（通信与信息系统专业论文）is—95在家庭智能化中的应用及关键技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学研究生学位论文 摘要 本课题来源于建设部城市公用事业管理系统中的家庭智能化实现 方法研究子项目，它通过和地理信息系统相结合，在家庭内部建立一个信 息平台，通过信息平台使家庭和外界交换各种用电设备控制数据和信息数 据。在家庭内部通过蓝牙协议等来组网，而家庭和外部的数据的交换可以 通过电话线、无线、电力线、光纤等来实现。这样可以实现家庭管理的智 能化。为实现城市数字、地球数字化打下了一个良好的基础。 本论文结合课题总体的需要，给出了家庭智能化的设计方案，根据这 个方案，提出了家庭智能化的数据无线传输模式采用i s - 9 5 c d m a 模式的思 想。在这种设计思想中，首先把家庭中的各种控制数据和信息通过处理使 之符合1 s - 9 5 系统对数据的要求，然后通过i s - 9 5 系统的反向链路传送出 去，到达家庭主人的手机、物业管理中心等地方以实现对家庭各种用电设备 的管理和控制以及和外界交换信息。另外，针对本系统中容量问题，结合 混沌系统的特点，研究了用混沌序列作为扩频码的一系列问题。 论文中利用d s p 和大规模复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 搭建了通用平 台。并给出了该数据传输系统在通用平台上的具体实现方案以及混沌扩频 码实现方法。 测试在p c 机上进行，通过专用的串口调试软件，借助于c c s 等软件对 系统进行测试。通过实验，证明了方案的正确性和可行性。 关键词：扩频通信；混沌扩频；家庭智能化；c d j i i a ；c p l d 哈尔滨工程大学研究生学位论文 。 a b s t r a c t t h i st a s kc o m e sf r o ms u b o r d i n a t i v ep r o j e c to ft h ec o n s t r u c t e r a d m i n is t e r cit yp u b licb u sin e s sg o v e r n e ds y s t e m ，t h i s p r o j e c t is s t u d y i n gt h em e t h o d so fr e a l i z a t i o ni n t e l l i g e n tf a m i l y t h r o u g ht h e c o m b i n a t i o nw i t hg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，i n f o r m a t i o np a di s s e tu pi nt h ef a m i l y v i ai t ，c o n t r o l l i n gd a t aa n di n f o r m a t i o nd a t a a r ee x c h a n g e da b o u td e v i c eu s i n ge l e c t r i c i t yb e t w e e nt h ef a m i l ya n d t h ee x t e r i o r i nf a m i l yw ec a ne s t a b l i s ht h en e t w o r ku s i n gb l u e t o o t h a n dt h r o u g ht h ei s d n ，w i r e l e s s ，c a b l e ，o p t i c a lc a b l ea n ds oo no u t e r f a m i l y i tw i l lh a v eag o o db a s ef o rt h ed i g i t a lc i t ya n dd i g i t a l e a r t h t h ep a p e ri sb a s e do nt h eo v e r a l ld e m a n do ft a s ka n dp r e s e n t e d t h en e ww i r e l e s st r a n s m i tm o d e lo fi n t e l l e c t i v ef a m i l y t h a t i s i s 一9 5 c d m a m o d e l f i r s t l y ，a 1 1 t h ec o n t r o l l i n gi n f o r m a t i o na n dd a t a isp r o c e s s e da n de n a b l et h e mm e e tt h ed e m a n do fi s - 9 5s t a n d a r d s t h e n t h e ya r et r a n s m i t t e di nr e v e r s e1 i n kc h a n n e l so fi s 一9 5 t h em a s t e r o