（通信与信息系统专业论文）基于dsp的无线modem的基带部分的实现.pdf

摘要 随着无线局域网应用的扩展，无线m o d e m 技术也得到了越来越多的发展。 本文提出了一种利用t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片作为中央控制器，在i n t e r s i l e 公司的p r i s m 2 无线局域网套片的基础上开发无线m o d e m 的方案。文中讨论了 硬件调试平台的设计和为实现点对点数据通信所需的控制协议。在介绍了 i e e e 8 0 21 1 协议的物理层用到的直序扩频技术和补码键控技术后，对系统的时分 双工工作机制的建立与维护进行了详细的分析。提出了一种利用数据帧结合 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片特性进行时钟同步维护的方法。最后，在介绍了差错控制编 码的原理后讨论了如何实现卷积码的编解码算法。 关键字：无线m o d e m 控制协议时分双工卷积码 a b s t r a c t 、v i t ht h em o r ea n dm o r eu s eo f w i r e l e s sl a n t h et e c h n i q u eo f w i r e l e s sm o d e m h a sb e e n d e v e l o p e d i nt h i s p a p e r , a s c h e m eo fw i r e l e s sm o d e mb a s e do n t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 c h i pa n dp k i s m 2c h i p si si n t r o d u c e d t h ed e s i g no f h a r d w a r ep l a t f o r m a n dt h e p r o t o c o l o ft h ep o i n t - t o p o i n ts v s t e ma r ed i s c u s s e dt h et h e o r yo fd i r e c t s e q u e n c ea n dc c ki s d e s c r i b e d t h em e c h a n i s mo ft d mi se s t a b l i s h e dt h e n a m e t h o dt om a i n t a i nt h es y n c h r o n i z a t i o no ft h et d mi sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d ，d a t a f r a m e sa n dc h a r a c t e r i s t i co ft m $ 3 2 0 c 5 4 0 2c h i pr r eu s e d t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e c o n v o l u t i o n a lc o d ei sa l s od i s c u s s e di nt h i s p a p e nf i n a l l y , t h e f l o wc h a r to ft h e a l g o r i t h m so f t h es y s t e m i sd e s c r i b e d k e y w o r d ：w i r e l e s sm o d e m t d mc o n v o l u t i o n a lc o d ep r o t o c o l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网及无线m o d e m 概述 11 1 无线局域网概述 近几年来，计算机网络技术的逐渐成熟和飞速发展使之迅速地渗透和普及到 了社会的各个领域，并在许多方面改变了人们原有的生活方式和生活观念。无线 局域网( w l a n ) 技术作为计算机网络技术的一个分支也渐渐地浮出水面，得到 了众多业内人士的关注。目前已经有多家厂商推出了他们各自的w l a n 产品， 例如3 c o m 、a i r o n e t 、c a b l e t r o n 、l u c e n t 、i n t e l 、i b m 和c o m p a q ，这些产品在一 定程度上已经投入了应用。以下对w l a n 简单介绍一下。 一、w l a n 的技术标准 最早的w l a n 产品运行在9 0 0 m t - i z 的频段上，速度大约只有l - 2 m b p s 。1 9 9 2 年，工作在24 g h z 频段上的w l a n 产品问世，之后的大多数w l a n 产品也都 在此频段上运行。目前的w l a n 产品所采用的技术标准主要包括：i e e e8 0 2l l 、 i e e e8 0 21 l b 、h o m e r f 、i r d a 和蓝牙。 l e e8 0 21 1 1 9 9 7 年6 月，i e e e 推出了第一代无线局域网标准- - i e e e 8 0 2 1 1 。