（电磁场与微波技术专业论文）cdma技术在无源光接入网中的应用研究.pdf

c d m a 技术在无源光接入网中的应用研究 摘要 码分多址 c d m a 是在调制之前增加了一个扩频处理环节 把待传送符号 用特征码进行扩展 扩展后的符号称为码片 在接收端同样增加了一个解扩处理 的环节 将n 个码片恢复为一个符号 这也是扩频通信的基本原理 扩频通信 的优势是由扩频操作所使用的特征码一伪随机序列 p nc o d e 带来的 伪随 机码具有双值白相关特性 它保证了同步相关操作获得的输出远大于非同步相关 的输出值 这样就大大降低了当两条传播路径的时差在一个码片以上时彼此之间 的干扰 增加了通信系统的容量 同时具有很好的保密性 扩频通信在无线通信中得以广泛应用 本文是简要介绍了它的理论基础和优 点 在光通信中能否同样得到应用 是本题目研究的对象 这一应用面临的技术 难题是在电域中信号有正负之分 在叠加过程中可以保证合成信号幅值不至于过 高 而光信号只有0 1 之分 可能因此引起不可预料的问题 但是只要少数几路 信号可以实现 就存在应用的可能性 另一个难题是信号的同步问题 本文采用 了硬件保证的方法 保证了基本同步 虽然此设想面临了以上两个技术难题 但 是只要在巧妙避开它们的基础上 系统有实现的可能 那么扩频通信就有应用到 光接入领域的可能 因此带来的研究前景也是非常广阔的 在避开以上两个问题的基础上 本文设计了一套验证这一设想的系统 包括 了基带处理模块 中频调制模块和电光变换模块 使得电域的扩频信号在光路中 传输 通过此系统可以验证光扩频信号解扩的可能性和性能参数 本系统中 硬件实现的部分是基带处理部分 在一块电路板中设计了点对点 点对多点的扩频处理系统 实现的功能包括数据信号扩频 调制 编码 解码 解调和解扩 选用了成本低廉的z i l o g 公司的单p n 码扩频芯片z 8 7 2 0 0 和 a t 8 9 s 5 2 单片机 p c 机通过串行口与单片机相连 将程序加载到单片机中 对 z 8 7 2 0 0 进行寄存器配置和控制 完成扩频解扩的过程 由于z 8 7 2 0 0 是近年才出现的扩频通信中具有里程碑意义的芯片 国内对此 芯片的介绍不多 因此本文在第二章中详细介绍了这款1 0 0 脚芯片的工作原理 功能模块 管脚和寄存器配置 可供扩频通信研究参考 曩 关键词 扩频技术 c d m a 接入网 z 8 7 2 0 0 r e s e a r c h0 fk e yt e c h n o l o g i e s o fc d ai np ass i v eo p t i c a ln e t w o r k a b s t r a c t c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s si sak e yt e c l m o l o g yi n s p r e a ds p e c t n m t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h es y s t e mm e r ei sas p r e a ds p e c t m mp r o c e s sb e f o r e m o d u l a t i n gm o d u l e a n dad e s p r e a dp r o c e s sf o l l o wd e m o d u l a t i n gi nt h er e c e i v e r t h e s p r e a ds p e c t n l mp r o c e s si su s i n gap nc o d et om u l t i p l yt h ed a t ab e i n gt r a n s m i t t e d t h ea d v a n t a g eo ft h et e c h n o l o g yi sg i v e nb yt h ep nc o d e t h ep nc o d eh a sam o s t i m p o i r t a n tc h a r a c t e ro fs e l f c o r r e l a t i o n t h i sc h a r a c t e rg u a r a n t e e st h a tt h eo u t p u to f s y n c h r o n i z a t i o nc o r r e l a t i o no p e r a t i n gw i l lm u c hg r e a t e rt h a nt h ea s y n c h r o n y c o e l a t i o no p e r a t i n g w h e nt h et i m ed i a e r e n c eb e t w e e nt v ot r a j l s m i t t i n gp a m si s m o r et h a no n ec o d ec h i p t h ei n t e r f e r e n c ei sw i d e l yd e c r e a s e d t h ec a p a