ff a m i l ya n dc o m m u n i t yc a nr e c e i v et h e s ei n f o r m a t i o n ，t h e nt h e yc a n c o n t r o la n dm a n a g ee q u i p m e n tt h a tu s e st h ee l e c t r i c i t yo ft h ef a m i l y a sw e l la se x c h a n g et h ei n f o r m a t i o n o nt h es i d e t h ep a p e ra i m sa t t h ec a p a c i t yo fi s 一9 5s y s t e m a n db a s e so nt h ec h a r a c t e ro ft h ec h a o tic s y s t e m ，i ts t u d i e sas e r i e so fq u e s t i o n su s i n gc h a o t i cs e q u e n c ea s s p r e a d f r e q u e n c yc o d e i no r d e rt ob u i l dt h ev e r s a t i l eh a r d w a r ep a d ，d s pa n dc p l dw e r e u s e dt h ep a p e rg i v e so u tt h ec o n c r e t er e a l i z a t i o no ft h et r a n s m i t t i n g s y s t e ma b o u td a t aa n dt h em e t h o do fr e a l i z a t i o no fc h a o t i cs e q u e n c e i nt h ev e r s a t il eh a r d w a r ep a d t h et e s ti so p e r a t e do np ca n di nt h eh e l po f c c ss o f t w a r et h o u g h t 哈尔滨工程大学研究生学位论文 t h es p e q i a ld e b u g g i n gs o f t w a r eo fs e r i e sp o r t t h ee x p e r i m e n tp r o v e s t h a tt h i sm e t h o di sb o t hr i g h ta n dp r a c t i c a l k e y w o r d s ：s p r e a d f r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o n ，c h a o t i cc o m m u n i c a t i o n i n t e l l e e t i v ef a m i l y ，c d m a ，c p l d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：壶! 避 日期：a 。，乒年己月勿日 哈尔滨i ：程火学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着生活水平的不断提高和科技的不断发展，人们对家庭智能化的要 求越来越高。所谓家庭智能化就是利用现代信息技术实现家庭生活、家庭 信息的智能化、数字化。它是数字化城市、数字化地球的组成部分。通过 家庭智能化，人们可以坐在家里和外界进行交流和沟通，可以办理各种日 常生活中的事情和控制家庭中的用电设备。总之，家庭智能化系统让人们 有“一家之主”的感觉。但现在家庭智能化的解决方案都还不太完善，本 沦文根据现有方案的优缺点，提出了家庭智能化总体解决方案，利用成熟 的i s 一9 5 c d m a 系统设计了家庭智能化中心数据的无线传输方案。这样，人 们在家庭中可以通过无线的方式和外界进行信息交流，能更方便的管理家 庭的同常事务。 1 2 课题采用1 s - 9 5 系统原因嘲嘲 根据一些文献和资料，现在家庭智能化解决方案有以下四种： 一、基于以太网的技术解决方案 以太网从出现至今已发展j 二十余年，为f i 前最流行的局域网络技术， 技术成熟、速度高、成本低、稳定可靠，是一种比较理想的解决方案。以 h s c 为核心的家庭智能化系统、智能社区系统所采取的正是这一解决方案。 但其容蹙有限。 二、基于有线电视网络系统( c a w ) 的技术解决方案 基于有线电视网络系统( c a t v ) 的技术在大量用户使用时没有比较成 功的范例，关键是在大量用户使用时没有足够的带宽供分配。而且基于有 线r 乜视删络系统的家庭智能化、智能社区系统技术解决方案要求有线电视 哈尔滨i 。科人学硕十学位论文 网络采用双向系统，这与目前我国大多数工区仍为单向有线电视网络系统 的实际情况有很火差距。如果改造现有网络，则成本投入过高，同时仍无 法解决没有足够带宽供用户分配的问题。因此其实用性仍需论证。 