该标准定 义了物理层和介质访问控制子层( m a c ) 的协议规范，允许无线局域网及无线设备 制造商在一定范围内建立互操作网络设备。任何l a n 应用、网络操作系统或协 议( 包括t c p i p 、n o v e l ln e t w a r e ) 在遵守i e e e8 0 21l 标准的无线l a n 上运行 时，就像它们运行在以太网上一样容易。 2 i e e8 0 21 1 b 为了支持更高的数据传输速率，i e e e 于1 9 9 9 年9 月批准了i e e e8 0 21 l b 标准。i e e e8 0 2 1 l b 标准对l ee8 0 2 1 1 标准进行了修改和补充，其中最重要的 改进就是在i e e e8 0 21 1 的基础上增加了两种更高的通信速率55 m b p s 和 1 1 m b p s 。由于现行的以太网技术可以实现1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 乃至1 0 0 0 m b p s 等 不同速率以太网络之间的兼容，因此有了i e e e8 0 21 1 b 标准之后，移动用户将可 以得到以太网级的网络性能、速率和可用性，管理者也可以无缝地将多种l a n 2 基于d s p 的无线m o d e m 的基带部分的蛮现 技术集成起来，形成一种能够最大限度地满足用户需求的网络。i e e e8 0 21 l b 的 基本结构、特性和服务仍然由最初的i e e e8 0 21 1 标准定义。i e e e 8 0 21 1 b 规范 只影响i e e e8 0 21 1 标准的物理层，它增加了更高的数据传输速率和更健全的连 接性。 i e e e8 0 21 1 b 可以支持两种速率一55 m b p s 和1 1 m b p s 。而要做到这一点，就 需要选择d s s s ( 直接序列扩展频谱：d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 技术作为 该标准的唯一物理层技术，因为，目前在不违反f c c 规定的前提下，采用跳频扩 频技术无法支持更高的速率。这意味着i e e e8 0 21 1 b 系统可以与速率为i m b p s 和 2 m b p s 的i e e e 8 0 21 ld s s s 系统兼容，但却无法与速率为1 m b p s 和2 m b p s 的i e e e 8 0 2 1 1f h s s 系统兼容。 3h o m e r f h o m er f 是由m i c r o s o f t 、i n t e l 、h p 、m o t o r o l a 和c o m p a q 等公司开发的。 它使用共享无线接入协议s w a p ( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c 0 1 ) 使其支持语音 与数据在i n t e m e t 和p s t n 上传输。它的工作频段为24 g h z ，话音通信采用d e c t 标 准，数据通信采用t c p i p 。h o m er f 既支持用t d m a 来进行话音等实时性服务， 又支持c s m a c a 以传输高速分组数据。h o m er e 的传输半径大于5 0 m ，与b l u e t o o t h 的小于1 0 m 及更小半径的i r d a 相比，有着一定的优越性。 h o m er f 原来的传输速率是2 m b s ，现在f c c 已经允许其达到8 m b s 。 4 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 蓝牙( b l u e t o o t h ) 计划是由e r i c s s o n 、i b m 、i m e l 、n o k i a 和t o s h i b a 等公司在1 9 9 8 年联合推出的一项先进的无线网络技术。蓝牙技术的实质内容是要建立通用的无 线接口及其控制软件的开放标准，使计算机等设备和通信进一步结合，使不同厂 家生产的便携式设备在没有电线或电缆相连的情况下，能在近距离范围内互联互 通。蓝牙设备依靠专用的蓝牙微芯片能使设备在短距离范围内发送无线电信号， 来寻找另一个蓝牙设备。一旦找到，相互之间便开始通信，交换信息。 蓝牙的工作频段为无须授权的工业、医学、科学频段( 24 g h z 的i s m 频段) ， 以保证其能在全球范围内使用这种无线通用接口和通信技术；采用每秒1 6 0 0 次 的快跳频和短分组技术，以减少干扰和信号衰落，保证传输的可靠性；采用前向 纠错( f e c ) 编码技术，减少远距离传输时的随机噪声影响；其话音采用抗衰落能 力很强的连续可变斜率增量调韦 j ( c v s d ) 编码方式以提高话音质量； 以时分方式 进行全双工通信，传输速率设计为l m i - i z ；采用频率调制方式，以降低设备的复 杂性。蓝牙系统支持点对点以及点对多点通信，其作用半径在发射功率为l m w 时是l o m 。 蓝牙的基带协议是电路交换和分组交换的组合，可以同时支持语音和数据的 传输。该技术支持两种连接方式：面向连接( s c o ) 方式，主要用于话音传输； 第一章绪论 无连接( a c l ) 方式，主要用于分组数据传输。 