扩频技术的应用

上官敏乐

【摘要】人民防空警报系统是战时向城市居民发放防空袭警报信号，传递敌空袭信息的通信系统。它是人防部门所独有的通信设施，具有无法替代的性质。人防警报发放装置趋向于统控化、交互化、多媒体化、抗毁化。近年来，各种通信技术的发展给通信注入了活力，扩频通信更因其抗干扰能力强、隐蔽性好、可实现码分多址和抗多径衰落等优点在无线领域得到了广泛应用;其相应扩频处理芯片应运而生并得到迅速发展，这为扩频通信的电路实现提供便利。

【关键词】人防警报;扩频通信;m序列;ARM;

本文设计的人防警报就是在扩频通信理论的指导下，将直接序列扩频技术和ARM技术相结合使人防警报实现改进。本文以STANFORD TELECOM公司的扩频产品STEL-2000A芯片和三星公司的SCS2410A为主，设计了相关外围接口电路和软件模块。设计中使用STEL-2000A芯片实现人防警报系统的数字扩频。上电复位后，芯片处于接收状态，工作在突发模式下，采用DPSK调制方式，将数传模块的数字信号，通过中断将解调完的基带信号送入SCS2410A处理;处于发送状态时，可将数据扩频、调制，经数传模块送出。通过对其内部87个寄存器写入数据可对其进行控制。并给出了以上系统设计时的软件流程。

将数传模块的数字信号，通过中断将解调完的基带信号送入SCS2410A处理;处于发送状态时，可将数据扩频、调制，经数传模块送出。通过对其内部87个寄存器写入数据可对其进行控制。并给出了以上系统设计时的软件流程。

系统中采用的无线数传通信模块的型号是SA68D21，是一种小型的无线数传收发模块，它具有体积小、使用灵活等优点。SA68D21无线数传模块工作于VHF/UHF频段，符合国际电报电话咨询委员会CCITT.23标准。SA68D21以89S52单片机为核心，实现了半双工方式通信。SA68D21还具有以下一些主要特点：具有TTL、RS232、RS485多种电平接口;8位及9位的串口帧格式可选;接口波特率可设置成300、600、1200、2400、4800、9600、19200;采用CRC检验，可验出传输中错误;频率源采用VCO/PLL 频率合成器，并可方便灵活地通过串口设置频点。所以实现通过SA68D21进行无线数据收发是比较简单的。相对于为控制器来说就是进行实现串口通信即可。在系统设计中，因为无线数传模块和设备控制板是安放在一个机箱里的，所以采用RS232接口就可保证数据通信的可靠性。

扩频技术（Spread Spectrum， SS）的历史可以追溯到20世纪50年代中期，但是直到80年代初，扩频技术仍然主要应用在军事通信和保密通信中。扩展频谱通信（Spread spectrum communication），简称“扩频通信"，是一种信息传输方式。其特点为：传输信号带宽远远大于发送出去的数字信息带宽。利用扩频技术，系统频率利用率比频分系统要高。扩频技术是以仙农（Shannon）公式作为理论基础而发展的。仙农公式：C=Wlog2（1+P/N） 根据该公式可导出：在保持信息传输速度C不变的情况下，可以用不同频带宽度W和信噪功率比P/N来传输信息;如果增加频带宽度W，就可以在较低的信噪比P/N的情况下来传输信息，甚至在信号被噪声湮没的情况下，只要相应地增加信号带宽，也能保证可靠地通信，这一特点对满足某些通信要求的意义很大，扩频通信的主要特性如下：抗干扰性能好。它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力选择性寻址能力强，可以用码分多址的方式来组成多址通信网;保密性能好，信息隐蔽以防窃取;频谱密度低，对其它通信系统的干扰小;人防警报系统扩频通信的主要技术指标为：数据传输率：3.2 Kbps伪码长度：;64bit扩频增益：18 dB调制方式：DPSK发射载频156.575 MHz带宽：125 KHz

一、直接序列扩频通信系统

直接序列扩频通信系统与其他扩频通信系统相比较，实现频譜扩展方便，无论对通信、测距应用，还是对其他应用都很适合，是目前应用最多、最广泛的一种扩频通信系统。原理图如图1所示：

二、m码序列的产生原理

扩频通信是将待传输的信息数据被伪随机码（Pseudo Code）调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的PN码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。这种通信方式与一般常见的窄带通信方式相反，是在扩展频谱后，宽带通信，再通过相关处理恢复成窄带后，解调数据，因此具有伪随机编码调制和信号处理两大特点。它具有强抗干扰性、抗噪声、抗多衰落、可以码分复用等突出优点。伪随机码序列是一种具有类似白噪声统计特性的编码信号，通常作为扩频系统的扩展码。M码序列是移位寄存器序列。M码序列可以由移位寄存器加反馈产生。

