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基于直接序列扩频的无线电台设计与实现.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于直接序列扩频的无线电台设计与实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含北京交通大学硕士学位论文基于直接序列扩频的无线电台设计与实现姓名:李博申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:路勇中文摘要摘要:面对日益严重的城符等。

北京交通大学硕士学位论文基于直接序列扩频的无线电台设计与实现姓名:李博申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:路勇中文摘要摘要:面对日益严重的城市交通问题具有高效、安全、快捷等特点的轨道交通发展迅猛。随着计算机技术、通信技术和控制技术的飞跃发展和融合代表城市轨道交通信号领域最前沿技术水平的基于通信技术的列车控制系统CBTC(CommunicationBasedTrainContr)日渐成为主流制式得到日益广泛的应用。安全、可靠的车地通信技术研究是CBTC系统研发的基础性课题本论文通过对既有典型CBTC系统所采用车地通信技术的分析和研究提出了一种基于扩频无线通信的车地通信解决方案设计并实现了一种基于直接序列扩频的无线电台。本论文详尽叙述了该无线电台的技术设计方案和软硬件的主要性能指标与要求给出了其各模块的设计框图和功能说明。在本论文中首先对扩频通信技术进行了深入的研究包括其理论基础、数学模型和物理模型。通过比较分析跳频和直接序列这两种扩频方式的优缺点后选择了以直接序列扩频的方式来实现本文所设计的扩频无线电台。硬件方面在AltiumDesigner开发平台下完成了以ATmegalL为控制核心和CYRF扩频通信片上系统为射频核心的直接序列扩频无线电台的电路原理图设计和印制电路板版图设计并对印制电路板的电磁兼容、射频电路的布局、微带线、射频前端电路进行了设计与分析。软件方面在ICCAVR开发平台下完成了CYRF的SPI驱动程序与应用程序、串口通信协议程序和无线通信协议程序的编写并在V洲.开发平台下完成了系统的管理与分析软件。论文最后对整个系统的性能进行了的相关测试验证了该方案的可行性。本论文所设计的直接序列扩频无线电台在设计与测试过程中遇到问题的解决以及功能的实现对于扩频通信技术在城市轨道交通中的应用有重要的参考价值。关键词:城市轨道交通直接序列扩频无线电台分类号:TP.ABSTRACTABSTRACT:Infaceoftheincreasingserioustrafficproblemsinthecitiesrailtransitwithefficientsafe,rapidfeatureshasdevelopedrapidly.Asthedevelopmentandintegrationofcomputertechnology,communicationtechnologyandcontroltechnology,theCBTCsystem(CommunicationBasedTrainContr)hasbeenwidelyapplied.TheresearchofsafeandreliabletraingroundcommunicationisthebasicissueoftheCBTCsystem.ByanalysingandresearchingthetypcialCBTCtraingroundcommunicationtechnology,aspreadspectrumwirelesscommunicationbasedtraingroundcommunicationsystemsolutionisporwardandadirectsequencespreadspectrumradiostationisimplementedinthisthesis.Thetechnologyschemetheperformanceindicatorsandrequirementsofthesoftwareandhardwarearepresentedindetails.Tobeginwith,adeepresearchinspreadspectrumcommunicationtechnologywhichincludesitstheoreticalbasismathematicalmodelandphysicalmodelisdone.Aftercomparedtheadvantagesanddisadvantagesoffrequencyhoppingspreadspectrumsystemanddirectsequencespreadspectrumsystemthelaterisselectedtobethespreadspectrumapproachoftheradiostation.OnthehardwareworkthecircuitschematicandprintedcircuitboardlayoutdesignoftheradiostationwhichUSesATmegalLasitscontrolunitandCYRFspreadspectrumcommunicationSOCasitsRFcoreiscompletedintheAltiumDesigner.TheelectromagneticcompatibilityoftheprintedcircuitboardradiofrequencycircuitlayoutmicrostriptransmissionlineRFfrontendcircuitisalsodesignedandanalysedinthehardwaredesignsection.Onthesoftwarework,theSPIdriverandapplicationprogramsofCYRFserialcommunicationprotocolsandwirelesscommunicationprotocolprogramsarecompletedintheICCAVR.InadditionthesystemmanagementandanalysissoftwareisdevelopedintheVC.O.Atlastthefeasibilityofthespreadspectrumwirelesscommunicationbasedtraingroundcommunicationsystemsolutionisverifiedbythesystemtests.Theimplementationoftheradiostationandtheproblemswhichsolvedthroughthedesignandtestprocesshaveanimportantreferencevalueontheapplicationofspreadspectrumcommunicationtechnologyinurbanrailtransit.KEYWoRDS:UrbanRailTransitDirectSequenceSpreadSpectrumRadioStationCLASSNo:TP.独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果除了文中特别加以标注和致谢之处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交通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。学位论文作者签名:日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:签字日期:矽吖年导师签名:昧岛签字日期:矽步年占月日致谢衷心感谢我的导师路勇副教授感谢路老师两年来对我的谆谆教导以及在学习和生活上的帮助。在教我做科研的同时还教会了我许多做人的道理使我树立正确的科学观和人生观踏实奋斗自己的人生。在论文的选题开题上路老师帮我精心论证选择还特别帮我联系到中国铁道科学研究院做论文题目并在课题进行过程中给与我细心的帮助与指导。