c i t yo ft h e s y s t e mi si n c r e a s e d i ta l s os a t i s f i e st h er e q u e s to fs e c r e c y c d m ah a sb e e nw i d e l yu s e di nw i r e l e s st e l e c o m m i m i c a t i o ns y s t e m t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e si t sm e o r ya n da d v a n t a g e s h e t h e ri tc a nb eu s e di no p t i c a la c c e s sn e t v o r k s o m ed i f i c u l t ye x i s t t h em o s to u t s t a l l d i n gd i 伍c u l t yi ss y n c h r o n i z a t i o n t h eo p t i c a l s i g n a lo n l yh a s 0 a n d 1 w h i l et h ee l e c t r o n i cs i g n a lh a s 1 a n d 1 w h i c hc a n b ec o u n t e r a c ti nt h ea d d i n gp r o c e s s b u tt h ep r o b 2 b i l i t ys t i l le x i s t s a n dt h ep r o b l e m c a nb er e s o l v e do rs t e e r e dc l e a ro fb yt h ee l e c t r o n i co rt e l e c o m m u n i c a t i o nm e t h o d s t h e ya r ed e s c r i b e di nd e t a i li nt h ea r t i c l e u s i n gt h es p r e a d i n gs p e c t m mc m o sc h i pz 8 7 2 0 0 ac i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d t o i m p l e m e n tt h eb a s eb a n ds p r e a d i n gs p e c t m m 向n c t i o n r e s e a r c ho ft h ew h o l e s y s t e mh a sb e e nd o n e z 8 7 2 0 0i sc o m r o l l e db ya t 8 9 s 5 2 h i c hi sa ni n e x p e n s i v e c h i p u s i n gt h ee m u l a t o r w ec a nc o n t r o l i tb yp c s o r w a r er e s e a r c h i n ga n dt h ep e r f o 胁a n c ea 1 1 a l y z i n go fm es y s t e mh a v eb e e n d e s c r i b e di nt h ea r t i c l e i e yw o r d s p r e a d i n gs p e c t m m c d m a a c c e s s n e t w o r k z 8 7 2 0 0 l l 独创性 或创新性 声明 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谢意 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 吕l 玉面西 日期 兰型 塑 主里 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 允许学位论文被查阅和借 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 本人应扁 丛堕堕 号渖釜名 盟 蜊 堡 塑立 北京邮电大学硕士毕业论文 1 1 选题的科学依据 第一章序论 1 无源光网络p o n 随着经济的发展和科学技术的进步 人们对电信业务提出了越来越高的要 求 电信业务正逐渐从传统的电话等窄带业务向集语音 高速数据和可变视频 为一体的多媒体宽带业务方向发展 要满足这种发展的要求 作为交换局与用 户终端之间的连接纽带 接入网的数字化 宽带化 光纤化成为必然 接入网是指本地交换机与用户之间的连接部分 通常包括用于传输系统 复用设备 还包括数字交叉连接设备和用户网络接口设备 用户终端通过用户 网络接口 u n i 连接到接入网 接入网通过业务节点接口 s n i 连接到业 务节点 s n 通过q 3 接口连接到电信管理网 t m n l j 在众多的接入网技术中 p o n 