三、STEL-2000A主要功能介绍

STEL-2000A芯片是美国STANDFORD TELECOM公司出产的可编程直接序列扩频收发芯片，它可以工作于全双工方式下，以全数字处理的方式完成一个直扩系统的收发工作。它具有以下一些突出特点： 可利用编程功能支持多种工作格式，包括BPSK、QPSK等; 在发射和接收模式下支持高达11Mbps的PN码速率; 两路独立的PN码序列，分别用于快捕头和数据码元的扩频，其长度和PN码序列可编程控制，最长可达64位长; 可支持数据速率高达2.048Mbps; 能源管理特性某些功能块不工作时，可暂时关闭以降低能耗。

STEL-2000A的内部结构，在发射端的关键部分是扩频模块，发射时所用的扩频PN码由单片片编程写入，存储在STEL-2000A内的发射PN码寄存器中，在QPSK方式下，数据以比特对的格式（I、Q两路正交数据信号）与寄存器中的PN码相异或，从而完成扩频，成为两路正交的I、Q两路扩频信号。

在接收模块的关键部分是数字下变频和解扩模块。数字下变频模块接收的外部ADC对两路正交信号的带通采样信号。下变频器包括一个复数乘法器，8位输入信号同NCO（数控振荡器）产生的数字正弦和余弦信号相乘。要正确地数字下变频，只要在弦和余弦信号相乘。要正确地数字下变频，只要在NCO中写入合适的频率控制字即可，因为片内的闭环频率跟踪环会时刻输出校正信号，与NCO的频率相加，以令接收信号被精确地下变频到基带。而在STEL-2000A的解扩部分，则使用了一个PN匹配滤波器和PN码寄存器。PN码寄存器中的PN码应该与发射来的信号所使用的PN码一致，才能够正确接收数据，否则获的将是一片噪声。PN码寄存器中的PN码与数据信号在PN匹配滤波器中作相关积分运算，由于PN码的一个重要持性就是它的自相关系数很高，而互相关系数很低，所以只要相关的两部信号的PN码一致，就可以获得相关积分的峰值，这就意味着解扩的成功。

人防警报系统中，发端所传送的是数字信号，所以不必经过A/D变换。人防警报系统采用了DPSK调制方式。

Windows CE.NET的移植主要采用由微软官方提供的Platform Builder这一工具。

本设计采用的S3C2410A的CPU架构为ARM4I，所以ARM4I结构是必选的。同时为了调试方便还应选择x86、模拟器结构。

BSP（BoardSupport Package）又称板级支持包，是Windows CE.NET系统的基石，构建于硬件平台之上，服务于操作系统核心。Boot Loader是操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为调用操作系统内核准备好正确的环境。Windows CE.NET启动后的界面，可以看到Windows CE.NET的启动界面和PC机的Windows的界面十分的相似。编写在Windows CE下运行的应用程序，需要使用专门用于Windows CE的开发工具。在.NET技术出现之前，微软为Windows CE的嵌入式应用程序的开发提供了两个开发工具，分别是Embedded Visual C++（EVC）和Embedded Visual Basic（EVB）。在本系统的应用程序设计中，主要采用EVC的MFC编程方式。串行输入/输出（Serial I/O）通常是所有Windows CE装置都支持的最基本的通信功能。在本系统中控制电路和数传模块的通信是通过串行口来实现的。S3C2410A具有3个串行口，设计中串口1用于设备调试时目标机和宿主机通信接口，串口2用于和数传模块通信。

现存的警报网络中，主控中心设备和终端设备之间的通信是以数据包的方式传递数据和命令的。数据包的格式如下：

需要说明的是区位码，它用来指明数据报的发送者，为警报指令数据包指明传递方向。

串口数据发送的代码如下：

WriteFile（h_com， SendBuf， DSize， &nLength，NULL）读串口数据，首先创建读串口线程程序如何知道有数据到达串行口呢？这需要用到Windows CE的通信事件，它類似于Windows的消息，当指定的事件发生时，由Windows CE发送消息给应用程序，触发WaitCommEvent（）函数返回，执行相应的操作。

四、结论

设备具有可移动性。由于微处理器S3C2410A的低功耗，使设备不再需要CPU风扇，Flash芯片的运用又替代了硬盘存储器，所以设备不再受移动的限制。设备设计中考虑了警报中心能源抗毁化。嵌入式系统的低功耗，使得设备可以采用电池供电。在城市供电受损时设备依然可以在电池和太阳能充电方式下继续生存。设备采用TFT LCD和触摸屏进行人机交互，提高了交互的效率、易于使用。具有良好的人机交互界面，Windows CE嵌入式操作系统和Windows系统具有相似的界面和操作方法，这为操作人员提供了方便。程序开发采用面向对象的编程技术，提高了代码的重用性和可扩充性。

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