通过完成这篇论文我学到了严谨认真的求学态度提高了我的专业素养。借此论文完成之际谨向教育我的导师表示诚挚的谢意!特别感谢中国铁道科学研究院通信信号研究所的贾学祥研究员、郜洪民副研究员、尹逊政实习研究员和城市轨道交通事业部的各位同事。在城市轨道交通事业部完成论文近十一个月的时间里你们不但在我毕业设计遇到疑难问题时给予耐心的指导而且在科研经费和生活上也给我创造了非常良好的条件在你们的悉心关怀和帮助下我才能顺利的完成毕业设计。感谢我的同fJN兄弟和室友王强与徐森感谢你们在平时的学习和生活中给予我的帮助与关心让我在寝室感觉到了家的温暖。感谢所有向本文提出宝贵意见以及将要为本文的评阅工作付出辛勤劳动的各位老师、教授和专家谢谢你们的关注与意见。感谢我的父母多年来在生活、学习工作中给予我无微不至的关怀和支持是你们的爱使得我能顺利完成学业。再次向所有在学习和生活中帮助和鼓励过我的老师、同学、家人和朋友表示衷心的感谢!绪论.研究背景与意义随着国民经济的快速发展我国城市现代化进程明显加快城市规模不断扩大。城市轨道交通系统作为解决大城市交通问题的重要手段和有效措施具有运量大、速度快、安全、准时、舒适和环保等优点并能带动城市土地资源综合开发利用对城市长远发展具有重要意义成为一个方兴未艾的行业。列车自动控制系统(AutomaticTrainControlATC)作为城市轨道交通系统的重要组成部分担负着保证列车运行安全提高运营效率满足城市轨道交通运营要求的重要任务。列车自动控制系统由列车自动防护系统(AutomaticTrainProtectionATP)、列车自动运行系统(AutomaticTrainOperationATO)、列车自动监控系统(AutomaticTrainSupervisionATS)三个子系统组成【l】。列车自动防护系统是列车自动控制系统最重要的部分ATP根据故障一安全原则执行列车间安全间距的监控、列车的超速防护、安全开关门的监督和进路的安全监控等功能确保列车和乘客的安全。列车自动运行系统主要执行站间自动运行、列车速度调节和进站定点停车并能接受控制中心的运行调度实现列车的运行自动调整。列车自动监控系统的主要作用是监督列车状态、产生列车时刻表、自动调整列车运行时刻和保证列车按时刻表正点运行。对列车自动控制系统来说无论是列车自动防护子系统、列车自动运行子系统还是列车自动监控子系统其实现的基础都是车地间数据的交换。传统的地铁信号系统中采用的车地通信是通过轨道电路实现地面控制系统向列车传输信息的单向传输系统但由于轨道电路存在性能和功能上的缺陷和限制使得该列车自动控制系统成为运营效率提高的瓶颈主要体现在:)信息量不足。通常情况下都是单向通信即信息只是从地面对车进行单向传输而且传输的频率越高钢轨的趋肤效应导致信号的衰耗越大。为了保证传输距离轨道电路只能以较低的频率传递信息。)运输效率不高。限制了列车位置检测的精度。列车位置检测的最小分辨率为轨道电路区段任意一部分轨道电路被占用整条轨道电路都将认为被占用。过长的区段设置会产生较大的行车间隔直接导致运行效率下降过短的区段设置需要更多轨道电路设备增大投资导致列车运行间隔的进~步缩短和列车运行速度的提高都受到了限制。对于日益严重的城市交通问题这类制式已经不能满足高客流量的需求。)信息传输的性能不够稳定。由于是以钢轨为传输介质其传输性能受钢轨中的牵引回流、钢轨之间的道床泄露、道渣阻抗变化的影响较大从而导致信息传输的性能不够稳定。)不利于维护。轨道电路需要沿线铺设使用大量的电缆以便采集轨道电路发送端和接收端信息并集中到车站进行处理。而且为了实现调谐和电平调整每隔一定的距离需在钢轨旁侧设置相应的轨旁设备。这些都对轨道交通的日常维护带来了不利的影响。随着城市轨道交通客流密度的不断加大。追求更高密度的列车控制系统成为各地铁用户的首要需求。而从列车自动控制系统本身来说进一步缩小行车间隔从技术上并无技术难点一种更为可靠、大容量、高带宽、双向实时的车地传输方式就成了列车自动控制系统技术发展的关键。计算机技术(Computer)、通信技术(Communication)和控制技术(Contr)的飞跃发展和融合使得综合利用C技术替代轨道电路构成新型系统已经成为列车控制系统的发展方向其核心是通信技术的应用出现了基于通信的列车控制系统(CommunicationBasedTrainControlCBTC)。