基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字擴頻收發(fā)信機設計

摘 要：將擴頻技術和嵌入式技術結合起來，設計了一種數(shù)字擴頻收發(fā)信機，它是雙通道的，每一個通道都包括硬件和軟件兩部分。硬件部分由語音編解碼電路、嵌入式微處理器、電平轉換電路、語音數(shù)據(jù)擴頻解擴調制解調電路、鎖存及控制信號產生電路、外部存儲器和射頻單元電路組成；軟件部分由系統(tǒng)啟動加載程序和收發(fā)機系統(tǒng)的主程序兩部分組成。通過軟件編程、調試、下載，硬件焊接連線，通電調試，發(fā)送通道實現(xiàn)了話音錄入、擴頻和BPSK調制、無線發(fā)送；接收通道實現(xiàn)了無線接收，BPSK解調、解擴和播放；兩通道可同時進行；在無線傳輸時，最遠傳輸距離可達1 km左右，表明達到了設計要求。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；擴頻；發(fā)射；接收

中圖分類號：TN702文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)05-093-03

Design of Digital Spread-spectrum Transceiver Based on Embedded System

LONG Guangli

(Shaanxi University of Tecnology,Hanzhong,723003,China)

Abstract：A sort of ditigal spread-spectrum transceiver is designed,which is hand in hand between the spread-spectrum technique and embedded technique.It is two-channels,each channel includs two parts:hardware and software.Hardware circuit includs voice codec circuit,embedded microprocessor,voltage switching circuit,voice data spread-despread spectrum and modulation-demodulation circuit,lock packing and signal controled circuit,external storage and radio frequency unit.Software includs two program: starting-loadding system program and master program of transceiver.Behind programming software,debugging program,downloadding software,weldding and linking Hardware circuit,switching on electrify and debugging circuit,the transmitting channel may realize voice-loginning,speading-spectrum,BPSK modulation and wireless transmitting;the receiviing channel may realize wireless receiviing,BPSK demodulation,despeading-spectrum and voice-playing.The two channel may run at one time and the farthest transmission range may approve 1 km.The result shows that it achieves the expected criteria of design.

Keywords：embedded system；spread-spectrum；transmit；receive

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)就是一個具有特定功能或用途的計算機軟硬件結合體，或指裝入另一個設備并且控制該設備的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的最大特點是其具有目的性和針對性，即每一套嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)都有其特殊的應用場合與特定功能。嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分。硬件架構以嵌入式處理器為中心，配置存儲器、I/O設備、通信模塊等；軟件部分以軟件開發(fā)平臺為核心，向上提供應用編程接口API，向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包BSP。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調工作，共同完成系統(tǒng)預定的功能［1］。

擴頻通信是當今國際上高新技術熱點之一 ，其理論基礎是香農(C.E.Shannon)的信道容量公式［2］。該公式表明，在高斯信道中，當傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比SNR下降時，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的辦法來保持信道容量C不變；對于任意給定的信號噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。擴頻技術正是利用這一原理，用高速率擴頻碼來達到擴展待傳輸數(shù)字信息帶寬的目的。擴頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信體制大幾百倍至幾千倍，故在相同信噪比的條件下，具有較強的抗噪聲干擾能力。

1 基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字擴頻收發(fā)信機的硬件設計

設計的基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字擴頻收發(fā)信機結構框圖如圖1所示。

該數(shù)字擴頻收發(fā)信機是雙通道的(圖中只畫出單一通道)。通道由語音編解碼電路、嵌入式微處理器、電平轉換電路、語音數(shù)據(jù)擴頻解擴調制解調電路、鎖存及控制信號產生電路、外部存儲器和射頻單元電路組成。

語音編解碼電路采用PHLIPS半導體公司生產的低功耗立體聲音頻編解碼芯片UDA1344TS。該芯片3.0 V電源供電，可工作在L3微控制器模式，也可工作在靜態(tài)引腳工作模式，通過模式控制引腳MC1(8腳)、MC2(21腳)設置為靜態(tài)引腳工作模式(均為高電平)，在該模式下，可控制的特征有系統(tǒng)時鐘選擇、數(shù)據(jù)輸入/輸出格式設置、重低音和靜音控制以及ADC控制，這些特征是由引腳MP1(9引腳)、MP2(13引腳)、MP3(14引腳)、MP4(15引腳)、MP5(20引腳)控制的。

嵌入式微處理器選用SAMSUNG公司為手持設備設計的低功耗、高集成度基于ARM920T核的微處理器S3C2410X。該處理器集成了16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存、MMU、外部存儲器控制器、LCD控制器、NAND FLASH控制器、4個DMA通道、3個UART通道、1個I2C總線控制器、1個I2S總線控制器、4個PWM定時器和一個內部定時器、通用I/O口、實時時鐘、8通道10位ADC和觸摸屏接口、USB主/從接口、SD/MMC卡接口等［3］。

