直接序列扩频LD9002DX2的原理及应用

电子设计应用2003年第5期

摘 要：本文介绍了Lanwave公司的码分扩频专用芯片LD9002DX2的基本原理，及其在基于LD9002DX2的直接序列扩频系统中的应用。
关键词：无线通信；扩频技术；码分多址复用；LD9002DX2

图1 LD9002DX2内部功能结构

概述
扩频通信的主要优点是抗干扰能力强，具有高频谱效率，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，在一定的带宽里能够支持更多的用户，不仅容量大，而且通话质量和保密性很高。本文介绍的是Lanwave公司的码分扩频(CD/SS)数字信号处理体系的专用数字无线通信芯片LD9002DX，它可以广泛应用于各种无线通信系统中。

LD9002DX的结构特点
LD9002DX具有升级的内部DSP处理能力来支持高密度码，而且附加了多种对改变控制和数据包协议的有益功能。LD9002DX的分数芯片模式采用下边带相位编码技术，它是微相移键控的一个变种方案，使用带模糊逻辑的多变点控制寄存器。
芯片特征
?主时钟频率：20MHz(DX2-20)，33MHz(DX2-33)，40MHz(DX2-40)；
?先进的码分扩频，单比特码分多址技术，采用VPSK编码；
?在语音传输中采用先进的减噪措施；
?每帧有24位的命令域并采用前向纠错保护；
?支持空间频率多点变化的集成双天线设计；
?采用模糊逻辑的空频多点变化寄存器(DCR)；
?可编程CPU时钟发生器，可编程的通用计时器；
?突发传输模式可以把数据带宽增加到500%，直到每个数据包15字节；
?支持窄带数字编码和少于1/3的速率码的混频跳变；
?信息采用用户可选的8×32位的调制码编码，附加22位的用户身份认证域和8×11位的加密，以达到最大信息安全；
?具有ADPCM编码解码器的直接接口和4位/8位的微控制器；
?集成电源管理，低电压(2.6V到3.6V单电压源供电)，静态CMOS电路设计；
?33MHz激活模式下，典型的电源消耗是30mA，最低电源消耗量是0.5mA。
芯片功能描述
L9002DX2芯片包括以下几个实现不同功能的模块，芯片内部功能框图如图1所示。
?码分扩频/解扩功能
在码分扩频(CD/SS)技术中进行频谱扩展采用了很大数目的正交码，它又称为色码(Color Code)。把色码预编程送入数字信号处理器。用户数据在2N个二进制空间内集成为一个符号矩阵。在传输这些符号时，它们被各自对应的色码序列(也被称为奇普)所代替，进行基带传输。接收时再逆转编码操作，就可以得到正确的信息。在这个过程中的信道噪声的影响会被消除。
?分双工通信功能
L9002DX2芯片采用时分复用(TDD)技术传输数据，它可以在一条半双工的通信链路上模拟全双工通信。进行通信的两个单元，一个作为主单元，一个作为从单元，可以使用TDD帧相互通信.主从通信设备单元可以采用三种通信帧来确定通信链路和传输数据。
?数据与语音加密功能
在L9002DX2芯片用于通信时，由于用户可以选用不同的伪随机编码，数据传输中又使用了码分扩频技术，所以数据的传输过程就具有安全性。允许用户在每一帧的基础上对传送帧进行加密。这样就附加了更高的数据安全性。传送的数据能由芯片上产生的一个随机序列进行编码。只有采用相同密钥编程的接收者才能正确译解接收帧。

图2 应用系统框图

在L9002DX2芯片中的随机序列由下列多项式f(x)产生：
f(x)=1+x+x2+x3+x5+x11
用户可以通过在控制寄存器中初始化x0到x7的值来定义一个唯一的随机序列。如果把密钥矢量设置为0x00,加密功能自动关闭。
?先进的降噪功能
为了消除语音通信中产生的噪声，L9002DX2采用了降噪方法。第一种噪声产生于无线误码。它是由过量的信道噪声产生的，将使码分扩频系统(CD/SS)做出错误的符号决定。当芯片的误码率大于10-2，或者每100个收到的奇普中有1到10个随机错误时，通常就会发生这种情况。如果需要的话，当前软件抑噪将应用于ADPCM编码解码器。更多情况时，ADPCM的编码机制所固有的抑制单个随机比特噪声的特性，使得通常并不需要额外的降噪措施。第二种噪声是由于接收器不能得到接收数据帧时产生。这时会被作为帧错误发到控制器，通信链路必须重建。L9002DX2芯片可编程处理帧错误，若在命令寄存器中的STKY比特清除，则L9002DX2会立即宣布对帧错误解锁，同时会去掉LOCK和RLOCK信号，它会试图采用发送或接收获得帧的方法来重建通信链路。仅当它几次尝试后仍无法收到正确的数据帧时，才宣告失锁。尝试发送帧的次数，可以由用户在一个控制寄存器中预先编程设定。在没有数据接收的时间内，L9002DX2向ADPCM编码解码器送出静码，该静码的值寄存在静码寄存器中。这样就消除了帧错误期间对可见噪声信号进行软件抑制的需要。

图3 软件工作流程图

?纠错功能
为防止数据接收错误，在发送数据时，每8比特数据伴随着一个奇偶校验位。奇偶校验位的产生与校验是自动完成的。当奇偶校验出错时，状态寄存器中CER位及CER#信号输出管脚会立即产生信号。当检验到奇偶校验位时，它们就被设置到每一个子帧中，当读状态寄存器时，它们就被清除。

基于LD9002DX2的直扩系统
硬件框图
结合LD9002DX2的特点，笔者以其为核心设计了一个直接序列扩频系统，其原理如图2所示，LD9002DX2负责信号的扩频/解扩频，TDD的建立，信息的加密，是整个系统的核心部分。话音经I/Q设备输入ADPCM编码，再经过扩频，加密处理后，经过射频调制模块调制后，最后经过功率放大/低噪声处理后，由一外接天线发出信号。而接收过程则相反。整个系统的工作由CPU(MCS-51)控制时钟电路、键盘和LCD的协调工作。各部分的功能如下：
?PA/LNA收发转换控制：控制前置放大以及射频信号的接收和发送。
?RF MD/DE：对由调制/解调模块送来的射频信号进行功率放大及低噪声前置放大，且控制射频信号的收发转换。
?键盘输入：用户可以由此输入信息。
?LCD显示：控制LCD显示已报到、等待、通话、侯选人姓名以及同声翻译语言等提示信息。
?PLL参数设置：控制调制/解调部分中的PLL模块，通过改变其参数来设置频点，最多可设置4个频点。
?数据发射控制：采用的方式进行编解码，主要功能是完成话音与数据的转换，将基带数据交由扩频/解扩模块或从扩频/解扩模块接收基带数据，恢复成语音。
?语音I/O模块：完成语音的输入/输出功能，使得与会代表之间完成交流。这部分由话筒、扬声器等实现。
软件工作流程图
对LD9002DX2的控制可以由单片机或DSP来完成，其工作流程图如图3所示。

结语
LD9002DX2可以使用在500KHz射频带的低成本数字无线电话上，以及高性能的无线PABX和任意无线开频带本地环路系统中。在基带数字信号处理中附加的编码效率可以提高空间利用率，简化射频滤波电路的设计。■

参考文献
1查光明，熊显祚.扩频通信.西安电子科技大学出版社.1998
2李昊，梁敏超等.高性能扩频专用集成芯片SC2001的原理及应用.国外电子元器件.2003,1
3 Lanwave Technology Inc. LD9002DX Datasheet. 2001