因其具有成本低 对业务透明 易于升级和 易于维护的强大优势而深受用户欢迎 光接入网 o a n 的参考配置包括光线 路终端 o l t 光分配网 o d n 和光网络单元 o n u o l t 为o d n 提供 网络接口并连至一个或多个o d n o d n 为o l t 和o n u 提供传输手段 o n u 为o a n 提供用户侧接口并和o d n 相连 p o n 指的是o a n 中o d n 全部由光 分路器等无源器件组成 不包含任何有源节点 它通过无源光分路器来充分利 用数字光纤基带系统 通常在本地用户环路距离上所具有的较大功率预算富裕 度 从而实现较高程度的设备共享 所以 p o n 初期的建造费用很低是其主要 优点 另外 无源分路器可靠性高 对业务透明 故系统的维护费用和升级费 用很低 特别符合宽带业务需求逐渐发展的要求 具有较高的投资利用率 这 其中最关键的技术是它的双向传输技术 在p o n 中 o l t 至0 n u 的下行信号的传输过程较为简单 一般对0 l t 送至各o n u 的信息采用时分复用 t d m 方式组成复帧送至馈线光纤 通过 无源光分路器以广播方式送至每一个o n u 0 n u 收到下行复帧信号后分别取 出属于自己的那一部分信号 2 各o n u 至o l t 的上行信号传输采用的多址技术如下 1 时分多址 t d m a 2 北京邮电大学硕士毕业论文 t d m a 方式是指将上行传输时间分为若干时隙 在每个时隙只安排一个 o n u 以分组的方式向o l t 发送分组信息 各o n u 按o l t 规定的顺序一次向 上游发送 各o n u 向上游发送的码流在光分路器 o b d 合路时可能发生碰 撞 这就要求o l t 测定它与各o n u 的距离后 对各o n u 进行严格的发送定 时 由于各o n u 与o l t 间距离不一样 他们各自传输的上行码流衰减也不一 样 到达o l t 时的各分组信号幅度不同 因此在o l t 端不能采用判决门限恒 定的常规光接收机 只能采用突发模式的光接收机 根据每一组开始的几比特 信号幅度的大小建立合理的判决门限 以正确接收该分组信号 各o n u 从o l t 发送的下行信号获取定时信息 并在o l t 规定的时隙那发送上行分组信号 故到达o l t 的各上行分组信号在频率上是同步的 但由于传输距离的不同而 到达o l t 时的相位差也就不同 故在o l t 端必须采用快速比特同步电路 在 每一分组开始几个比特的时间范围内迅速建立比特同步 2 副载波复用多址 s c m a s c m a 采用模拟调制技术 将各个o n u 的不同频率的上行信号分别调制 到不同的射频段 然后用此模拟射频信号分别调制各o n u 的激光器 l d 波长相同的各模拟光信号传输至o b d 合路后再耦合到同一馈线光纤到达o l t 在o l t 端经过光电探测器p d 后输出的电信号通过不同的滤波器和鉴相器分别 得到各o n u 的上行信号 s c m a 在频带宽度允许的范围内 各上行信道比特率完全透明 在一定范 围内易于升级 与t d m a 相比 s c m a 可以灵活的增加或减少任一路o n u 而且该系统各上行信道彼此独立 与t d m a 相比不需要复杂的同步技术 但 由于各o n u 至0 l t 距离不同 o l t 接收到的各 州上行光信号功率也不同 特别是调制到频率较为接近的射频段的两路上行信号到达o l t 后的功率相差 很大时 将引起严重的相邻信道干扰a c i 增大各上行调制信号射频段频率间 隔 可使其a c i 性能得到较大的改善 但这也限制了系统的容量 在传输速率 为几十m b i t s 的系统中 s c m a 是一项较为实用的技术 3 波分复用多址 w d m a w d m a 采用波分复用技术将各o n u 的上行传输信号分别调制为不同波 长的光信号送至o b d 后耦合到馈线光纤 到达o l t 后利用w d m 分波器分别 取出属于各o n u 的不同波长的光信号 再分别通过光电探测器 p d 解调为 电 信号 北京邮电大学硕士毕业论文 w d m a 充分的利用了光纤的低损耗波长窗口 每个上行传输信道完全透 明 能够方便的扩容和升级 与t d m a 和s c m a 相比 w d m a 所用电路设 备较为简单 但w d m a 要求光源频率稳定度高 上行传输的通道数及信噪比 受光分波器性能的限制 系统各通道共享光纤线路而不共享o l t 光设备 故 系统成本较高 4 码分多址 c d m a c d m a 是指给每一个0 n u 分配一个多址码 各0 n u 的上行信码与相应 多址码进行模二加后 将其调制成同一波长的光信号 各路上行光信号经o b d 合路至馈线光纤到达o l t 在o l t 端经p d 检测出信号后 再分别与同o n u 端同步的相应的多址码进行模二加 分别恢复各o n u 传输来的信码 由于多 址码的速率远大于信码速率 故c d m a 系统实际上是一种扩频通信系统 c d m a 系统用户地址分配灵活 抗干扰性能强 由于每个o n u 都有自己 独特的多址码 故它有十分优越的保密性能 c d m a 不像t d m a 那样划分时 隙 也不像s c m a 及w