語音數(shù)據(jù)擴頻解擴調制解調電路選用Zilog公司研制的可編程單片直接序列擴頻收發(fā)芯片Z87200。該芯片包括發(fā)送部分、接收部分和控制部分，它將擴頻通信收發(fā)主要電路的各個部分都集成于一塊100個管腳的芯片中。發(fā)送部分包括了發(fā)送數(shù)據(jù)的白化處理、串并變換、差分編碼、PN碼產生、擴頻、QPSK/BPSK調制及發(fā)定時控制，完成由數(shù)據(jù)輸入到已調中頻信號輸出的擴頻、調制處理。接收部分包括中頻到基帶的數(shù)字下變換、PN碼產生、數(shù)字匹配濾波、解擴、相關峰檢測、差分解調、并串轉換、去白化處理、數(shù)控振蕩器及位定時處理等，完成由數(shù)字中頻信號輸入到數(shù)據(jù)輸出的全過程解調解擴處理。此外，Z87200還設置了86 B的片內寄存器，用于對芯片功能的編程設置，使得對擴頻系統(tǒng)的設置具有靈活性，芯片具有通用性，可與計算機或單片微處理器連接，完成對內部寄存器的編程控制［4］。

電平轉換電路采用MAXIM公司的雙向8通道電平轉換芯片MAX3001E。由于嵌入式微處理器S3C2410X工作電壓通常是3.3 V，而直序擴頻收發(fā)器Z87200工作電壓通常是5 V，所以可采用多個MAX3001E來連接這兩個芯片，以實現(xiàn)它們之間的邏輯電平轉換。

鎖存及控制信號產生電路采用74LV373鎖存器和復雜可編程邏輯器件EPM7128SLC84-15。在通過接口控制單元向直序擴頻收發(fā)器Z87200讀寫數(shù)據(jù)時，為了確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，采用74LV373鎖存器對要讀寫的數(shù)據(jù)先進行鎖存，然后才完成數(shù)據(jù)的讀寫。EPM7128SLC84-15是ALTERA公司生產的一款MAX7000S系列的CPLD器件，用VHDL編程設計一個8位同步移位寄存器和一個9位同步計數(shù)器，在Max+PlusⅡ開發(fā)平臺上進行編譯仿真后下載在CPLD器件EPM7128SLC84-15上［5］。由于直序擴頻收發(fā)器Z87200被設置為突發(fā)工作模式，為方便數(shù)據(jù)處理，可設置突發(fā)塊的長度為8符號/幀，配合使用9位計數(shù)器和8位移位寄存器，每移位9次可得到真正需要的8位語音數(shù)據(jù)。

射頻單元采用北京迅通科技公司的PTR8000(以nRF905作為數(shù)據(jù)無線傳輸芯片)高性能嵌入式無線模塊，它專為點對多點無線通信設計，內置數(shù)據(jù)協(xié)議和CRC檢錯，可工作在430/868/915 MHz，工作電壓在1.9~3.6 V之間，最大發(fā)射功率+10 dBM，高抗干擾GFSK調制，可跳頻，數(shù)據(jù)速率50 Kb/s，獨特的載波監(jiān)測輸出，地址匹配輸出，地址就緒輸出。由于與RF協(xié)議相關的高速信號處理部分已經嵌入在模塊內部，PTR8000可與各種單片機配合使用，也可以與DSP等高速處理器配合使用；PTR8000提供一個SPI接口，速率由微控制器自己設定的接口速度決定，在RX(接收)模式中，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準備就緒(DR)信號通知MCU一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已經各自完成，微控制器即可通過SPI讀取接收的數(shù)據(jù)。在TX(發(fā)送)模式中，PTR8000自動產生前導碼和CRC校驗碼，數(shù)據(jù)準備就緒(DR)信號通知MCU數(shù)據(jù)傳輸完成。

外部存儲器由一塊8 MB的SDRAM(采用HY57V641620)和一塊2 MB的FLASH(采用HY29LV160)構成，主要用于存放程序和數(shù)據(jù)。

2 軟件設計

嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用武漢創(chuàng)維特信息技術有限公司的ADT IDE集成開發(fā)環(huán)境，它提供高效、清晰、可視化的嵌入式軟件開發(fā)平臺，包括一整套完備的面向嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和調試工具：編輯器、編譯器、鏈接器、工程管理器以及調試器等，它運行于Windows NT/95/98/2000/XP，采用類似Visual Studio界面風格，支持中、英文版本［6］。

在用戶的應用程序之前，需要由專門的一段代碼完成對系統(tǒng)的初始化，即系統(tǒng)啟動加載程序。當ARM微處理器上電或者復位之后，處理器從0x0取值，在這個地址處安排的程序就是系統(tǒng)啟動加載程序。由于這類代碼直接面對處理器內核和硬件控制器進行編程，故采用匯編語言，其任務包括建立異常向量表、重構異常向量表、初始化存儲器系統(tǒng)、初始化堆棧、初始化應用程序執(zhí)行環(huán)境、屏蔽所有中斷和呼叫主應用程序。

