CDMA调制解调器的设计

摘　要：在无线局域网中，引入CDMA技术，即可实现点对点、点对多点的高速计算机通信，它解决了有线网耗资大、携带不便的缺陷。文中提出了一种CDMA调制解调器射频电路和数字基带处理电路框图，分析了它们的组成及工作过程，设计了扩展功能用的系统连接器。由此组装的电路，通过使用CDMA个人身份卡———UIM卡，实现了无线上网、语音通信、收发短消息等功能。

关键词：码分多址；调制；解调；射频；基带

CDMA通信的基本原理

CDMA是码分多址的英文缩写(Code DivisionMultiple Access) ，它是在扩频通信技术上发展起来的一种新的无线电技术，其原理是将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的宽带信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号(即解扩) ，以实现信息通信。

采用直接序列扩频的点对点CDMA通信系统组成如图1所示。


在发送端，将待传的话音，通过A /D转换，将模拟话音转变成数据信息( 9. 6kbps) ，通过高速率伪随机序列(即1. 22Mbps PN序列)进行直接序列扩频，即两者相乘，扩展到一个很宽的频带，因而在信道中传输信号的带宽远远大于原始信号本身的带宽，然后再进行高频(900MHz或1800MHz)调制，送到天线发射出去。接收端解调后，接收机不仅收到有用信号，同时还接收到各种干扰和噪声。利用本地产生的伪随机序列进行相关解扩，本地伪随机序列与扩频信号中的伪随机序列一致，因此可还原成原始窄带信号，并能顺利通过窄带滤波器，恢复话音数据，再经过数/模(D/A)转换，恢复原始话音。接收机接收到的干扰和噪声，由于与本地伪随机序列不相关，经过接收解扩(实质是相乘) ，将干扰和噪声频谱大大扩展，频谱功率密度大大下降(类似于发送端将信号频谱扩展) ，落入窄带滤波器的干扰和噪声分量大大下降，因此在窄带滤波器输出端的信噪比得到了极大改善，其改善程度就是扩频处理增益。

CDMA调制解调器射频电路的设计

CDMA调制解调器射频电路方框图如图2所示。它由天线、双工器、射频至中频接收器RFR3100、接收中频模拟基带处理器IFR3000、中频至射频发送处理器RFT3100和功率放大器等组成。


中频至射频发送处理器，采用美国高通公司产品RFT3100。其功能包括一个模拟基带到中频的中频混频器、产生发射中频的可编程锁相环、从中频到射频上边带变换、蜂窝和个人通信驱动放大器，发送功率可变增益放大器。蜂窝发送选用频率范围为：824MHz-849MHz，个人通信选用发送频率范围为：1850MHz-1910MHz 。调制方式为：OQPSK (正交四相移相键控) 。

中频至射频发送过程为：由MSM5105产生的数字基带信号(同相支路I和正交支路Q)和RFT3100内的中频混频器进行四相扩展，同相支路I和正交支路Q所需的两个准正交序列由外接的振荡回路、环路滤波器和RFT3100内可编程锁相环、正交产生器产生；四相扩展后的信号经过可变功率增益放大器、离散中频滤波器(由外电路提供)后进行载波调制(即上边带变换) ，所需载波由外接电路19. 2MHz振荡回路经过射频锁相环、环路滤波器、二元压控振荡器产生；载波调制后的信号经过RFT3100内蜂窝和个人通信驱动放大器后，再经过外电路滤波器(蜂窝滤波器中心频率为836MHz，个人通信滤波器中心频率为1 880 MHz) 、功率驱动放大器、双工器，最后由天线发射出射频去。中频接收器采用美国高通公司产品RFR3100，其功能包括蜂窝和个人通信双边带低噪声放大器，从射频到中频下变换混频器。蜂窝接收选用频率范围为：869—894 MHz，个人通信选用接收频率范围为：1930—1990MHz ；调制方式为：QPSK(四相移相键控) 。射频至中频接收过程为：

由天线接收的信号，首先经过双工器和RFR3100内蜂窝和个人通信双边带低噪声放大器，再进行窄带滤波(窄带滤波器由外电路构成，蜂窝中心频率选用881MHz，个人通信中心频率选用1990MHz) ，最后进行解调(混频)和CDMA中频滤波，形成模拟中频信号———本地载波由外接电路19. 2MHz振荡回路经过射频锁相环、环路滤波器、二元压控振荡器产生，CDMA中频滤波由外电路的183. 6MHz CDMA中频滤波器完成。