5i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ，红外线数据标准协会) i r d a 是红外线数据标准协会( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 的简称，目前广泛 采用的i r d a 红外链接技术就是由该组织提出的。i r d a 技术目前在市场中占了很 大的份额，全世界已经安装了至少5 0 0 0 万个单元。它采用红外线作为通信媒介， 其相应的硬件和软件技术比较成熟，支持各种速率的点到点的话音和数据业务， 主要应用在嵌入式系统和设备中。在通信速度方面，目前i r d a 的典型值为4 m b p s ， 通信距离在l m 以内，同时在点对点通信时要求接口对准角度不能超过1 2 0 度。 i r d a 具有这样一些优点：数据传输速率高，适合于传输容量较大的数据文件 和多媒体数据流；红外线发射角度较小，且不具备穿透能力，有一定的物理传输 上的安全性( 例如在无线家居网中不会把用户的信息传到屋外) 。但红外线发射 角度较小，且不具备穿透能力又带来了传输距离短、受视距影响、要求通信设备 的位置固定等缺点；且点对点的传输，无法灵活地组成网络。 在应用上，i r d a 技术和蓝牙技术有惊人的相似之处，笔记本电脑、手持设备、 计算机外设等等也是i r d a 目前重要的应用领域。这种应用领域的重合、技术上 的相似，不禁让人们替i r d a 的前途担心：“面对蓝牙技术强大的企业支持率，i r d a 在不久的将来会不会销声匿迹? ”但据有关专家预测，由于目前采用该技术的 设备数量庞大，而且产品价格低廉，通信速度也比较快，因此i r d a 技术在未来 的一段时间内还会长期存在，其发展趋势将类似于传统的串口与现在流行的u s b 接口，同生共存。 二、w l a n 的组网 1 无线局域网设备的种类 要组建无线局域网，必须要有相应的无线网设备，这些设备主要包括：无线 网卡、无线访问接入点、无线集线器( h u b ) 、和无线网桥。 无线网卡主要包括n i c ( 网卡) 单元、扩频通信机和天线三个功能模块。n 1 c 单元属于数据链路层，由它负责建立主机与物理层之间的连接；扩频通信机与物 理层建立了对应关系，它通过天线实现无线电信号的接收与发射。 无线集线器( h 尼)既是无线工作站之间相互通信的桥梁和纽带，同时又 是无线工作站进入有线以太网的访问点。它负责管理其覆盖区域( 无线单元) 内的信息流量。覆盖彼此交叠区域的一组无线集线器( h u b ) ，能够支持无线工 作站在大范围内的连续漫游功能，同时又能始终保持网络连接，这与蜂窝式移动 通信的方式非常相似。另外，在同一地点放置多个无线集线器( h 【j b ) ，可以实 现更高的总体吞吐量。 无线网桥主要用于无线或有线局域风之间的互连。当两个局域网无法实现有 线连接或使用有线连接存在困难时，可使用无线网桥实现点对点的连接，在这里 4 基于d s p 的无线m o d e m 的基带部分的实现 无线网桥起到了网络路由选择和协议转换的作用。 除了上面讲到的几种设备之外，无线m o d e m 也可以用于无线接入，例如p d a 就可以通过外接无线m o d e m 的方式来访问i n t e m e t 。 2 无线局域网的网络结构 总的来说，无线局域网有两种类型：对等网络和基础结构网络。 n 对等网络 最简单的无线局域网结构是对等网络。一个对等网络由一组有无线接口的计 算机组成。这些计算机要有相同的工作组名、e s s l d ( 扩展服务集标识号：e x t e n d e d s e r v i c es e ti d e n t i f i e r ) 和密码( 如果适用的话) 。任何时间，只要两个或更多的无 线接口互相都在彼此的范围之内，它们就可以建立一个独立的网络。这些根据要 求建立起来的典型的网络在管理和预先设置方面没有要求。 2 1 基础结构网络 在基础结构网络中，无线中继站( 如无线接入访问点、无线h u b 和无线网 桥等设备) 把无线局域网与有线网连接起来，并允许用户有效地共享网络资源。 中继站不仅仅提供与有线网络的通讯，也为网上邻居解决了无线网络拥挤的状 况。复合中继站能够有效扩大无线网络的覆盖范围，实现漫游功能。 三、w l a n 的优势与应用前景 w l a n 利用电磁波在空气中发送和接收数据，而无需线缆介质。w l a n 的 数据传输速率现在已经能够达到1 1 m b p s ，传输距离可远至2 0 k m 以上。它是对有 线连网方式的种补充和扩展，使网上的计算机具有可移动性，能快速方便地解 决使用有线方式不易实现的网络连通问题。 与有线网络相比，w l a n 具有以下优点： 1 安装便捷 一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的，就是网络 布线施工工程。在施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管。而w l a n 最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个 接入点( a c c e s s p o i n t ) 设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。 2 使用灵活 在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一旦 w l a n 建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。 