收發(fā)機系統(tǒng)的主程序主要完成芯片的初始化、接口的配置、語音數(shù)據(jù)流控制和中斷處理等工作，使得收發(fā)機系統(tǒng)在嵌入式微處理器的控制下能有效地完成語音的錄入、發(fā)送、接收和播放全過程，基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字擴頻收發(fā)信機程序流程圖如圖2所示。

3 實驗結果

用匯編語言編寫系統(tǒng)啟動加載程序，用C語言編寫嵌入式微處理器的數(shù)字擴頻收發(fā)信機程序，在ADT IDE集成開發(fā)環(huán)境下添加源代碼，保存后加入到工程中進行設置和編譯，通過后經過JTAG簡易調試器，將應用程序燒錄到FLASH中，下載到SDRAM中。將語音編解碼電路、嵌入式微處理器S3C2410X、電平轉換電路、語音數(shù)據(jù)擴頻解擴調制解調電路、鎖存及控制信號產生電路、外部存儲器和射頻單元電路正確焊接在PCB板上，上電，運行程序。

在發(fā)送端，話音通過麥克風送入語音編解碼芯片UDA1344TS，經過語音編碼處理后，產生I2-bus格式的串行語音數(shù)據(jù)通過標準I2S語音接口傳送到嵌入式微處理器S3C2410X。S3C2410X將得到的8位語音數(shù)據(jù)存儲到預先分配好的數(shù)據(jù)區(qū)，接著將該數(shù)據(jù)通過同步串行接口SIO一位一位地發(fā)送到語音數(shù)據(jù)擴頻解擴調制解調芯片Z87200片內進行擴頻、BPSK調制等一系列處理后，得到8位數(shù)字中頻語音信號；最后，通過射頻單元PTR8000 無線發(fā)送出去。

在接收端，通過射頻單元PTR8000無線接收到8位數(shù)字中頻語音信號，送入Z87200片內進行解擴、解調等一系列處理，得到串行語音數(shù)據(jù)信號；該信號被送入CPLD器件EPM7128SLC84-15的8位同步移位寄存器；CPLD每得到一個8位語音數(shù)據(jù)就將該數(shù)據(jù)鎖存并產生一個外部中斷，通知嵌入式微處理器S3C2410X將這8位語音數(shù)據(jù)讀走；最后在S3C2410X的控制下將語音數(shù)據(jù)通過I2S接口傳送給語音編解碼芯片UDA1344TS，解碼處理后通過揚聲器播放出來。

發(fā)送通道實現(xiàn)了話音錄入、擴頻和BPSK調制、無線發(fā)送；接收通道實現(xiàn)了無線接收、BPSK解調、解擴和播放。兩通道可同時進行；在無線傳輸時，采用PTR8000高性能嵌入式無線模塊，最大傳輸速率可達20 Kb/s，最遠傳輸距離可達1 km左右。

4 結 語

闡述了嵌入式系統(tǒng)和擴頻通信的含義，以嵌入式微處理器S3C2410X為核心，利用Z87200，UDA1344TS，PTR8000等模塊設計出了數(shù)字擴頻收發(fā)信機。該文創(chuàng)新點是將嵌入式技術和擴頻技術融合在一起，同時采用ADT IDE集成開發(fā)環(huán)境調試嵌入式系統(tǒng)軟件，用嵌入式微處理器對系統(tǒng)其他芯片進行編程控制，因而具有很好的靈活性和通用性；根據(jù)所提出的設計思路，可方便地設計其他無線通信系統(tǒng)，有廣闊的應用前景和很好的經濟效益。

參考文獻

［1］曹非一，桑楠，熊光澤.嵌入式系統(tǒng)引導技術研究 ［J］.電子技術應用，2005，31(2)：10-13.

［2］曾興雯，劉乃安，孫獻璞.擴展頻譜通信及其多址技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2005.

［3］黎小玉，盧博友，楊亮，等.基于S3C2410和CF卡的FAT32開發(fā)［J］.微計算機信息，2008，24(14)：135-136.

［4］龍光利.直序擴頻芯片的原理與應用［J］.現(xiàn)代電子技術，2005，28(15)：28-30.

［5］潘松，黃繼業(yè).EDA技術實用教程［M］.2版.北京：科學出版社，2005.

［6］陳賾，秦貴和，徐華中，等.ARM9嵌入式技術及Linux高級實踐教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

作者簡介 龍光利 男，1968年出生，陜西南鄭縣人，陜西理工學院副教授。主要研究方向為數(shù)字通信和電子技術應用。