年月IEEE将CBTC定义为:“利用高精度的列车定位(不依赖于轨道电路)、双向连续、大容量的车地数据通信车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统"【。CBTC系统引入了数据通信子系统(DigitalCommunicationSystemDCS)建立车地之间连续、双向、高速的通信列车的命令和状态可以在车辆和地面设备之间可靠交换使系统的主体CBTC地面设备和受控对象列车紧密的连接在一起。基于通信技术的列车控制系统代表了当今世界城市轨道交通信号控制领域的技术发展趋势。目前随着我国城市轨道交通事业的蓬勃发展各大城市纷纷选择CBTC技术作为信号系统的首选制式市场潜力巨大然而目前国内市场基本被以西门子、阿尔斯通、阿尔卡特、USSI为代表的国外厂商所垄断研发国产CBTC系统成为紧迫的任务。选择安全、可靠的车地通信制式是CBTC系统研发的基础性课题也是制约整体研发工作的瓶颈。例如浙大网新公司在引用美国USSI公司信号系统进行国产化的过程中其车地通信系统就是外包给思科公司。这种方式只能获得其产品但并不能获得任何技术或者专利授权不仅提升了设备成本也严重滞后了其科研工作进展。本文紧密结合城市轨道交通CBTC中无线通信的特点和列车运行控制的特殊要求提出了一种以扩频通信为传输方式的车地通信解决方案并进行了分析和验证为我国未来CBTC系统车地通信设备的研发提供了有益的尝试和借鉴。.CBTC车地通信发展现状及趋势目前城市轨道交通领域中主要采用感应环线、无线电台、泄漏波导等作为CBTC车地通信的方式。其中感应环线属于电磁感应式漏泄波导管和无线电台属于无线通信式‘。..电磁感应式感应环线通信是基于数据的电磁传输环线电缆由扭绞铜制线芯、绝缘盒防护外层组成它通常敷设与两钢轨之间作为发送和接收天线使用与相应的车载天线一起实现车载设备和轨旁设备间的双向通信和数据交换。环线每隔m或者m交叉一次。它可以用于列车定位也可以作为列车与地面之间的双向数据通信媒体。当列车通过环线交叉点时可以检测到交叉点前后环线的信号相位发生了变化从而判定列车经过该交叉点。由于感应环线交叉点的跨度是固定的所以列车每次经过一个环线交叉点就可以修正一次车轮转速计的测量误差达到准确定位列车的目的。传输频率:车对地KHz/bps地对车KIIz/bps。它是最早期的CBTC系统的车地通信方式。环线式CBTC在国内外主要的应用有:武汉轻轨l号线、广州地铁号线、温哥华l号线、肯尼迪机场轻轨、巴黎地铁号线等。..无线通信式无线通信是利用空间自由波来实现车载和轨旁设备之间的数据传输。在无线通信中常采用扩频技术与正交频分复用技术。扩频技术的主要思想是在发送端扩展信号的频谱在接收端进行相应的解扩还原信号。正交频分复用的主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道在每个子信道上使用一个子载波进行调制并且子载波并行传输。l、无线电台无线通信车地子系统由轨旁无线传输网络和车载无线设备两部分组成。轨旁无线传输网络由光纤骨干网和无线局域网(轨旁读取点、无线天线)构成轨旁无线方向性天线通过轨旁读取点与光纤骨干网络连接并与车载天线一起把车载设备和轨旁设备联系起来。、泄漏波导泄漏波导采用铝制矩形管道沿其宽边面向车载天线按均匀间隔开有裂缝使载频范围内的微波沿波导管均匀辐射。当地面控制中心发射出电磁波沿波导管传输时在波导管内传输的电磁波从波导管裂缝辐射到周围空间在其外部产生泄漏电场列车从中获取能量从而实现与地面的通信。同样列车发出的电磁波在波导管外部产生泄漏电场也会耦合到波导管中实现与控制中心通信。波导管的连接和车载天线有严格的距离限制对安装的位置要求高。通过叠加硬件设备的方式来提高系统的安全性和可靠性会造成设备数量、种类繁多给维护带来不利。无线式CBTC在国内外主要的应用有:广州地铁号线、上海地铁号线、北京地铁lO号线、新加坡东北线、美国旧金山机场线等。.论文的主要工作及结构车地通信技术研究是CBTC系统研发的基础性课题本论文基于针对既有典型CBTC系统所采用车地通信技术的分析和研究提出了一种以直接序列扩频无线通信来代替传统轨道电路的车地通信解决方案。