3 经济节约 由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发 展的需要，这就往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展 超出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造。而w l a n 可以避免或 减少以上情况的发生。 第一章绪论 3 易于扩展 w l a n 有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，w l a n 就能胜 任从只有几个用户的小型局域网到上干用户的大型网络，并且能够提供像“漫 游( r o a m i n g ) ”等有线网络无法提供的特性。 由于w l a n 具有多方面的优点，其发展十分迅速。在最近几年里，w l a n 已经在医院、商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛的应用。 在国内，w l a n 的技术和产品在实际应用领域还是比较新的。但是，无 线由于其不可替代的优点，将会迅速地应用于需要在移动中连网和在网间漫 游的场合，并在不易布线的地方和远距离的数据处理节点提供强大的网络支 持。特别是在一些行业中，w l a n 将会有更大的发展机会：例如海上钻井平 台由于宽大的水域阻隔，数据和资料的传输比较困难，敷设光缆费用很高， 施工难度很大。使用无线网技术，费用不及敷设光缆的十分之一，效率高， 质量好。 1 12 无线m o d e m 概述 无线m o d e m 作为无线接入的一种方式近年来发展比较快，特别是在p d a 访问e n t e r n e t 方面被广泛使用。他可以替代传统的c a b l em o d e m 使用户 得以实现数据的无线传送。 无线m o d e m 实现物理层连接，通常无线m o d e m 提供r s 2 3 2 、x 2 l 和v 3 5 等接口，主要用于点对点通信。它采用全双工通信方式，即接收和发送使用各自 的通信信道。在2 4 g h zi s m 频段内，通过数字微波无线电将信息传送给用户， 作用距离一般都可以达到5 0 公里左右。主要产品提供商有d t s 、m u l t i p o i n t 、 s y l i n k 、g i n a 、m i d w e s t 和b r e e z e c o m 等厂商。 作为w l a n 的一种接入方式无线m o d e m 很多地方有着自己的优势，例如 在石油工业中它可提供从钻井台到压缩机房的数据链路，以便显示和输入由钻井 获取的重要数据。所以近几年来国内外的通信公司纷纷开发自己的无线m o d e m 产品，但是与有线m o d e m 都支持a t 命令集不同的是目前对于无线m o d e m 而 言国际上并没有什么统一的协议。各个公司所开发的产品都按照自己的协议去 做。这样对其发展似乎有些不利。 基于d s p 的无线m o d e m 的基带部分的实现 1 2 本文研究的主要内容及所做的工作 本文主要研究了无线m o d e m 系统的软硬件设计方案和前向纠错( f e c ) 的实 现。 本文所做的主要工作有： 1 介绍了利用i n t e r s i l 公司的p r i s m 2 无线局域网套片为基础开发的无线 m o d e m 的硬件结构。 2 利用n 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片在硬件平台的基础上实现了点对点通信 的控制协议。 3 对于前向纠错( f e c ) 技术进行了研究，主要是对卷积码的编译码算法的实 现。 第二章无线m o d e m 的硬件结构设计 第二章无线m o d e m 的硬件结构设计 2 1 无线m o d e m 的硬件结构 本系统在硬件结构上以i n t e r s i l 公司的p r i s m 2 无线局域网套片为主体，这套 套片是i n t e r s i l 公司推出的专门用于无线局域网产品开发的。它主要被用于无线网 卡。由于无线m o d e m 只要求点对点的传输，不需支持网络功能，所以完全使用 i n t e r s i l 套片是不合适的。所以在方案设计中，基带处理部分没有使用i n t e r s i l 的 m a c 层芯片i - f a 3 8 4 2 ，而是用d s p 芯片来代替。这种方案的好处是，d s p 的 软件可以根据无线m o d e m 的实际需要来灵活设计，但是在系统的物理层上仍然 符合l e e e 8 0 21 1 协议族。 图2 1 基带部分硬件结构框图 中颁 单元 图2 - 1 是无线m o d e m 基带部分的硬件结构框图。无线m o d e m 基带部分通过 r s 2 3 2 串口和计算机相连。在发送时，d s p 通过u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e rt r a n s m i t t e r ) 得到计算机发来的数据，然后将数据编码、组帧后送入 h f a 3 8 6 1 b 中进行基带处理。处理后的基带信号经过匹配网络输出至无线m o d e m 的中频单元。