三、a d s l 或l s d n 是一种基于电话系统的解决方案 这种方案走的是语音与数据同网的路线，所以对电信依赖性较强，而 f = = | 出于a d s 。或i s d n 受到电信局设备和费用的限制，初期投资较大。最主 要的是a d s 和i s d n 仍不是真正意义卜的宽带，随着网络的发展，a d s l 和 i s d n 将无法满足用户对带宽增长的需求。 四、基于电力载波的技术解决方案 目前电力载波系统的技术已经基于成熟，但其数据传输的质量和速度 均有限，同时对电网电压的稳定有较大依赖。由于其在自身性能上的局限 性，无法大量推广应用。 以j ：这些方案由于自身瓶颈等原因都有一些不能解决的问题如容量、 传输速率、技术的可靠性、带宽等。 而根据家庭智能化的特点和功能的要求，我们知道它必须利用现有网 络来实现其强大的功能，而作为3 g 通信技术的w - c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 等技术还不够成熟，还没有商用化。因此，也不能采用它作为解决方案。 1 9 8 9 年1 1 月，o u a l c o m m 在美国的现场试验证明i s 一9 5 c d m a 用于蜂窝 移动通信的容量大，并经理论推导其为a m p s 容量的2 0 倍。1 9 9 8 年全球 c d m a 用户已达5 0 0 多万，c d m a 的研究和商业进入高潮，1 9 9 9 年全球的增 长率高达2 5 0 ，用户已达2 0 0 0 力 。掘预测，未来的几年c d m a 将以超过i 0 0 的增长速度发展，远快于g s m4 0 的发展速度。因此可以肯定的说无线通信 存束柬的通信中起越来越重要的作用，c d m a 将成为将来主要的无线接入技 术。可以悦l s 9 5 系统已经进入了它的成熟期。同时，未来的第三代多模 式蜂窝移动通信系统不仪兼容第三代的w - c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a 、u m 1 s 和c d m a o n e ，而且还兼容目日i 第二代的g s m 和i s 一9 5 。 因此可以说技术成熟、规范统一、容量巨大的i s9 5 c d m a 系统f 好解 决r ：述方案的缺点，满足了家庭智能化的要求。因此本课题中家庭智能 化系统中的数据传输方案采用它柬实现。这样也便于将来平滑升级到c d m a 哈尔滨小群人学硕十学位论文 系统更高的版本，不浪费现有的网络资源和技术。 1 3 课题来源 本课题来源于建设部城市公用事业管理系统的庭生活的智能化研 究子项目它通过和地理信息系统相结合，在家庭内部建立一个信息平台， 通过信息平台使用户控制各种用电设备并和外界交换信息数据等。在家庭 内部可以用“蓝习：协议”等来组网，而家庭和外部的数据的交换可以通过 电话线、无线、电力线、光纤等来实现。这样可以实现家庭管理的智能化， 城市人们生活的“一卡通”。为实现城市数字、地球数字化打下了一个良好 的基础。 本课题结合项同的总体需要，研究了家庭智能化的一种新型的的数据 传输模式即是i s 一9 5 c d m a 模式。首先把家庭中的各种控制数据和信息通过 处理使之符合i s 一9 5 系统对数据的要求，然后通过i s 一9 5 系统的反向链路 传送出去。到达家庭主人的手机、物业管理中心等地方以实现对家庭各种 用电设备的管理和控制。另外，针对本系统中容量问题，结合混沌系统的 特点，研究了用混沌序列作为扩频通信系统中扩频码的一系列问题。 1 4 课题的具体任务 根据项目的需要，本课题的研究内容主要包括以下几个方面： 1 设计家庭智能化的总体方案。 2 搭建实现家庭智能化的数据传输方案( i s 一9 5 系统方案) 的通用平台。 3 对【s9 5 系统的反向链路在搭建的通用平台上进行硬件和软件实现。 4 对i s 一9 5 系统中的扩频码技术进行研究，主要是对混沌映射产生扩频码 的方法、混沌序列的数字化、混沌扩频码的选择标准等几个方面进行分 析和仿真。 1 5 课题研究的意义 现在c d m a 系统在家庭智能化系统也很少有应用，在发达国家已经进入 哈尔滨科人学硕十学位论文 试验阶段， _ f 于他们的起步比较早，所以已经取得了一些成功的经验。国 内起步相对较晚，所以较国际水平有一定的差距，尚处于探索阶段。c d m a 系统在家庭智能化系统的应用到现在还没有统一的标准，各个公司根据自 己的实际情况而采用不同的标准，所以都很难进入商用，本课题根据家庭 智能化的现状，用i s 一9 5 c d m a 系统来传送数据，便于统一标准。 1 6 本章小结 本章作为引言，介绍了家庭智能化的概念和采用i s 一9 5 系统的原因 提出了本课题的来源、研究内容、研究意义等。 哈尔滨i ：稗人学硕十学位论文 第2 章家庭智能化 2 1 家庭智能化介绍暗。 当自h ，随着科技的发展，人们对自己生活的质量要求越来越高，另外， 在社会发展的今天，人们对各种信息的要求也越来越多，基于此，各个公 司提出了智能化大厦、智能化社区的概念，并给出了解决方案。但是，这 些只是对整个大的范围，针对一个家庭的智能化解决方案还没有出现，本 文根据建设部一个研究项目城市公用事业管理系统给出了自己的家庭 智能化概念，并设计了相应的解决方案。 