接收中频模拟基带处理器，用美国高通公司产品IFR3000。其功能包括90dB动态范围的射频接收自动增益放大器，中频混频器、由中频到模拟基带下变换的CDMA/FM低通滤波器、变换到数字基带的模/数转换、驱动数字处理器和压控振荡器的时钟产生器，它和射频至中频接收器RFR3100一起完成射频接收信号到模拟基带处理功能。接收中频模拟基带处理过程为：由RFR3100产生的模拟中频号，首先进入IFR3000进行90 dB动态范围的射频接收自动增益放大，并进行四相解扩(混频) ———同相支路I和正交支路Q所需的两个准正交序列由外接电路的19. 2MHz振荡回路、中频锁相环、环路滤波器、接收振荡回路和IFR3000内正交产生器产生；接收混频信号再经过IFR3000内CDMA低通滤波和FM低通滤波形成同相I支路和正交Q支路的模拟基带信号；最后，模拟基带信号经过IFR3000内模/转换，分别形成CDMA、FM同相I支路和正交Q支路的数字基带信号。

CDMA调制解调器基带电路设计

CDMA调制解调器基带电路框图如图3所示。它包括功率控制模块和基带处理模块。

功率控制模块包括6个调整器，提供电路功率控制。

基带处理电路由MSM5105和两个存贮器SRAM和Flash组成。

MSM5105采用美国高通公司产品，它包括一个CDMA处理器，一个数字FM处理器，一个用于语音压缩的数字信号处理器，一个ARM7TDM I和其它模拟功能模块———如话音编解码器、锁相环、发送数模转换、通用输入/输出界面、通用界面、射频界面等。各部分功能为：话音编解码器采用码激励线性预测编码算法的声码器，也称QCELP，其基本速率是8kbps，但是可随输入话音消息的特征而动态地分为四种，即8、4、2、1kbps，可以9. 6、4. 8、2. 4、1. 2kbps的信道速率分别传输，发送端的编码器对输入的话音取样，产生编码的话音分组传输到接收端，接收端的解码器把收到的话音分组解码，再恢复成话音样点，话音编解码器通过外电路系统连接器可接话筒和听筒。


语音压缩的数字信号处理器能处理语音建、语音存贮、语音压缩、回声取消、噪声抑制和声音提高等功能；ARM7TDM I完成信道编解码、交织等数字处理功能；发送数/模转换的功能是把MSM5105内的数字信号变换成模拟信号，送入中频- 射频发送处理电路RFT3100进行处理；通用界面通过外电路系统连接器可接5×5键盘和振铃器；射频界面主要对射频电路RFR3100、IFR300、RFT3100 提供串口总线和射频控制；CDMA处理器和数字FM处理器完成来自射频电路信号的CDMA和数字FM功能；通用输入/输出界面包括USB、UART1、UART2、RUIM、LCD五个通信界面，主要提供串行数据通信、CDMA智能卡通信、液晶显示等功能。

两个存贮器SRAM和Flash，具有16bit数据总线和21bit地址总线，SRAM还提供单字节的读写控制线；SRAM存贮容量为512 K，Flash存贮容量为2M 。



CDMA调制解调器系统连接器

为便于功能扩展，CDMA调制解调器设计了系统连接器。系统连接器结构如图4所示。连接器采用Kyocera公司产品，具有60个引脚，高度为3. 0mm，主要提供MSM5105使用平台等接口。本设计的重点是CDMA智能卡座、计算机串口、音频输入输出，直流电源等。

CDMA智能卡使用中国联通个人身份卡———UIM卡，卡座设计为6引脚，即Clock、Data、Pwr-En、Pre和Reset，对应系统连接器3引脚、7引脚、5引脚、50引脚和9引脚。计算机串口和音频输入输出采用15引脚RS-232-C接口，电平转换采用MAX3238C。串口对应系统连接器9引脚、12引脚、16引脚、18引脚、23引脚、25引脚和27引脚。音频输入输出对应系统连接器42 /46引脚、44 /48引脚、41引脚和43引脚。直流电源可用5V、100mA直流电源，通过贴片式稳压电源芯片LM2941S稳压后，给电路供电。另外，该连接器还可设置5×5矩阵键盘、LCD显示器、振铃器等接口。

CDMA调制解调器的调试

CDMA调制解调器连接如图5所示。


将集成电路和其它相关元件安装焊接在印刷电路板上，接上微型天线，把中国联通UIM卡装入CDMA智能卡座，用一根RS232电缆(15引脚转9引脚+ 4引脚电话语音)把CDMA调制解调器和计算机串口连接起来———15引脚接CDMA调制解调器，9引脚接计算机串口，4引脚接电话听筒和话筒，并插上CDMA调制解调器5V直流电源。打开计算机，安装CDMA 调制解调器驱动程序，增加标准调制解调器和网络连接。完成后，登陆网络，打开IE，可浏览网页，使用功能键，可拨打电话，接收和发送短消息。经测试，待机状态，输入电流为5mA；通话状态，输入电流为200mA。外部尺寸约为75mm×45mm×15mm，重量足40克，可方便的放进公文包，无论在机场、火车上、或者在户外，只要有网络覆盖，都可正常工作。

结束语

本文讨论了CDMA调制解调器硬件电路设计(未涉及软件) ，它可提供高效、便捷的无线上网、语通话、收发短消息等功能，且尺寸小、重量轻、携带方便；若在该调制解调器系统连接器接口接入5×5矩阵键盘、LCD显示器、振铃器等，可方便组成CDMA手机。