在接收时，中频处理单元来的信号经匹配网络后被送入i - f a 3 8 6 1 b ， h f a 3 8 6 1 b 对信号进行解调等处理后，将二进制数据送到d s p 中进行解帧和解码， 最后经u a r t 发送到计算机。 d s p 的另外一个重要任务就是控制中频和射频单元。主要包括对中频和射频 单元的初始化、锁相环设置、收发转换等功能。 基于d s p 的无线m o d e m 的基带部分的实现 图2 - 2 基带部分硬件电路框图 图2 2 是基带部分的硬件电路框图。下面对框图中各部分做一简要介绍。 211d s p d s p 芯片选用t i 公司的t m s 3 2 0c 5 4 0 2 。它是1 6 位定点d s p 芯片，33 v 电源电压，输入时钟为i o o m h z ，指令周期1 0 n s 。t m s 3 2 0 c 5 4 x x 系列1 6 位定点 d s p 的突出优点是功耗低、运行速度较快且价格便宜，还有针对v i t e r b i 译码的专 用指令，因此具有很高的性能价格比，在无线通信领域中有着广泛的应用。 2 1 2u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r ) u a r t 用于d s p 和计算机之间的串口通信。虽然通过t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的m c b s p 或x f b i o ，通过软件的方法可以和计算机进行串口通信，但是这种方法增加了 d s p 的处理开销，所以在本方案中并不可取。在对通信系统的实时性要求较高场 合，可通过扩展异步通信芯片来实现系统的高速串行通信，从而增强系统的通信 接口控制能力。实用中选用了t i 公司的u a r t 芯片t l l 6 c 5 5 0 c 。其主要特点有： 夺兼容1 6 c 4 5 0 夺参考时钟最高可达1 6 m h z ，串口的波特率可达1 m ，其波特率发生器可编程 夺具有可编程的串行数据发送格式 夺数据位长度为5 、6 、7 、8 第二章无线m o d e m 的硬件结构设计 夺具有偶校验、奇校验或无校验模式 夺停止位长度为l 、l5 、2 夺可由软件设定、最多1 6 字节的f i f o 以减少c p u 中断 t l l 6 c 5 5 0 c 与t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 可以通过查询或中断方式工作。由于用查询方 式会降低系统性能，所以芯片之间的通信采用中断方式，利用t l l 6 c 5 5 0 c 的 r x r d y 和t x r d y 引脚来引入外部中断，这样就保证了t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 和p c 机 的高速通信。d s p 和u a r t 之间的数据传输通过8 位数据总线进行。 t l l 6 c 5 5 0 c 内部有1 1 个用来控制工作方式和指示工作状态的寄存器，对这 些寄存器的选取通过t l l 6 c 5 5 0 c 的a 2 、a l 和a 0 三个引脚的值和d l a b 比特 组合得到。应用中将d s p 地址总线的低三位和a 2 、a i 、a 0 相连。 t l l 6 c 5 5 0 c 的外部时钟选18 4 3 2 m h z ，而串口的波特率和外部时钟满足关系： 五亏缸以1 6 句 其中t 是波特率发生器的分频比 这里波特率发生器的分频比等于3 ，所以串1 5 1 的波特率为3 8 4 0 0 b a u d 。 由于r s 2 3 2 c 电路电平与c m o s 电平不同，因此r s 2 3 2 驱动器与c m o s 电 平连接时必须经过电平转换。本系统采用m a x 2 3 2 完成这一功能。该器件只需4 个1 i xf 小型外接电容，可在维持r s 一2 3 2 输出电平的情况下确保运行于1 2 0 k b s 数据率，因此十分适合高速串行数据通信的场合。t l l 6 c 5 5 0 的串行输入线( s ) 和串行输出线( s o u t ) 分别接m a x 2 3 2 的r i o u t 和t 1 蹦，经电平转换后由 m a x 3 2 3 2 的t 1 0 u t 和r l i n 连接到p c 机的串口。 213 电源管理芯片 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 需要两个电源电压：18 v 的核心电压和3 3 v 的i o 电压。为此 选用了t i 公司的l d o ( l o wd r o p0 u t ) 电源管理芯片t p s 7 6 7 d 3 1 8 。它可以将输入 的5 v 参考电压转换为3 3 v 和18 v 两路电压输出，最大电流可达1 a ，同时在加 电的时候可以自动产生一个宽度约2 0 0 m s 的复位信号，可以方便地用于d s p 芯 片的上电复位。 2l4 h f a 3 8 6 1 b h f a 3 8 6 1 b 是i n t e r s i l 公司的p r i s m 无线局域网卡套片中的基带处理芯片， 主要完成对数字信号的扩频解扩、c c k 调制解调等功能。 