家庭智能化是指在家庭中的各种信息设备通过家庭网络和社会的信息 网络相连，使家庭内部所有的信息设备通过某种方式连接起来并通过某种 方式和外界相连，以实现对家庭信息设备的控制和管理以及和外界的信息 变换。家庭智能化使人们的生活方式、工作方式以及思维方式都发生了巨 大的变化。 在家庭智能化方案中，把城市中的公用事业如公交、供水、供热及家 庭收费等进行数字化，实现数字化和智能化管理，给人们提供一个高效、 舒适、便利及安全的家居环境。在现阶段家庭智能化主要体现在以下几个 力面： 三袁自动抄送计费：h s c 自动收集三表的数据并发送到社区管理中心，实 现每月自动统计用户的三表使用量并计费，方便准确。避免了传统三表 抄送需人员上门，既费时费力、又打扰了住户的生活所带来的不便。 家庭安防：h s c 通过线路连接各种安全传感器( 红外探测、烟感探头、门 磁报警、燃气探头，玻璃破碎、紧急呼叫按钮、警铃警灯等) ，做到防盗、 防火、防煤气泄露，并提供紧急功能、求助功能。一旦有意外发生，能 迅速f ：报。 家f l l 控制：实现人在户外，可控制家中各种家电，如电视、音响、空调、 冰箱、烤箱、电热水器、照明系统、水电气阀门等。 哈尔滨i 群人学硕十学位论文 信息服务：通过网络与外部世界连接，让你坐家中就可以享受各种网络信 息和网络服务。具体包括宽带上网，信息浏览、电子邮件、网上订票、 网上购物、视频点播、远程教育、远程医疗等。 22 家庭智能化的实现方案m 1 本设计方案借鉴一些方案的优点，提出了采用具有强大功能的a r m ：占 片作为整个系统的核心芯片，嵌入式l i n u x 内核系统作为整个家庭信息中 心的控制操作系统的设计思想。 2 2 1 基于a r m 的家庭信息中心功能 家庭信息中心是个数掘处理中心，是连接家庭网与外部网的一个中转 站，它可以通过各种协议转换模块和各种组网方式相连，实现其家庭智能 化的功能。 通过这个信息中心实现家庭智能化，可以作为数字化城市的一部分。 该中心能实现“一卡通”的目的，各个家庭可以在家罩交纳各种费用以及 方便地查嘲各种自己焉要的信息和发如自己的信息( 包括e m a i l 功能) 。另 外各个用户可以通过各种终端( 手机、网络、p d a 、电话等) 查看各信息 设备的状态。对家罩的各种信息设备进行远程控制，实现家庭信息设备的 智能化。还可以实现个人信息管理( p i m ) 套装包括地址本、提供日程安 排功能的同历、记事本以及计算器等功能。 因为物业中心以及各个主管部门要知道各个家庭信息设备的数据，因 此通过此中心要能把家庭的和各个信息设备的数据采集过来实现自动抄 表，以便能够对数据进行处理完成家庭交费的智能化。另外物业中心可以 遥控家庭的各个用电设备的丌、关等，以便物业中心可以根据用户的交费 等情况进行管理。 此系统可根据各个家庭的实际情况进行功能模块的增或减，能够对内 适用家庭局域网络( r s 4 8 5 协议、b l u e t o o t h 等) ，对外能够利用现有的多种 网络形式( p s t n 、宽带数据网、i s d n ) 与电子社区服务器相连。如果采用 哈尔滨i 科人学硕十学位论文 p s t n 网络，能够完成萨常的电话功能，能够实现电话记录，手写汉字输入 数据、f b 话信息等。并且能够实现固网短信功能。 22 2 以a r m 为核心的家庭信息中心的结构 总体结构如图2 1 r s 4 8 5 双绞线n u e t o c t h p s t n 无线 电力线 图2 1 家庭信息中心总体结构 触摸输入显示屏作为整个家庭数据中心的显示屏，实现图形化操作显 示界面：采用触摸中文输入方式实现手写功能对整个系统进行管理。ic 卡 读写器完成身份验证、交费等功能。并且适用各种非接触式逻辑加密卡和 非接触式c p u 卡。协议转换模块包括两个模块：一是对家庭内部网络而言 要完成r s 4 8 5 总线，无线通信与家庭信息中心的通信的协议转换。二是对 外部来既要完成p s t n 、i n t e r n e t 、有线电视的同轴电缆、电力网等同家庭信 息中心的通信的协议转换，实现数据、图象等的传输。各种接口模块包括 网络接1 2 1 ( 以太网、令牌环网以及将来的光网络等) 、p s t n 接口、电力线 接口、蓝牙接口，有线电视接口。各个接口采用即插即用方式。通过这些 接l j ，家庭信息中心可以和外部和内部网络相连，实现信息的传送，这部 分也是本人课题的主要部分。 哈尔滨i + 科人学硕一f ：学位论文 2 2 3 基于a r m 的家庭信息中心模型 中心模型如图2 2 。家庭内部的各种网络，通过与之列应的协议转换模 块和家庭信息中心进行数据的互换，把家庭送过来的数据通过家庭信息中 心进行处理，然后通过各种外部网络发送出去。在实际当中把各种协议转 换做成模块。以便能适应各种形式的家庭组网方式。 p s t n 电话线双绞线或无线同轴也缆 m o d e me t h e r n e t 。l 鏊割鍪；l 有线l 毡视隧 ；b 薯黑_ 露舅罴露曩睡懑翅蕊黧爨疆 ! 毳蒸纂蕊蒸囊囊麓要氯疆露l 翼圜撬 审幸审 丫 接口鼹 v _ 接口警 审审窜 i 藤! | | 露熏霾 少。