d m a 那样划分频隙 o n u 可以更灵活的随机接入 而不需要与别的o n u 同步 但c d m a 系统容量不大 根据c d m a 技术的优 势 使它在用户数较少的接入网中 有着广泛的应用前景 3 1 2 理论基础 1 2 1 扩频理论简介 c d m a 是一种多址技术 它的每一个接入地址拥有一个唯一的扩谱码进行 扩谱调制 所有接入地址共享同样的频谱 扩谱调制是通过p n 码实现的 窄 带信息信号或信息序列通过宽带扩谱信号 序列 调制 相乘 所以传输前 信息信号频谱被扩散在更大的带宽里 扩频通信是当今国际上高新技术的热点之一 其理论基础是香农的信道 容量公式c w 1 0 9 2 1 s n 该公式表明 在高斯信道中 当传输系统的信号 噪声功率比s n 下降时 可用增加系统传输带宽w 的办法来保持信道容量c 不 变 对于任意给定的信号噪声功率比 可以用增大传输带宽来获得较低的信 息差错率 扩频技术正是利用这一原理 用高速率的扩频码来达到扩展待传输 的数字信息带宽的目的 扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍至几千 倍 故在相同的信噪比条件下 他具有较强的抗噪声干扰能力 5 儿6 j 扩频通信系统按其工作方式可分为 直接序列扩频 d s s s 跳频扩频 4 北京邮电大学硕士毕业论文 f h s s 跳时扩频 t h s s 和混合扩频四种工作方式 直接序列扩频 直 序扩频 是由待传信息码序列与高速率的伪噪声码序列模二加后 波形相 乘 得到的复合码序列 去直接控制射频信号的某个参量 一般为载波相位 从而获得直接序列扩频信号 因其扩展了传输带宽而得名 直接序列扩频系统 组成方框图如图1 1 所示 7 刖茎酬蓬 群 朝晒 图1 1 直接序列扩频系统方框图 获得扩谱信号有两门主要技术 跳频 f h 和直接序列 d s 伪随机噪 声 p n 扩谱 跳频是指发送信号的载波按照某一随机跳变图样在跳变 调频信号具有时 变 伪随机的载频 所有可能的载波频率的集合成为跳频集 跳频信号存在于 若干个信道的频带上 每个信道定义为其中心频率在跳频集中的频谱区域 跳 频发生的频谱带宽成为总跳频带宽 跳频通信中载波频率变换的规律成为跳频 图案 跳频图案越多 可靠性越高 跳频通信是指传输信号的载波频率按规定 规律进行离散变化的通信方式 通信使用的载波频率受一组高速变化的伪随机 码控制而快速变化 在每一个具体的跳频频点上 其瞬时占用的信道带宽相对 较窄 但由于是按照跳频图案在一个很宽的频带内跳变 从宏观上实现了频谱 扩展 因此跳频通信具有扩频通信的特性 1 8 在直接序列扩谱系统中 正负二进制基带数据波形的符号速率 1 瓜 通 过它与码片速率远大于信号速率 t s n t c 的伪随机正负二进制波形相乘得以 增加 这种操作的效果是用系数n 扩展信号波形的瞬时带宽 对于相同信号能 量而言 这将使得波形频谱密度降得很低而 类似噪声 在单边带r f 的频谱 中 扩谱信号功率为p s a l w a o b 这表明扩谱信号的频谱密度相对于未扩谱 信号以因子a 1 a o w b 1 n 降低 在接收端 解扩 与发送端相同的正负二进制扩谱波形相乘 和解调恢 复了原始基带数据波形 允许接收端滤除大部分宽带干扰 假定接收机前置滤 北京邮电大学硕士毕业论文 波器接受w h z 的信号带宽 那么它也接收该带宽内的干扰 假设干扰电平n o 可能远大于接收到的信号电平 用a l 表示 为简化起见传输损失忽略不计 这表明 s n r r f a 1 n o 1 但在解扩后 所需信号的带宽降为其原始值b 而干扰带宽仍为w 这样在信号带宽内可以用滤波来降低干扰功率 使得基带 数据的s n r 为 s n r b a s e b a n d a o b n o b a o n o na 1 n o w s n rr f b 公式1 1 使用相乘和滤波 相关 能得到相对于宽带干扰的处理增益n w b 如果接 收到所需信号的延迟分量 如 多径分量 只要扩谱波形的相关函数具有被 p n 序列满足的某种属性 在接收端用该分量与扩谱波形相乘就不会降低带宽 这样 d s 系统在有多径干扰或其他用户的干扰时 同样能得到处理增益 d s 扩谱系统通过瑞克技术提取所需信号和抑制多径干扰 这种技术使用p n 序列 发生器 收集 不同时延的多径信号 再在时域上重新排列 调整不同路径的 时延 对齐后合并实现分集增益 9 1 2 2 扩频技术的研究情况 目前扩频通信在军用和民用方面都得到了广泛应用 技术也进一步成熟 很多公司包括p h i l i p h a 砌u s 和z i l o g 等都研制了功能强大的扩频专用芯 片 同时d s p f p g a 等技术也渗透到扩频通信领域 对数据以及图像等的高 速 可靠传输提供了强有力的手段 在扩频系统中 最难解决的是扩频信号的 解扩解调和同步 扩频信号的解扩解调一般分为 模拟和数字方法 在模拟解 扩解调方法中 可用传统的解扩方法 用与发端同步的伪随机码对接收到的扩 频信号进行相关解扩 在数字解扩解调中 关键部件是数字匹配滤波器 可以 完成扩频信号的解扩和同步 z 8 7 2 0 0 就是具有代表性的一款芯片 1 0 1 1 1 2 3 伪随机码 p n 序列的性质 