h f a 3 8 6 1 b 和t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 之间的数据传输通过t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的m c b s p 进行，而t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 对h f a 3 8 6 1 b 的控制则通过h p i 接口完成。 基于d s p 的无线m o d e m 的基带部分的实现 221 混合电平设计 2 2 硬件设计中的一些问题 在本系统中，既有v 。= 5 v 的芯片，又有v 。= 33 v 的芯片，两种芯片输出的电压 范围和可接受的输入电压范围不同( 参见图2 3 ) 。因此不能直接相连，中间需要 进行电平转换。 s v c m o s r a l i 籼r l s v 1 4 1 0 , a h c a c v c c 5 v v o h v i h v t v l l r o t g n d v 晰 v t v l l v o l g n d 5 v ( 丌l i n p 嵋 g m o $ o u m u t ) 托t a h c t , c t t v t t u l v c i o - 5 l v t l v c a l v c tl v , 图2 - 3 不同v 。的输入输出电压范围比较 设计过程中采用了t r 公司的1 0 b i t 总线转换芯片s n 7 4 c b t d 3 3 8 4 ，它可以将5 v 输入转换为3 3 v 输出。1 0 b i t 转换单元分为两部分，分别由两个输出使能引脚来 控制。 2 2 2 i 0 扩展 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的g p i o ( g e n e r a lp u r p o s e i o ) 只有灯( 输出) 和b o ( 输入) 两个引脚。此外t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的h p i 口的h d 0 一i - i d 7 也可以设置为g p i o 来使用。 然而本方案中要求t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 提供1 5 路输出和l 路输入，为此可进行i o 扩 展来满足要求。 呦 蜘 h ；! 善：姗 t+_i一i十-上 埘 侣 o 峨 岫 恤 恤 蛆 “ w ：罟 磷 ” 。 第二章无线m o d e m 的硬件结构设计 i o 扩展部分由两片7 4 h c 3 7 3 组成，其结构图如图2 4 所示。 图2 - 4 i o 扩展电路 223t m s 3 2 0 c 5 4 0 2b 6 0 t l o a d e r 本系统中t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 工作在m i c r o c o m p u t e r 模式，在这种模式下，d s p 在 上电复位后，通过内置的b o o t l o a d e r 程序将外部f 1 a s h e p r o m 中的代码装入内部 r a m 中执行。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的b o o t 方式有很多种，包括h p ib o o t 、e e p r o m b o o t 、p a r a l l e l b o o t ( 8 位和1 6 位两种) 、s e r i a lb o o t 、i ob o o t 等。这里用的是8 位p a r a l l e lb o o t 方式。 在实验过程中，第一次使用的是访问时间为1 2 0 n s 的e p r o m ( 2 7 c 5 1 2 ) ，结 果发现当d s p 的参考时钟为1 0 0 m h z 时，b o o t 的时候d s p 无法正确的读出e p r o m 中的内容。经分析是因为d s p 在b o o t 时可设置的最大软等待周期数是7 ，而 1 0 0 m h z 的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 要正确访问1 2 0 n s 的e p r o m 至少需要8 个软等待周期。 解决的办法有两个：一是把t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的工作频率降下来；二是使用访问时 间更快的e p r o m ( 或f l a s h ) 。最后采用了访问时间等于9 0 n s 的f l a s h 芯片 s s t 2 9 e e 512 。 1 2基于d s p 的无线m o d e m 的基带部分的实现 第三章无线m o d e m 的控制协议的设计与实现 3 1 控制协议概述 1 9 7 7 年，国际标准化组织i s o 下设了一个专门的委员会s c l 6 。着手制定“开 放系统互联”的有关标准。该委员会于1 9 7 9 年完成了基于功能分层概念而开发的 结构模型，称为“开放系统互联参考模型”( t h er e f e r e n c em o d e lo f o p e ns y s t e m s i n t e r c o n n e c t i o n ，简称为o s g r m ) o s i r m 为开放式互联信息提供了一种功能结构的框架，它的分层结构如图31 所示。 