j 家庭内部网 ) 、 r s 4 8 5双绞线 无线 图2 t 2 家庭信息中心模型 2 2 4 家庭信息中心的软件设计 此设计采用嵌入式l i n u x 内核系统作为整个家庭信息中心的控制操作 哈尔滨i 群人学硕十学位论文 系统，它不仅要满足面向信息设备的实时控制的要求，同时还要具备强大 的网络功能，以满足家庭各个信息设备的智能化控制。并且此系统是精简 的且可以添加和减少多种终端，具有统的微内核技术。中心软件总体结 构如图23 。 厂1 厂 l 实时任务 i1 非实时任务 i l婴垫墨星型竺堂竺! 五! 生二： 图2 3 家庭信息中心软件总体结构 它主要包括以下部分： 基于a r m 的嵌入式操作系统，主要包括： a ：嵌入式l i n u x 内核进程调度、内存管理、文件管理等。 b ：设备底层包括支持i c 卡读写的软件、内外网通信协议支持软 件、底层协议与应用层协议的交互软件。 c ：应用层包括界设计与实现、输入方式的设计与选择，信息检索 和发前j 功能的设计等。 图形界面g u i 系统：便于实现人机交换，增强操作界面友好程度，能 够实现傻瓜操作。 肩动程序、触摸屏驱动软件、手写驱动软件。 套通信协议( 在此上可完成家庭信息中心与各种通信物理层进行通 信) 。 各种智能卡，如非接触式、逻辑加密卡向非接触式c p u 卡的转换软件 和各种数据的计量转换软件。家庭数据中心的这两个软件，可以将会 额转换成各种数据值( 水的流量、电量、煤气量等) ，并随时接收各个 哈尔滨i ：科人学硕十学位论文 计量仪表传送来的数据，然后从总的会额中减去消耗量，一张卡可以 替代所有的其它计量收费卡( 水卡、电卡、煤气卡) 。 225 方案验证 根据上述设计方案，对系统的可行性进行了验证和具体的研究开发。 1 使用其他的嵌入式处理器相比，a r m 芯片的使用使该系统的性能提高 了将近3 倍，而使用l i n u x 作为操作系统，出于其源代码的公丌化，使系 统的成本显著降低。在实际生活当中对用户来讲，本设计方案的实施可以 为用户提供一揽子的解决方案，对于将来的其它功能也可以在本智能化系 统中实现。如煤气泄漏远程报警、门禁系统、有线电视的实时收费、家庭 防盗系统等都可以采用本系统的解决方案。 2 ，3 本章小结 本章主要介绍了家庭智能化的概念、实现方案以及本课题的解决方法。 根据方案中数据无线传输的需要，提出了本论文的研究内容。 哈尔滨i ：科火学硕十学位论文 第3 章l s 一9 5 系统反向链路及其实现 在家庭智能化系统中，家庭中的各种数据的传送是按照i s 一9 5 c d m a 系 统的要求来实现的，因此，现在介绍i s 一9 5 的有关理沦和标准。 31 c d m a 的通信系统原理洲 c d m a 通信系统的基本工作方式有直接序列扩频方式、跳频工作方式、 跳时_ 作方式三种工作方式，但是由于直接序列扩频方式在c d m a 通信系统 中使用非常。泛，因此把直接序列扩频系统作为c d m a 通信系统的模型，它 的模型如图3 1 所示。 州瞄n ( t ) e x p ( ，( + 柳) 图3 ic d m a 通信系统的模型 这里信息数掘可以表示为b ( o = 6 ，p ，o i t ) ，色是相互独立分布的随机变 量，p ，( r ) 是。脉冲信号的波形，可以表示为 蹦牡嚣” 泞， 输入的信息数据与扩频码序列a ( t 1 相乘进行扩频调制，这早的 d ( r ) = d ，p ，o i t , ) ，其中d ，是扩频码序列的第 c h i p 并且d ， + 1 ) ， 7 ：是扩频码序列的周期，则扩频增益g 。= 二t 。经过信息数据调制的信息 码再与频率为。的载波信号进行再次凋制形成射频信号发射，因此c d m a 通信系统的发射的信号可以表示为： 哈尔滨r 科人学硕+ 学伉论文 s ( o = a d ( t ) a ( t ) e x p ( j ( o d o f + ) ( 3 2 ) 式中a 为发射信号幅值，珊。和分别是载波频率和相位。c d m a 通信系 统的接收系统模型呵以如图3 2 所示。 2e x p 。= ( 、+ 矿) ) n ( t ) 本地础鹤 图3 2c d m a 通信系统的接收系统模型 发射信号经过传输信道的干扰和噪声到达接收机，假设射频滤波器是 带宽为b ，且无衰减的理想滤波器，基带滤波器是带宽为鼠，传输函数为 ( ，) 的窄带滤波器。则进入接收机的接收信号是 u ( t ) = 爿d ( f ) 口( f ) e x p ( j ( o r + ) ) + j ( t ) + n ( r ) ( 3 - 3 ) 其中j ( f ) 为传输信道中的各种干扰 ( f ) 为信道中的噪声。该信号经过 接收机的本地载波解调和本地扩频码的解扩处理后得到 w ( t ) = a d ( t ) a ( t ) a 、( f ) - e x p ( j ( o o 。r + ) ) - 2 e x p ( - j ( _ o 、f + 庐1 ) ) + 。i ( t ) a ( r ) 2 e x p ( 一j ( c o 、t + 、) ) + n ( t ) a 、( f ) 2 e x p ( 一，( 、f + 矽、) ) ( 3 - 4 ) 则基带滤波器输出的输出信号为：v ( r ) ：r 。 ( f a ) w ( o t ) d a 。假设信号 存传输信道中没有干扰和噪声，且c d m a 的接收系统与发射系统的扩频码完 全同步，基带滤波器是理想的，厶为滤波器截止频率，它的截止频率特性 为 叫慨 。， 所以接收信号v ( f ) = e ( f a ) a d ( o ：) d c r = a d ( t ) ，为信号的时延。表明 信源信号d ( t 1 的经过时间后到达接收端。 哈尔滨i 科人学硕十学位论文 3 2is - 9 5 c d m a 系统及其反向链路嘲 32 1i s - 9 5c d m a 系统简介 l s 一9 5 是1 9 9 3 年7 月美国通过的基于c d m a 的双模式移动通信系统标准， 其信道位于8 0 0 m h z 的a m p s 系统的频带内。它是数字移动通信发展的里程 碑，系统的码分多址采用f d c d m a 技术，实现了数字和模拟通信的兼容， 并且成为扩频系统商k 化的光辉典范，丌辟了扩频无线通信非军事应用的 新纪元。q u a l c o m m 公司于1 9 9 0 年7 月公布了最早的c d m a 标准，经过许多 移动通信运营商和制造，一家的协商讨论，于1 9 9 0 年9 月发布了建议标准的 修订版本，并于1 9 9 0 年l o 月公布了暂行规定，成为此后一段时间内被广 泛认可的主要规范。1 9 9 3 年7 月，美国a n s i t i a 再次征集各方面的建议， 经会议讨论后正式将其确认为i s 9 5 标准，即“双模式宽带扩频蜂窝系统 的移动台一基站兼容标准”。i s 一9 5 标准由此成为c d m a 移动通信的核心标 准世界上许多国家以此为蓝本生产和建设码分多址数字移动通信系统。 经过多年的丌发修订，以i s 一9 5 为代表的窄带c d m a 系列标准已经日趋 完善。i s 一9 5 系列标准的发展先后经历了i s 一9 5 、i s 一9 5 a 、t s b 一7 4 、i s9 5 b ( a n s l l 9 5 ) 、i s 一2 0 0 0 、i s 一2 0 0 0 a 等多种标准。需要补充晓明的是t s b 一7 4 是 与i s9 5 a 有关的t s b 文件，是在i s 一9 5 a 的基础上增加了1 4 4 k b it s 速率 组、指配或切换到p c s 频段、m i n i m s i 共存等内容。作为第三代移动通信 标准之一的i s2 0 0 0 及i s 一2 0 0 0 a 完全兼容i s 一9 5 标准，也就是说现有的 1 s 9 5 系统可以平滑过渡到第三代移动通信。 32 2 i s - 9 5 系统反向链路介绍 一：基站反向链路信道特点 反向链路是指从移动台到基站的通道，它包括接入信道和业务信道。 为了减少干扰和节约移动台能量，导频信道不在反向链路上发送，移动台 或者发送接入信道，或者发送业务信j = 邕。但是不同时发送两个信道，因此 在【s9 5 系统巾，所谓移动台的反向链路“信道”是一种工作模式。它的 哈尔滨r 群人学硕十学位论文 c a i 的主要特征包括以下9 点： l多址接入：反向链路的信道化是基于系统的p n 序列扩谱码分多址方案 的，这种方案中有用4 2 阶陡p n 码的不同相位偏置来区别用户，而相位 偏置就相当于用户的地址。因此，反向链路中，c d m a 中的“c ”是通过 i ，n 码进行扩涪多址接入。 2 矿交扩谱：除了长p n 码以外，反向链路数据流用与前向链路相同的两 个短p n 码进行直接扩谱f 交调制；每个小区中的所有移动台都用的是 这两个p n 码的参考或零偏置的相位。 3 调制：反向链路波形用6 4 码片长的序列来表示6 位二进制符号，进行 6 d 进制i f 交调制。i 路( 余弦) 和q 路( 币弦) 的射频载波被不同p n 的双极性基带数据流调制，其中q 路的数据流经过半个p n 码片的延时， 成为一种偏移四相相移键控( o q p s k ) 。 4 脉冲成型：i 路和q 路输出信道中的基带数字脉冲形状由f i r 滤波器决 定，滤波器的设计要使发射的功率谱对邻近频率影响最小。 j i ) n 码速率：p n 码的码片速率是1 2 2 8 8 m b i t s ，是最大数据率9 6 k b i t s 的1 2 8 倍。 6 捕获：基站通过移动台发送的不包含数据的包头来捕获和跟踪移动台信 号。 7 语音编码：规定采用变速率浯音编码，根据语音的动态范围不同，每2 0 毫秒帧的数据率可以是1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 b i t s 。在一次呼叫中 反向链路信号的占空比与数据率成比例。 8 纠错编码：反向链路应用了码率为1 3 的卷积码编码和维特比译码。 9 交织：为了防止突发性错误，反向链路在发送前对符号进行交织，交织 长度为2 0 毫秒。 二：基站反向链路信道分配 堪站反向链路信道分配如图3 3 。 哈a ；滨r 程人学硕十学位论文 图3 3i s 一9 5 反向链路信道分配图 3 2 3ls - 9 5 系统反向链路中接入信道介绍 接入信道被移动台用于初始化呼叫、响应基站的寻呼要求和信息要求， 前向链路的每个寻呼信道都至少对应一个反向链路的接入信道，因此最多 可以有3 2 个接入信道。