片通过d d s 模块对数字信号进行处理调制出单边带调制所需的正交 c p f s k 调制三角波信号。 c p f s k 的全数字化调制原理为：设定基准波频率为正，采样频率为工= m l ，根 据c p f s k 的公式( 3 5 ) ，定义： m 。) = 丝tl t 。+ e 2 0 ( r ) 一1 虬 f r ( 3 _ 1 1 ) 其中州2 等，r 抽样时间间隔为固定值；f 在公式( 3 - 1 1 ) 中为时间整数变量； d ( t 1 为被调制的数字0 1 序列信号 根据频率公式知：。五为f s k 调制中调整载波的频率偏移量，定义n o 频偏数字 调节量；心z 为f s k 调制的频率偏差量，定义虬为频差数字调节量。当载波在无 线信道中发生了频率偏移，可通过改变n o 的值在接收端进行修正；通过设置忆的值 设定f s k 的调制指数。 根据c p f s k 调相公式( 3 7 ) ，实现其电路时，将基准波频率z 在一个周期内m 时 刻的相位三角函数值固化在内存中，在每次抽样时根据相位的变化通过相应的地址读 取相应的三角函数值，将得到频率为z 的单频基准波的抽样波形，经过逆抽样过程可 华中科技大学硕士学位论文 还原为周期为正的正弦波：如果每次跳过丘的一个相位值即跳过一个地址读取下一个 连续地址的三角函数值，得到的将是2 正的单频信号波的抽样波形，跳过n 个值得到 的是蜕的单频信号波的抽样波形。三角函数值按地址读取，调整频率大小也就是读取 三角函数值地址的跨度大小，o 和虬位于地址偏移量加法寄存器中，每次在采样时 刻地址加法器将当前地址与寄存器中的地址偏移量相加，即得该读取的三角函数值， 然后送入d a 转换器中还原为模拟信号，d ( f ) 频差控制开关。其电路的原理设计图见 图3 3 。 d ( t ) 频地 差 址 僻专 地 频 移 址 丽 予 量 加 法 当 器 前 地 专 址 小 傀 时钟 i 叫s a b l ec u ( 1 图3 3c p f s k 数字化调制方式原理图 q 这种数字电路方式产生的调制信号与高频电子线路所用的模拟器件产生的信号相 比，具有易于控制频率的相位、产生的信号纯净、稳定，不会受噪声系数和温度的变 化而变化、不会产生组合频率干扰、更重要的是频偏和频差数字精确可调等特点，产 生的是相当理想的调制信号 2 3 】。 3 1 3 音频编码解码原理 音频模块中模拟语音数字化采用连续可变增量调制c v s d 的语音编解码算法。一 般来说，c s v d 对通信误差有更好的容错性，