以序列0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 l 序列长度为2 5 1 为例 1 平衡特性 在p n 序列的一个完整周期p 2 n 1 中 l 的总数目和0 的总数 目相差不超过1 例子中 总共有1 6 个l 和1 5 个0 2 游程特性 总共有 2 1 1 2 2 m 1 个连1 或连o 的游程 长度为1 的游 程占一半 长度为2 的游程占1 2 2 长度为3 的游程占1 2 3 如此下去 有一 个游程 0 的长度为n 1 一个游程 1 的长度为n 如序列 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 l 总共有1 6 个游程 其中8 个游程长度为 北京邮电大学硕士毕业论文 1 有4 个游程长度为2 有2 个游程长度为3 有1 个游程长度为4 1 个游 程长度为5 3 相关特性 如果将一个完整序列和这个序列的任何移位进行逐位比较 则 对应比特相同的数目总比不同的数目少l 也就是说 相同位置的比特不同的 数目比相同的数目多1 个 使用p n 序列的这个性质 使得设计直接序列 d s 扩谱系统成为可能 1 2 常见的p n 序列 常用的扩频序列包括m 序列 w a i s h 序列和a 1 m o s tp e r f e c t 序列等 1 3 1 2 4 信号的扩频和解扩 1 2 5 伪码的同步 图1 2 扩频和解扩原理图 所谓两个伪码同步 就是保持其时差 相位差 为0 状态 在码分系统中 图1 2 扩频和解扩示意图相关接收要求本地地址码 伪码 与收到的 发送来 的 地址码同步 地址码的同步是码分系统的主要部分 其性能好坏直接影响 到系统的性能 伪码同步可以分为粗同步和细同步 粗同步又称捕获 细同步 又称跟踪 令c 一r 为接收到的伪码 c 心一f 为本地伪码 c 一一r 口以一彳一门丁 c 一f 日心一丁一船丁 公式1 2 北京邮电大学硕士毕业论文 同步过程就是使本地的r r 粗同步使 f o 1 捕获 l f i t 细同步使 令c o 一丁 c o 一 的周期为丁 幔 n 为码位数 码长 疋为码片宽 粗同步是使 i r r i 忪丁l 则判粗同步完成 反之判未完成 并行相关检测法 并行检测法通过检测比较y y y 选其最大者对应的f 为检测的 时延估计值 误差在疋以内 c f f c f 一1 乏 图1 3 并行相关检测法 并行相关函数检测法在无干扰与理想的相关特性条件下 理论上只需一个 周期t 即可完成捕获 但需要n 个相关电路 当n 1 时 导致设备庞大 串行相关检测法 串行相关检测法 每隔t 改变f 一个量 疋或疋 2 并将置0 一f 与值 比较 例如 取 r f o 2 超过甜 时对应的f 即为估值 由图1 4 可见 此 时l 丁i 1 时 n 1 t 很长 北京邮电大学硕士毕业论文 c f f 一丁 匹配滤波捕获法 图1 4 串行相关检测法 0 r j 溺 令口凡 三0 t t 即其持续时间为t 构成口艇 匹配滤波器 冲激响 应为 办 f 口 丁一f 不难看出 办 f 的持续期也为t 令 c 怨 2 口心一甩丁 当办 f 的输入为c 以 时 输出少 f 等于 y 0 c f f 木向u 办 口 c fo 一口 d 口2 口f 丁一口 c fo 一口 d 口 一 r o 一口一丁 口 尺f o 一丁 公式1 3 即y f 等于口 r 的周期性自相关函数 匹配滤波法的特点是实时性 其输出的最大时刻就是输入伪码一个周期的 结束时刻 也就是下一个周期的起始时刻 因此它的最短捕获时间也是t 这 种方法的主要限制是长码的匹配滤波器硬件实现困难 例如 7 位m 序列码的匹配滤波器构成如下 令m t 为双极性7 位m 序列 码波形 则其匹配滤波器的单位冲激响应h t m t t 由图1 6 可见 双极性m 序列波形匹配滤波器由抽头延时线 倒相电路 相加电路和码片的匹配滤波器构成 当n 1 制作许多抽头的模拟信号延时 线很困难 且级数愈多 对每一级的精度和稳定度要求也愈高 技术上实现难 度很大 c 9 北京邮电大学硕士毕业论文 图1 5 匹配滤波法 i 图1 6 双极性m 序列波形匹配滤波器 调制信号的捕获原理与基带一样 匹配滤波捕获的区别在于信号为 口 f c o s 国 r 即匹配滤波器的冲激响应为 i z r 口 丁一f c o s 国 丁一f 检测一 般取y t 的包络为检测目标 延时线精度要求为载波周期的若干分之一 也可 用基带匹配滤波器检测伪码调制信号 利用正交解调电路将伪码调制信号变为 基带伪码信号 然后再用基带匹配滤波器检测 相关检测捕获的区别在于用相 乘 带通滤波器 包络检波组成的包络相关电路代替基带相关电路 2 跟踪 令c 0 一f 为接收到的伪码 c 0 一彳 为本地伪码 跟踪是使 i r r l l r ij o 并保持住此状态 细同步的原理是连续地检测细同步误差 并根据检测结果不断地调整本地伪码地时延 相位 使净一r f i f f 专o 并 保持此状态 所以又称跟踪 设置为 z y f b 由图1 7 可见 在 疋 疋 区间有 y f 尬f a 其中k 0 常数 将式 a 带入式 b 得到 石 胜丁由图1 7 可见 若 r o 瓦 则碰f 0 有 z 