本文主要完成的工作是设计并实现一种基于直接序列扩频技术的无线电台完成点对点的高可靠性双向数据通信初步满足CBTC系统中对车地无线通信的要求。论文全文划分为七章具体的内容如下:第一章绪论简要介绍了列车自动控制系统和CBTC系统的提出。通过对列车自动控制系统车地通信传统方式和发展趋势的研究与分析提出采用扩频通信方式来实现列车自动控制系统的车地通信确定了论文的研究目的、重点及结构。第二章扩频通信技术原理阐述了扩频通信技术的基本原理对各种不同的扩频方式进行了比较和分析确定采用直接序列扩频通信技术来设计系统。第三章基于直接序列扩频通信的车地通信系统设计提出了系统的设计方案和技术指标并对扩频无线电台硬件选择进行了讨论。第四章直接序列扩频通信系统的硬件实现完成了系统硬件的设计。主要包括各个模块具体硬件功能的实现并从电磁兼容的角度对系统硬件的设计进行了优化和指导。第五章直接序列扩频通信系统的软件设计完成了直接序列扩频通信系统的软件设计。主要包括SPI驱动程序、应用程序设计、中断程序设计、通信协议程序设计以及系统管理与测试软件的编写。第六章系统测试在完成硬件与软件设计的基础上对直接序列扩频通信系统的性能进行了测试。用测试数据说明了系统的性能通过测试对系统的性能予以了评价。第七章总结与展望主要是对本论文的核心内容进行了简要总结并提出了今后研究工作的开展方向。扩频通信技术原理扩频通信因为具有抗干扰能力强、抗截获、抗多径衰落、保密性好等诸多优点自年代中期美国军方就开始研究一直为军事通信所独占广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各领域。直到年代初才被应用于民用通信领域【】。随着通信事业的迅猛发展扩频通信技术已经得到了越来越广泛的应用。.扩频通信技术的基本原理所谓扩频通信是一种信息传输方式其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必须的最小带宽:频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成用编码及调制的方法来实现的与所传的信息无关在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩来恢复所传信息数据。扩频通信、光纤通信和卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信方式【。..扩频通信的理论基础扩频通信的基本理论基础来源于信息论和抗干扰理论。在信息论中著名的香农(Shannon)定理【】指出:在高斯白噪声的干扰下通信系统的极限传输速率(或称信道容量)为:.qc=肌g:(需)()式中:C信道容量指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量。单位为b/sp信号频带宽度单位为Hzs“号功率单位为WN.一噪声功率单位为w由式(.)可以看出在给定的传输速率C不变的条件下信道带宽B和信噪比S/Ⅳ是可以互换的。所以可以通过增加频带宽度的方法在较低的信噪比情况下传输信息这表明宽带系统有较好的抗干扰性。因此当信噪比太小不能保证通信质量时常采用宽带系统也就是增加带宽来提高信道容量以改善通信质量。扩频通信的另一理论基础是柯捷尔尼科夫关于信息传输差错概率的公式:£厂L‰/(.)此式指出差错概率£是信号能量E与噪声功率谱密度%之比的函数。设信息持续时间为r或者数字信息的码元宽度丁则信息带宽吃为邑=享()信号功率S为S:墨T()已调(或已扩频)信号的带宽为B则噪声功率为N=nob()将式(.)一(.)代入式(.)可得w(和)=档瓦B)此式说明差错概率只是输入信号与噪声功率之比(SIN)和信号带宽与信息带宽之比(剧‰)二者乘积的函数信噪比与带宽是可以互换。只要彰最足够大当s/N<o时系统也可以正常工作即在信噪比为负的情况下系统也可以工作。它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处这一客观规律。