垦盗至堕旦星塑坚 系统l 系统 系统2 图3 1开放系统互联参考模型分层结构图 本系统的最终目的是用于无线局域网，所以在协议内容上它趋向于8 0 21 1 协 议。这里介绍一下局域网的o s t 模型。 7 6 5 4 3 2 l 第三章无线m o d e m 的控制协议的设计与实现 图3 2 局域网分层功能的参考模型 从上图中可以看出，局域网的分层功能的参考模型中把数据链路层又细分为 了“逻辑链路控f l ；f j ( l l c ) ”和“媒质接入控制( m a c ) ”两个子层。 下面看看本系统实现的是哪些层的功能 在第一章中提到了本系统的主要功能是用于实现点对点的数据通信。为了了 解本系统所需实现那些层的功能，这里先简单的介绍一下点对点数据通信系统。 计算机 五i 磊 i 信号变p 到信号变 制器il 换器| 叫换器 图3 - 3 最简单的点对点数据通信系统模型框图 如图3 - 3 所示，一个最简单的点对点通信系统由计算机、终端、通信控制器、 信号转换器和通信线路五部分组成。其中计算机和终端作为信源和信宿，通信控 制器完成源宿之间数据传输的控制作用。信号转换器的目的在于匹配通信线路的 信道特性。在频带传输时，通常称为“调制解调器( m o d e m ) ” 由此可见无线m o d e m 的主要功能为实现物理层及媒质接入控制( m a c ) 层的功能。其功能如下： l 为数据链路上两端的实体建立一条可靠的无力链路，并通过物理接口协 议实现彼此之间的内部状态控制和比特信号的变换与传输。 2 完成上层数据单元的装帧卸帧，并实现以帧为单位的同步与传输。 基于d s p 的无线m o d e m 的基带部分的实现 3 2 物理层协议的实现 第二章中提到本系统主体上采用的是i n t e r s i l 公司的p r i s m 2 无线局域网套 片。在物理层上其完全支持8 0 21 1 以及8 0 2 1 l b 协议。 本节主要介绍物理层中用到的直序扩频技术和补码键控( c c k ) 技术。同时 对本系统中物理层的数据结构作一简单的介绍。 3 21 直序扩频技术简介 扩展频谱技术是近年来发展非常迅速的一种技术。它不仅仅在军事通信上发 挥着不可取代的优势，而且广泛的渗透到了通信的各个方面。所谓的扩展频谱技 术是指利用正交码进行相位调制或码控载频跳变的一种信号处理方法。它是一种 把发送的信息展宽到一个比信息带宽宽得多的频带上去，并在接收端通过相关接 收将其恢复到信息带宽的种技术。 一、扩展频谱技术的特点 i 抗干扰性强 由于扩展频谱时干扰信号也被扩展到一个很宽的频带上，而在接收时由于 干扰信号与扩频用的伪随机码不相关，在信号带宽被压缩恢复成窄带信号 时干扰信号不会被恢复。这样进入信号通频带宽内的干扰功率会大大降 低。于是系统的抗干扰性得到了加强。 2 可进行多址通信 扩展频谱技术本身也是一种多址通信技术。称为扩频多址( s s m a - - s p r e a d s p e c t r u mm u l t i p l ea c c e s s ) ，是码分多址( c d m a ) 的一种。 3 安全保密 由于扩频系统将传送的信息扩展到很宽的频带上去，其功率密度随着频谱 的展宽而降低，甚至可以将信号淹没在噪声之中。因此，其保密性很强， 要截获、窃听和侦察这样的信号是非常困难的。 ， 4 抗多径干扰 扩展频谱技术具有很强的抗多径干扰的能力，它是利用扩频所用的扩频码 的相关特性来达到抗多径干扰的目的的。 二、直序扩频技术 扩展频谱技术包括 直接序列扩展频谱记为d s ( d i r e c ts e q u e n c e ) 跳频记为f h ( f r e q u e n c eh o p p i n 9 1 跳时记为t h ( t i m e h o p p i n g ) 第三章无线m o d e m 的控制协议的设计与实现 线性调频记为c h i r p 这里由于仅仅用到了直序扩频技术，所以仅对其作介绍。 直序扩频技术是将要发送的信息用伪随机码( p n 码) 扩展到个很宽的频 带上去。在接收端，用与发送端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进 行相关处理，压缩带宽以恢复出发送信号。 直序扩频系统的结构如图3 - 4 所示。信源输出信号s ( t ) 为码元持续时间为t 。 的信息流。c ( t ) 为宽度为t 。的伪随机码。s ( t ) 与c ( t ) 进行相乘或模二加操作后得到 扩频序列s ( t ) 。利用s ( t ) 调制载波就得到了射频信号s ”m s ( t ) = s ( t ) c ( t ) c o s c o 。t( 31 ) ( a ) 发送端 l 气凋等卤占垴 在接收端，接收到的扩频信号经过高频放大与混频后得到了r ”( t ) 。用与发端 同步的伪随机码对其进行相关解扩，可以恢复出与信息码s ( t ) 频带相同的信号 r ( t ) 。对其解调就可得到信息码r ( t ) ，从而完成了信息的传输。 322 补码键控( c c k ) 技术 、基本原理 通过改进m a r yo r t h o g o n a lk e y i n g ( m o k ) 得到的c c k 能以更小的误码率、 更高的速度进行传输，其调制器框图如图3 5 所示。 基于d s p 的无线m o d e m 的基带部分的实现 图3 - 5c c k 调制器框图 qo u t 上图中输入的串行数据经过串并转换分成为8 路。