此时本地伪码超前滑动 即必丁专0 若 f t 0 必f o 有 0 则 r o 丁 0 fj0 跟踪范围 t 疋 为两个码片周期2 疋 l o 北京邮电大学硕士毕业论文 图1 7 伪码延时锁定电路 y f 伪码调制信号c f f c o s r 的细同步跟踪可由伪码频带信号延时锁定电 路实现 框图如下 1 4 c 于 图1 8 跟踪误差检测电路 图1 9 调制信号的跟踪检测 北京邮电大学硕士毕业论文 2 1 系统描述 第二章系统搭建设想 扩频通信在无线通信中得到广泛的发展 第三代移动通信的核心技术 c d m a 技术就是基于扩频通信的 包括了手机模块 基站模块和无线信道 本 设计用光纤信道替换无线信道 希望设计在光路中传输的c d m a 系统 将扩 频通信的应用扩展到更为广阔的空间 2 1 1 系统组成 在发送模块中 将数字信号经过基带扩频后 再经过中频 约2 0 0 m 调 制 然后由调制信号驱动光发送模块 发送经过扩频调制后的光c d m a 信号 几路信号在光纤中叠加传送 在接收模块中 由光接收模块进行光电变换 得 到中频电信号 然后经由中频解调模块进行下变频得到基带扩频信号 再由基 带解扩电路进行解扩 还原为原来地数字信号 系统框图如图2 1 所示 基带 扩频 基带 扩频 基带 扩频 中频 调制 中频 调制 中频 调制 光发送 模块 光发送 模块 光发送 模块 基带 ii 中频 基带il中频ill 光接收 解扩h解调卜 卜刊模块 基带 ll中频ll 解扩h 解调卜h 上 行 信 号 光 纤 2 1 2 系统应用 本系统是将广泛应用的扩频方法用于光信号中 使得c d m a 保密性好 容量大的优点在光接入系统中得以应用 此方案可以用于许多光接入方案中 如无源光网络上行链路 由于本系统涉及到的硬件设备成本低廉 是上行链路 1 2 北京邮电大学硕士毕业论文 的一种有效方法 在较为简单的应用中发挥作用 如城市公路两侧的显示系统 和监控系统等 j 2 1 3 实现方法 包括了扩频和解扩的基带处理使用扩频芯片z 8 7 2 0 0 该芯片是去年开始 在国内应用的一款扩频芯片 可以设置p n 序列 不同芯片选用不同p n 序列 实现了基带信号的扩频和解扩 比之前的多了p n 序列设置的功能 这一芯片 内部寄存器的控制选用a t 8 9 s 5 2 单片机 该单片机操作简单 通过内部存储器 和分频器可以完成对z 8 7 2 0 0 寄存器和时钟信号的配置 1 6 在电路中 c d m a 信号的叠加得益于正负电平相抵 带来的幅度降低 而 光信号只有0 1 因此如果数字信号直接转变为光信号 再进行叠加 可能导 致的是 信号叠加幅度过高 解调信号难以实现 同时小小的偏差将导致信号 杂乱 失真 使系统彻底无法工作 增加中频调制的目的在于将数字电信号变 为模拟电信号 来调制光发送模块 使信号的边沿特性平滑 对同步要求降低 保证正确解调和解扩 l 7 j 为了保持简单 成本低的特点 此系统不像无线应用中的c d m a 系统 拥有单独同步系统 如同步信号或g p s 同步系统 而是通过硬件线路的严格 计算来实现同步 但是这一过程对于高速信号来说会存在很大的误差 1 8 因为扩频解扩 调制解调都可以分别集成在同一模块或芯片中 因此系统 的实现分三步进行 基带电信号 调制信号和完整系统 下面介绍第一部分基 带电信号扩频解扩的实现 包括芯片选型和具体电路板的制作和调试 2 2 核心芯片选型 2 2 1z 8 7 2 0 0 部分 1 扩频芯片z 8 7 2 0 0 原理框图 扩频芯片z 8 7 2 0 0 是z i l o g 公司研制的一个可编程的单片直序扩频收发 器 该芯片包括发送部分 接收部分和控制部分 它将扩频通信收发主要电路 的各个部分都集成于一块1 0 0 个管脚的芯片中 是一种智能化 可编程的扩频 收发芯片 该芯片结构灵活 与c p u 接口十分方便 设计简单易用 该芯片采 用贴片安装的方式 尺寸小 功耗低 可实现扩频信息的快速捕获并支持多种 数据传输速率和扩频参数 可广泛应用在各类数据传输和无线通信系统中 主 北京邮电大学硕士毕业论文 要应用于点对点 点对多点的无线通信网及无线数据采集系统 无线p o s 等 系统中 但是目前国内介绍该芯片的公开资料较少 这里将根据公司提供的芯片 资料和试验情况对其进行详细介绍 其原理框图如图2 2 所示 图2 2z 8 7 2 0 0 原理框图 2 z 8 7 2 0 0 工作原理 z 8 7 2 0 0 接收机下变频电路允许使用两种确定的模式 模式的选择根据应用 的需要 当接收的p n 码片速率低于i f 抽样时钟速率的1 8 时 z 8 7 2 0 0 可以用单 加变换器工作在直接i f 抽样模式 对于较高的码片速率 可以将z 8 7 2 0 0 用于 完全正交抽样模式 该模式下 使用正交信号源 两个a d c 和正交模式下的片 内n c o z 8 7 2 0 0 使用单a d 变换器工作在直接i f 抽样模式 直接i f 抽样模式允许 使用一个a d c 如果符合应用要求 使用直接i f 抽样模式可以减少系统的功 耗 因为正交抽样模式中的另一个a d c 在这里不需要 在直接i f 抽样模式下 抽样频率作为接收机i 通道输入 q 通道输入置0 o 由a d c 