香农又指出【】:在高斯噪声的干扰下在平均功率受限的信道上实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性其功率谱为一s(缈):等邶<缈<佃()它的自相关函数为肿)=去£跏妙机誓即)()其中:彩=万厂f为时延业oⅣI.r。)=u“n融'j以力to削咖咐(.)由上式可以看出白噪声的自相关函数具有(r)函数的特点说明它具有尖锐的自相关特性。但是对于白噪声信号的产生、加工和复制至今仍存在着许多技术困难。然而人们已经找到了一些易于加工和控制的伪噪声随机序列它们的具有和白噪声类似的统计特性j也就是说它逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。设某种伪随机序列周期为P且码元都是二元域{.)上的元素一个周期为P码元为x的伪随机二元序列X的归一化自相关函数为【】:足(/)=笥=o时(模力(.)笥o时(模P)式中:j=olP一。当伪随机序列码长P取足够长或P一时式(.)可简化为:fl邬=o时(模P)R(){一!o()【P黝o时(模P)比较式(.)和式(.)看出它们比较接近当码长P足够长时式(.II)就逼近式(.)。故伪随机码具有和白噪声类似的统计特性就是说它逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。综上所述将待传输信息的频谱用伪随机码扩展后送入信道传输既能在低信噪比条件下用扩展带宽的方法保持信道容量不变又利用了伪随机信号类似高斯白噪声的统计特性的优点。这就是扩展频谱通信技术的基本思想和理论基础。..扩频通信的数学模型图.为扩频通信系统的数学模型。扩频系统可以认为是扩频和解扩的变换对。要传输的信号s(f)经过扩频变换将窄带信号s(f)扩展到一很宽的频带B上去发射的信号为Ss卜(f)。扩频信号通过信道后叠加后噪声以(f)和干扰信号(f)送入解扩器的输入端。对于解扩器而言其解扩过程正好是扩频过程的逆过程。从而有:对信号£【.】的处理还原出s(t)即《{Ss【s(f)】}S(t)而对噪声甩(f)和干扰信号(f)有£【l(f)】Ss【刀(f)】和£【(f)】=Ss【(f)】即将甩(f)和/(f)扩展。这样在s(f)的频带五五】内s(t)可以全部通过而Ss【Ⅳ(f)】和Ss【(f)】只有当期功率在【Z以】内时才能通过。【丘以】相对于B来讲要小很多所以噪声和干扰得到了很大程度的抑制大大提高了系统的抗干扰能力。图.扩频系统的数学模型Fig..Mathematicalmodelofspreadspectrumsystem一p一==吖吖薯h柏碱羔澍圭瑚一p一p..扩频通信的物理模型图.为扩频系统的物理模型【Io】。在发送端输入的信息先经过信息调制形成数字信号然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再经过射频调制调制到较高频率上再发送出去。在接收端收到的宽带射频信号经过射频解调恢复到中频然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调即恢复出原始信息。由此可见一般的扩频通信系统都要进行三次调制和解调。一次调制为信息调制二次调制为扩频调制三次调制为射频调制以及对应的解调分别为的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较扩频通信多了扩频调制和解扩两个部分。警信悃母椰JI咽囱囱囱图.扩频系统的物理模型Fig..Physicalmodelofspreadspectrumsystem.扩频通信技术的分类按照扩频的方式不同现在有的扩频通信系统可以分为以下几种【ll】:直接序列扩频(directsequencespreadspectrumDSSS)、跳频(frequencyhoping,FH)、跳时(timehoping,TH)、宽带线性调频(chirpmodulation,Chirp)及各种混合扩频调制。在车地通信中常用的扩频方式是直接序列扩频和跳频。本节我们在分析直接序列扩频和跳频的特点和实现方式的基础上比较选择了本文所设计系统的扩频方式。..直接序列扩频直接序列扩频系统又称为直接序列调制系统或伪噪声系统是目前应用最为广泛的一种扩展频谱系统【】【】。直接序列扩频是通过利用高速的伪随机码序列调制信息序列来实现的。