特定移动台的接入信道传送只能在指定的接入信道 时隙- p 进行，接入信道时隙是2 0 毫秒帧长的整倍数。接入信道时隙的每一 次传送开始都有一随机的短延时，以分散不同的移动台的起始传送时问， 这些移动台可能在同列隙内在不同的信道中传送。接八信道有9 6 个数据 零作为报头，以帮助基站捕获信号。以动态地一次使用接入信道时，只能 发送按某种程序形成的试探消息，直到决定了浚移动台的适当功率水乎为 止。 绥入f 5 道数据以每2 0 毫秒8 8 比特的速率产尘，因为卷积编码器在每 帧后复位，所以每帧的数据都加上8 比特的尾。故数掘进入编码器的速率 是( 8 8 十8 ) o 0 2 = 4 8 0 0 b i t s 。这些数据进行码率为l 3 ，约束长度为9 的 编码器。编码器出来的数据是3 4 8 = 1 4 4 k s p s 。 为厂使接入信道和业务信道有相同的块交织方案，接入信道的符号进 jj ，踅复，使进入交织器的速率为2 x1 4 4 = 3 9 6 = 2 8 2 k s p s ，和反向业务信 道的最高数据率9 6 0 0 b i t s 的数据进入交织器时的速率一一样。交织方案是读 入一帧的数掘( 2 8 8 2 0 = 5 7 6 符号) ，按列写入1 8 列3 2 行的矩阵，然后 以某种顺序按行渎出，以使数据符号在时间h 分开，交织后的符号送到一 斋 广l 哈尔滨i ：挫人学硕士学位论文 个( 6 4 ，6 ) 的沃尔什编码器。沃尔什编码是用每组6 个编码符号来选择6 4 个6 4 阶沃尔什序列中的一个，这时，数据速率从2 8 8 0 0 s p s 增加到3 0 7 2 0 0 c p s ， 然后接入信道用一个特定相位偏置的4 2 阶长p n 码进行4 倍扩谱，p n 码的 速率是l2 2 8 8 m c p s 。原序列的相位偏置是靠移位寄存器的输出与一个随用 户不同而不同的4 2 比特模板序列进行内积来产生的。对于接入信道，模板 是用伪随机产生的接入信道和相应的寻呼信道编号以及基站辨识参数构成 的在脉冲成形与发送之前，长p n 码扩谱后的基带数据流分别与i 路、q 路正交短p n 码相乘，q 路相乘后延时了半个码片，形成了o q p s k 调制和 i f i 交分集。整个过程如图3 4 。根据上二述的表述，接入信道的各个参数如表 31 。 i j 兰堕堕r = ：瓯习羔；釜：陬t 习塑列妯”丽￥ 南 j p n ，n = 15 l l ，2 2 8 1 i m c p s c o s w t 亍一冈熏 图34 接入信道调制过程 3 2 4 i s 一9 5 系统反向链路业务信道介绍 业务信道用 二将语音和数据发给基站，他的数据等于前向链路业务信 道的数量，当没有寻呼信道用于前向链路时，业务信道的最大数目是6 2 。 实际上，信道的数量受限于反向链路的用户干扰，图3 5 表示了业务信道处 理的框图。一个给定的2 0 毫秒f l , j , a k 务信道帧里可以用变速率语音编码器产 哈尔滨i ：科大学硕十学位论文 表3 j 接入信道的各个参数 参数数值单位 数掘速率4 8 0 0 b i t s p n 码片速率1 2 2 8 8 m c p s l 代码速率 i ，3 b i t 码符号 码符号重复 2符号码符号 发端占空比1 0 0 码符号速率2 8 8 0 0 s p s 调制6码符号模符号 调制速率 4 8 0 0 s p s 沃尔什码片速率3 0 7 2 k c p s 模符号间隔2 0 8 3 3us p n 码片码符号4 2 6 7 p n 码片模符号2 5 6 p n 码琦f 沃尔请码片4 生个速率从0 8 到8 6 k b i t s 可变的数字语音信号。根据数据率的不同，数 据帧进行了c r c 校验编码，以使基站可以判断有没有接收到误帧，一个8 比特的尾加在每帧的后面以保证后面进行卷积编码时，每帧的末尾复位为 全零状态，这些操作形成了9 6 0 0 ( 全速率) 、4 8 0 0 ( 半速率) 、2 4 0 0 ( 1 4 速率) 、1 2 0 0 ( 1 8 速率) b i t s 的数据率，分别对应于每帧1 9 2 、9 6 、4 8 、2 4 比特。在全速的情况f ，每帧进行码率为1 3 的卷积编码，形成3x1 9 2 = 5 7 6 符号帧即2 88 k s p s 的速率，其他语音速率下，符号进行重复，使得进入交 织嚣的符号数目是一样的。交织编码后，每6 个连续的符号对应于一个6 4 阶的沃尔什序列，进行f 交调制，此时码片速率为2 8 8 6 4 6 = 3 0 7 2 k c d s 。 然后数据进入数据突发随机数发生器进行符号删除来伪随机的选择那组数 掂被发送。剩f 的和接入信道一样。业务信道的传送丌始于一个作为报头 的全零帧，以帮助基站捕获信号，从移动台到基站的信令信息不仅能在接 哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 入信道发送也可以在业务信道发送。要发送消息时，可以在语音激活状 态采，日“音突发”模式，即每一帧中的部分语音数据被消息数据所覆盖， 也可以在非浯音激活状态采用“空白突发”模式，即一帧内的所有数据都 是消息数据。