这8 路数据分为两组， 其中d 0 d 5 为一组，d 6 、d 7 为另一组。这8 路数据的速率是1 3 7 5 ms y m b 0 1 s 。 在两组数据中，d 0 d 5 这组被用来选择c c k 码字，也就是说，按某种规律从存 储器中的6 4 个正交补码中抽取一个，得到的补码( 即c c k 码字) 长度为8c h i p s ， 速率为1 1 m c h i p s 。这样，6b i t s 的信息就被调制到8c h i p s 的补码上。由于c c k 码字是一个复数码字，得到的c c k 码字按照实部、虚部分o u t l 、0 u t 2 两路被输 入到差分电路中。在差分电路中，另外一组数据d 6 与d 7 从四种相位( 0 0 ，9 0 0 ， 1 8 0 0 ，2 7 0 。) 中共同选择一种，并用这个相位对c c k 码字进行翻转。相当于，通 过q p s k 将d 6 、d 7 调制到整个c c k 码字上并输出。由于o u t l 、0 u t 2 两路信号 都进行了a e 柏的翻转，所以输出的i o u t 、q o u t 两路信号仍然保持正交耦合，因 此受信道失真的影响较小。最后这两路正交信号会被和为一路然后发出。c c k 码 字的定义如下式所示。 = ( 竹坳坳坳) ，( 竹均坳) ，一吼坳坳) ， 翰坳) ，吼屺铴) ，( 竹坳) ，竹也) ，沙) ( 3 2 ) 其中，妒= 妒1 ，妒2 ，仍，妒4 ) = o ，厅2 ，? - ，3 z 2 ) 。 c c k 的解调比较复杂，如图3 - 6 所示。接收信号首先经过一个信道匹配滤波 器，部分消除信号延时的影响。然后，接收信号与6 4 个相关器( 分别对应6 4 个 c c i ( 码字) 分别进行相关运算，得到6 4 个相关输出。对6 4 个相关结果进行比较， 最大值所对应的本地码字就是发射信号所采用的c c k 码字。由该码字可以推出发 送数据的前6 个比特。这里的相关运算都是复数运算，当然，相关结果也是复数， 而且只有四种相位( 0 0 ，9 0 0 ，1 8 0 0 ，2 7 0 0 ) ，由此，可以推出发送数据的后2 个比 特。 第三章无线m o d e m 的控制协议的设计与实现 1 7 r 骺e h o d s i g n a l im , t , c i i e d 叫f i l t r r if i r c o d c w o i d 。m a p 胆d i r i f e 日h c o d c w d r d c o r r e l a t i o n 口亡t c t d r c o m p l d c 引g h n 盯亡c t 图3 - 6 解调器框图 i n t e r s i l 公司的基带处理器t t f h 3 8 6 1 b 包含一种快速的蝶形算法，可以大大 简化运算复杂度。 二、c c k 的性能 c c k 可以理解为软扩频，即用4 位信息码元对应一条8 比特的伪随机码。c c k 码 字可以看成是个( 8 ，4 ) 线性分组码，最小汉明距离为4 ，可以纠一位错误，发现j 位错误。 f c c 要求直序扩频处理增益在24 g h z 的i s m 频段上至少为l o d b 。c c k 的 处理增益能达到1l d b ，其中扩频增益9 d b ，此外m o k 本身可提供2 d b 增益。 323 物理层的帧头结构 i e e e 8 0 21 1 协议中在物理层定义了一种称为前导码( p r e a m b l e ) 的帧头。该 码位于上层数据帧之前。像图3 。7 中描述的那样，前导码是由前导部分( p r e a m b l e ) 和帧头部分( h e a d e r ) 两部分组成的。 p r e a m b l eh e a d e r - - j 1 1 ”p_ i ) 4 4 “l o n gp r e a m b l eo m b s 么( i m b s ) | f f ， ，- ， |， 、h p 7 | s h o r p r e a m b l e ( 。i i 嘣j7 s ) ( 2 m b s ) s i g n a l s e r v i c el e n g t h c r c 图3 7 物理层的帧头结构图 基于d s p 的无线m o d e m 的基带部分的实现 帧头部分由信号域( s i g n a l ) 、服务域( s e r v i c e ) 和长度域( l e n g t h f i e l d ) 三部分构成。这三个部分的长度都是8 比特。在这三个部分之后有一个1 6 比特的 循环冗余校验( c r c ) 部分被用来校验帧头( h e a d e r ) 部分在传输过程中的错误。 最初的d s s s ( 1 m b s 和2 m b s 速率) 中规定的前导码( p r e a m b l e ) 部分为1 9 2 微秒。在8 0 2 1 1 b 协议中增加了一种可选的长为9 6 微秒的“短前导码”。在长前导 码中编码速率是1 m b s 。在短前导码中其前导部分仍然采用的是1 m b s 的编码速 率，但是其帧头( h e a d e r ) 部分的编码速率是2 m b s 。 3 1 t 331 系统概述 3 3 媒质接入控制( m a c ) 层协议的实现 第二章中提到本系统采用的是i n t e r s i l 公司的p r i s m 2 无线局域网套片。其中 的m a c 层芯片h f a 3 8 4