将伪随机(PseudoNoisePN)码序列与信息序列在时域相乘等效于频域中两者的频谱相卷积。由于PN码序列的码速率一般远远大于信息序列码速率所以PN码序列的频谱宽度远大于信息序列的频谱宽度而卷积谱宽度为参与卷积原信息序列频谱宽度和PN码序列频谱宽度之和因此直接序列扩频后的信号带宽将远大于原信息序列频谱宽度。图.为直接序列扩频系统的组成原理框图。l、直接序列扩频系统的组成信源一图.直接序列扩频系统组成框图Fig..Blockdiagramofdirectsequencespreadspectrumsystem假设信源产生的信号口(f)为双极性数字信号N口(f)=a,go(tnT,)()一暑式中a。为信息码取l或一渺{ogo(t)为门函数瓦为信息码元宽度。伪随机码发生器产生的PN码序列为b(t)其他(.)t瓦长度为Ⅳ切普宽度为乃(瓦q)则=b,gb(tnTb)()式中以为PN码码元IRI或.gb(t)为门函数定义与()相同。扩频过程实质上是信息序列口(f)与伪随机序YJJb(t)的模加或相乘的过程。扩频后的序列c(f)的表达式为c(f)=口(f)(f)=巳岛(f一以乃)()式中:q={=:艺=a吒n协直接序列扩频信号产生过程波形示意图如图.所示。甲图待传信息L扩顿调制后的信息图.直接序列信号产生的渡形示意图Fig.“llq口mofdirectspreadspecmunsignal、直接序列扩频的抗干扰机理直接序列扩频的抗干扰是通过利用PN码在接收端进行相关解扩束实现的。即根据PN序列的自相关特性通过使用相同的本地码序列与接收码序列相乘并积分从而使得接收信号的频谱重新聚集还原成窄带信号。而对于进入接收机的干扰信号在接收端同样也受到PN码的相关解扩调制但由于干扰信号与PN码不相关相关解扩后其谱密度被降低使之进入到信号带宽内的功率下降从而使系统获得处理增益提高了系统的抗干扰能力。图.给出了直接序列扩频系统的相关解扩抗干扰示意图。相关解扩前相关解扩后一蔫i【.扩额骷宽叫信号一干扰白噪声一信息倦宽图.直接序列扩频抗干扰示意图FiSchemaaticdiagramofimerferencefreedi”eclspreadspectrumlll..频率跳变扩频跳频扩频系统【】是将发送码元的载波频率按PN码序列的顺序变化从而实现频谱扩展可以将它看成载频按照一定规律变化的多频频移键控。与直接序列扩频系统相比跳频扩频系统中的伪随机序列并不直接传输而是用来选择信道。由于系统的工作频率在不停的跳变在每个频率点上停留的时间仅为毫秒或微秒级因此在一个相对的时间段内就可以看作在一个较宽的频段内分布了传输信号也就是宽带传输。但跳频扩频通信系统在每个跳频点上的瞬时通信实际上还是窄带通信。图.为跳频扩频系统的组成原理框图。l、跳频扩频系统的组成信源固国图.跳频扩频系统组成框图Fig..Blockdiagramoffrequencyhopingspreadspectrumsystem假设信源产生的信号口(f)为双极性数字信号定义与式(.)相同。设跳频扩频系统的发射机频率合成器提供的载波频率数为Ⅳ分别为ZZ五..’厶其中五=foB以()式中:忍的取值为PN码坟)相对应的自然数组l.N中的一个五为频率跳变系统的跳频频率间隔(f)的定义与(.)式相同。PN码发生器产生的数据经过指令译码后称为跳频指令或者跳频图案。频率合成器受跳频指令的控制在时间间隔乃内输出频率为五的正弦振荡信号在心时间间隔内频率为五的所有正弦振荡信号各输出一次发射机频率合成器输出的信号为c(f)=Aeos(n'fk)(f一以乃)()k=跳频信号产生过程波形示意图如图.所示。fkqfk一fkfkIfk图跳频信号产生过程波形示意图Fig.Cbc'illogramofsigaalMwithFrequⅢ'yHp啦slgml、跳频扩频的抗干扰机理发送端的载频受到伪髓机码的控制不断随机的改变以躲避干扰。在接收端为了对输入的信号解跳使用与发送端相同的伪随机码序列发生器去控制本地频率合成器使之与发送端的载频同步跳变混频之后进入中频带内。对于干扰信号由于不知道跳频扩频系统的载频变化规律经接收机接收不能进入中频频带内也就不能形成干扰。图.给出了跳频扩频躲避干扰的过程示意。假设在上上有T':R信号。OST这段时间内跳频图案如图.