输入格式定义 结果下变频器的乘法器中只用到两个或四个 器件不会进行i f 到基带的单边带下变频 在正交抽样模式下 正交输入输入 到i q 端口的两个a d c 所有的复数乘法器即被使用 频域里直接i f 抽样模式 1 4 北京邮电大学硕士毕业论文 的工作如图所示 图中频谱是不对称的 便于识别频谱的倒置 输入信号的频谱如第一行 中心频率是f l 带宽为b 带宽b 是双边带带宽 一个p n 码片速率是1 2 bm c p s 注意 讨论中假定信号带宽不超过1 2 f s a 即 b 1 2f s a 另外 描述的混频和抽样过程将导致破坏性的带内混淆现象 同时 1 l 冬l 幺i 吒q i3 二竺ii3 f r q l 哈i 出i 哈i 却i 哈l 出l 一 i ii i ili l i 一 图2 3 直接i f 抽样模式下信号的频谱 i f 频率必须能够支持信号带宽 即1 2 b f l 输入信号的抽样信号频率是f s a 抽样信号见第二行 抽样后的频谱见第三 行 可以看到基波和谐波的抽样产生了其他的频率分量 这些频率分量以抽样 频率的倍数为中心 换句话说 第三行抽样后的频谱包括频率是f l i 岖a 的新频 率分量 n 是整数 因为抽样是线性的 没有频谱倒置 即原始频谱经过频率 抽样时 输入频谱没有镜像反射 z 8 7 2 0 0n c o 提供正交输出 s i n e 和c o s i n e 定义复数信号 第四行是它的 频谱 在 f 1 处有一个脉冲 表示信号经过下变频 f l 频率处脉冲的丢失是因为 n c o 输出是复数 第三行输入的抽样信号与第四行是耐奎斯特频率以上的基带 信号分量 不予考虑 1 2 f s a 的信号包括目标信号和另一个中心频率相差 2f l 的 形状对称的信号 在抽样前是i f 频率的两倍 通过理想低通滤波器就 可以滤去这一信号 北京i l i i 乜人学硕l 毕业论文 图2 3 中 给出的输入信号频率较低 f l 2 f s a 信号只能定义在初次耐奎 斯特频率中 如果b 1 2f s a 只要频率在非初次耐奎斯特频率范围 定义的f 的范围是 n 一1 2 f s a 1 2 时 可以看到衰减至少等于旁瓣地峰值 或至少一1 3 d b 旁瓣峰值是最坏情况 在需要的带宽以外 很多新频率分量的 能量衰减大于1 3 d b 虽然如此 不能被衰减的多余的频率分量降低了系统的性 能 因此 建议在接收机p n 码片速率低于1 8f s a 时 即b 1 4f s a 使用直接i f 抽样模式 积分和丢弃滤波器的衰减也取决于i f 频率f l 和i f 抽样频率f s a 的选 择 这两者的选择可以使基带耐奎斯特范围内 不需要的信号分量和目标信号 分量尽量分丌 得到最大的衰减 最佳的分开距离出现在干扰信号中心在基带 耐奎斯特范围的边界 1 2 坛a 在这样的情况下 目标信号与干扰信号在 正轴和负轴间隔距离相同 考虑直接i f 抽样模式的最坏情况 如果b 3 2 时的值 这里衰减最少 是 2 1 d b 比之前讨论的最佳情况要好 进一步分析得到输入s n r 1 5 d b 干扰 衰减2 1 d b 将使信噪比降低今1 d b 上面讨论的i f 频率的最佳选择可能会超出基次耐奎斯特范围 因为i f 频 率nf s a f 1 与任意n 产生相同的值 最佳距离的大致情况如下 f i nf s a 1 4f s a b 1 2 厄 公式2 3 如果注意解决高边带反转的影响 下面的i f 频率也可以作为最佳条件 f i nf s a 一1 4f s a b 1 2f s a 公式2 4 在正交抽样模式下使用z 8 7 2 0 0 的两个a d c 正交抽样模式下 正交i 和q 通道i f 输入被两个a d c 抽样 然后进入下变频 下变频器的所有四个复数乘法器都用 于实现到基带的实数单边带下变频器 正交输入意味着输入信号是复数输入信 号频谱是单边带 没有镜像虚数频谱成分 基次耐奎斯特范围内的虚数干扰不 会出现 也不需要经过积分丢弃滤波器进行衰减 在之前的讨论中 只要 b 1 2f s a 1 2 b f i 上面的分析就成立 输入频谱只能在单边带耐奎斯特范 围内 即 n 一1 2 f s a if l n 1 2 f s a 公式2 5 差分解调 1 7 北京邮电人学硕 i 毕业论文 如日 j 所述 点乘和又乘是d p s k 调制器和鉴频器的基本操作 令i k q k 分别 代表i 通道 q 通道的输入 下变频和解扩后的第k 个符号 点乘和叉乘的定义 如下 d o t k i k i k 1 q k q k 1 c o r s s k q ki k l i kq k i 公式2 6 公式2 7 在复数域 令第k 个输入抽样s i n k 定义为 s i k i k j q k 都是直接送入 d p s k 解调器的8 位峰功率p n 匹配滤波器i q 通道输出极座标形式 s i n k 可以被 定义为 s i n k a 妣删 a k 肛丽而 舭 a r c t a n 器 代入 得到连续信号复数共轭乘积如下 公式2 8 f 尼 2s 尼 s 尼一1 衙 2 d o t k j c r o s s k 公式2 9 u d 是二进制固定相位旋转 d o t k 是s t k 的实部 c r o s s k 