图3 6 表示了接入信道处理的框图。反向链路业务信道调制参 数如表3 2 。 b 戳一芏 帧数据述率i 摊血叫。2 螭k p n 1 斑k 码撞码i ! ! ! ! i l 避到c o f w l 。烹一冈土 图35 业务信道过程 3 3is - 9 5 c d m a 系统反向链路的实现胆幻瞠8 1 现在：有许多实现i s 一9 5 的办法，根据课题具体要求，考虑到性能、保 密、成本等因素，在本方案中采取了当前流行的c p l d 和d s p 相结合的方法， 搭建了一一个主要有e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 一t 5 和t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 组成的通用平台，它 不仅可以满足本课题的实现i s 一9 5 反向链路、混沌扩频序列等的需要，而 且还可以作为一个通用的平台来实现其它的能用c p l d 和d s p 的课题。实现 哈尔滨i 稗火学硕士学位论文 系统反向链路的原理框图如图3 6 。 表3 2 反向链路业务信道调制参数 参数值单位 数掘速率 9 6 0 04 8 0 02 4 0 01 2 0 0b i t s p n 码片速率 1 2 2 8 81 2 2 8 8 1 2 2 8 8 1 2 2 8 8 m o p s 代码速率 1 31 31 3 1 3 b i t 码符号 发端占空比 1 0 0 5 02 51 2 5 代码符号速 2 8 8 0 0 2 8 8 0 02 8 8 0 02 8 8 0 0 s p s 益 调制速率 666 6 码符号模 符号 模符号速率 4 8 0 04 8 0 0 4 8 0 04 8 0 0 s p s 沃尔什码片 3 0 7 2 3 0 7 23 0 7 23 0 7 2 k c p s 速率 p n 码片代 4 2 6 7 4 2 6 74 2 6 74 2 6 7 码符号 模符号间隔2 0 8 3 32 0 8 3 3 2 0 8 3 32 0 8 3 3us p n 码片模 2 5 62 5 62 5 6 2 5 6 符号 p n 码片沃4444 尔什码片 图3 ，6 系统反向链路的实现框图 虚线内的内容为本课题需要做的工作。在本方案中家庭各种数据利用 p ( ：机的r s 2 3 2 串口进行模拟产生。利用串口的调试软件使产生的数据符合 哈尔滨稗人学硕士学位论文 声码器的语音数字信号和控制数字信号，以便使数据直接进入通用平台进 行符合【s 一9 5 标准的传送。根据设计方案，系统平台需要的芯片包括 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 ，e p m 7 1 2 8 s i c 8 4 - 15 ，t p s 7 6 7 d 3 0 1 ，s s t 3 9 v f 4 0 0 a ，m k x 2 3 2 。 e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 进行一部分数据的处理，主要包括数字数据的c r c 校 验、非全速的符号重复、加编码器尾比特、p n 码的产生。另外还要完成和 串口的握手控制。 t m s 3 2 0 v c 5 4 】0 主要完成反向链路其他的数据处理，主要是眷积编码、 交织器、6 4 阶沃尔什编码_ i ：f 交调制、长码扩频，数据删除、基带数据滤波、 基带数据成型等。出于d s p 芯片内程序存储器容量不够，所以加了个f l a s h 。 通用平台上m a x 2 3 2 主要是完成r s 2 3 2 数掘电平到t t l 电平的转换。 t 3 9 v f 4 0 0 a 是f l a s h ，主要是作为程序存储器，实现d s p 的自举。 p s 7 6 7 d 3 0 1 是d s p 电源芯片，为t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 提供电压。整个系统用到的 调试软件：c c s ，m a x p l u s ，串口调试软件。图3 7 给出了系统调试的工作环 境图。 图3 7 系统调试工作环境图 3 4 本章小结 本章介绍了【s - 一9 5 系统中的反向链路的组成、特点、参数及其本设计 l 川内实现方案等。 哈尔滨l 程人学硕十学位论文 第4 章o p l d 及其在方案中的应用 4 1o p l d f p g a 理论2 5 3 4 2 4 1 1 a s l 0 简介 随着微f 乜子技术的发展，设计和制造集成电路的任务完全有半导体厂 商来独立完成，系统设计者希望自己设计的系统具有更高的集成度，更愿 意自己设计专用的集成电路芯片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最 好在实验室就能设计出合适的a i s c 芯片，并且立即投入实际应用之中，因 而出现了现场可编程逻辑器件。 目时，可编程专用的集成电路的出现是电子系统设计的重大变革，也 因此受至0 电子设计工程师的青睐。采用了设