是s o t k 的虚部 弓i 入u 讯 d 固定相位旋转用以简化判决标准 在d p s k 解调中 使用点乘和叉乘 的关键是 能够表示出连续符号复数共轭乘积的实部和虚部 d b p s k 解调 在d b p s k 中 连续信号的相位差 源自数据调制相位差 中m d 加上任 意原凶引起的符号l 白j 的相位旋转 中眦 例如 接收信号的i f 和下变频器的i f 之间的频偏产生 巾嘣 对于d b p s k 数据调制差 巾m d 只能取0 0 或1 8 0 0 因此 判决可以由f 式得到 s i o f 庀 彳 尼 么 七一1 已 9 p 一 9 一1 彳 尼 4 尼一1 p 舭以 九 1 公式2 1 0 对于d b p s k 只要肋 f 尼 d d f 七 的实部就可以决定调制相位变化 d d f 七 彳 尼 4 七一1 c o s 矽 d 尼 矽 七 北京邮电大学硕士毕业论文 2 么 七 4 七一1 c o s 九 尼 公式2 1 1 式中的符号取决于发送数据 因为c o s 中m o d k 1 结果可以得到 d d f 七 彳2 庀 公式2 1 2 如果连续符号的信号幅度是常数 且两个符号间的相位旋转 巾m k 很 小 z 8 7 2 0 0d p s k 调制器可以采用点乘的符号 这样可使d b p s k 符号判决不 引入任何固定相位旋转 d q p s k 解调 对于d q p s k 解调 两个连续符号间可能的相位偏差是 o o 9 0 0 1 8 0 0 2 7 0 0 这里 在点乘和叉乘计算中引入相位偏移 f i d f i d 4 5 0 是必要的 用以 消除相位差是4 5 0 l3 5 0 2 2 5 0 或3l5 0 的情况 因此d q p s k 判决边界与点乘和叉 乘的符号一致 在z 8 7 2 0 0d p s k 解调器中 相位旋转是在信号旋转模块中通过 下面的i q 通道值的改变实现的 4 5 o 彭毫转j 尼 i k 一q k 2 4 5o 旋转 足 i k q k 2 4 5o 旋转线 七 i k q k 2 4 5 0 彰e 转q 七 一 i k q k 2 公式2 1 3 除以2 是信号旋转函数的一部分 这一变化与乘以 1 j 2 或 1 2 e i 缸斯d 相同 这里符号间的频偏引起的相位旋转 中m k 忽略不计 假定发送d q p s k 调制相位是经过表三定义的差分编码 连续信号间的频偏 恒为 4 5 0 即3 3 h 的比特0 和l 被设为1 1 类似的 当从发送调制器到解调器的 通路中没有引入频率 或相位 反转 可以取消 反转i q 控制功能 即将 3 6 h 的比特o 设为o d o t 1 和c r o s s 1 乘积包括了可能的 由m d k 和巾觚d 值 这就给出了判 决中符号是怎么样选择的 1 9 北京邮电人学硕l 毕业论文 i q 位 信号象限象限图标 00第一第二第一 10第二第三第四 11 第三 01第四 表2 1 载波象限对应 兀 4 0 p s k 解调 z 8 7 2 0 0d p s k 解调器判决逻辑的设计使正确d o p s k 判决引入了信号旋转 中 d 一4 5 0 对于 4q p s k 解调 调制器会在两个符号问插入4 5 0 相位偏移 因此可能的相位偏移是4 5 0 1 3 5 0 2 2 5 0 或31 5 0 结果d p s k 解调器应该配置为 4q p s k 而中n e d 0 d q p s k 相位和i q 通道反转 z 8 7 2 0 0 使用差分b p s k q p s k 调制和解调 即根据数据相位变化调制到载 波 在解调器通过检测一个符号周期内相位变化来恢复信号 对d p s k 相位和i q 通道反转提供了配置控制 信号旋转控制寄存器 地址 3 3 h 的比特o 和1 反转i q 控制寄存器 3 6 h 地址o 第一个寄存器在接收机连续 符号 自j 引入了 f 负4 5 0 的相位 第二个寄存器改变d p s k 解调器处的i q 通道 考 虑到由点乘和又乘轴决定的判决边界 连续符号间相位的引入会改变输入信号 映射 z 8 7 2 0 0 芯片包括发送 接收和控制三个部分 它将扩频通信收发电路的 各个部分集成于一块1 0 0 个引脚的芯片中 包括差分编码 调制器 伪噪声 p s e u d o n o i s e p n 码发生器 数控振荡器 p n 码匹配滤波器 下变频器 功率检测器 符号跟踪处理器 自动频率控制器及环状滤波器等模块 是一个 可编程的单片 直接序列扩频收发机 它具有编程功能从而可以支持几种不同 的运行模式 2 0 北京邮电大学硕士毕业论文 3 z 8 7 2 0 0 各功能模块的介绍 1 输入 输出数据处理器 当接收和发送工作在q p s k 模式下 对要传送的数据和接收数据实行双比 特处理 一比特针对i 通道 一比特针对q 通道 双比特q p s k 做为单差分编 码q p s k 符号被发送和接收 单比特i o 数据通过输入 输入数据处理器进行 二者的相互变换 接收t x i n 的串行信号发送 产生r x o u t 的串行输出 如 果需要 接收信号可以在双比特一串行变换之前在i i o u t 和r x q o u t 管脚 得到 当接收定时取自z 8 7 2