所示随机地将正跳过从了避免了干扰的产生。f^f“ffrrTTTt图.跳颡信号抗干扰示意圈Fi.sch曲adc曲gr砌ofandm时船脚砌n钟le岣’岫gsignal.扩频方式的选择从直接序列扩频和跳频扩频的抗干扰机理我们可以看出:直接序列扩频系统靠伪随机码的相关处理通过降低进入解调器的干扰功率来达到抗干扰的目的而跳频扩频系统是靠载频的随机跳变躲避干扰通过将干扰排斥在接收通道以外来达到抗干扰的目的。跳频扩频实质上仅能做到“避干扰"只有直接序列扩频才能做到真正意义上的抗干扰。由于电波传播过程中遇到的各种反射体会引起反射或散射在接收端的直线传播路径和反射信号也会产生群反射之间的随机干涉【】【】这些因素产生的多径干扰造成频率的选择性衰落和路径差引起的传播时延f会使信号产生严重的失真和波形展宽导致码间串扰。对于直接序列扩频由于伪随机码相关函数具有尖锐的峰值当多径传播时延f小于一个码元宽度时反射信号与直接信号叠加看作信号的一部分对有用数字信号略有影响叠加在伪随机码上的信号只影响其幅度而不产生对其宽度的展宽或压缩故不影响系统的信息传输。当多径延时超过一个码元瓦宽度时由于R(f)=即不相关则作为噪声处理。而对于跳频扩频系统如果要做到抗多径干扰则要求每一跳的驻留时间很短即要求快跳频在多径信号没有到来之前接收机已开始接收下一跳信号。例如多径时延为,as对直接序列扩频系统而言伪随机码速率大于Mchip/s即可而对于跳频扩频系统来说则需要跳频速率大于Mhop/s。从实现上看实现伪随机码速率大于Mchip/s的直接序列扩频系统比跳频速率Mhop/s的跳频扩频系统要容易得多。直接序列扩频的功率谱密度低不仅具有隐蔽性和低的截获概率而且还对其他系统引起的电磁环境污染小有利于多种系统的共存。而跳频扩频系统的接收机除跳频器外与普通的超外差接收机没有什么区别它要求接收机输入的信噪比为正值。而且要求信号功率远大于噪声功率。综上我们可以看出直接序列扩频要大大优于跳频扩频。主要的原因是跳频扩频系统的性能主要取决于其快速响应的频率合成器要产生宽的跳频带宽、快的跳频速率、伪随机性好的跳频图案的跳频器在制作上遇到很多困难而且有些指标是相互制约的。所以我们最终决定选用直接序列扩频的方式来实现本次的无线扩频通信系统。.扩频通信的主要性能指标处理增益与干扰容限是扩频系统的两个重要的性能指标【r刀下面分别讨论。..处理增益处理增益q也称扩频增益(spreadinggain)它的定义为频谱扩展前的信息带宽B与频谱扩频后的信号带宽之比【l:q=詈(.)它表示了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外扩频系统其它一些性能也大都与q有关。在直接序列扩频中若信息码的符号速率为咒PN码的切普速率为足则系统的扩频处理增益G。为:G:堡:堡(...抗噪声容限仅仅知道扩频系统的处理增益还不能充分地说明系统在干扰环境下的工作性能。因为通信系统的正常工作还需要保证输出端一定的信噪比并需扣除系统内部信噪比的损耗。因此需引入抗干扰容限M其定义如下【:C坞=q一厶(景)。珊】()』’式中岱/忉删为信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比互为接收系统的工作损耗。干扰容限直接反映了扩频系统可容许的极限干扰强度即只有当干扰功率超过干扰容限时才能对扩频系统形成干扰。因而干扰容限往往比处理增益更能确切地反映系统的抗干扰能力。.本章小结本章主要是对扩频通信原理、扩频通信方式以及扩频通信的性能指标进行了深入的研究与分析。通过对比直接序列扩频和跳频扩频这两种方式的优缺点以及实现的难易程度我们最终确定了以直接序列扩频的方式来实现本文所设计的扩频通信系统。基于直接序列扩频通信的车地通信系统设计这一章中我们将针对城市轨道交通CBTC系统中车地通信的需求提出一个基于扩频通信技术的车地通信方案。.系统指标无论是模拟通信还是数字通信尽管业务类型和质量要求各异它们都有一个总的质量指标要求即有效性和可靠性指标【】。传输速率是衡量通信系统有效性的重要指标差错概率是衡量系统传输信息可靠性的重要指标。在误码率相同的条件下所需要的信噪比越低功率利用率就越高系统的性能就越好。在频带宽度相同的条件下信息传输速率越高频带利用率就越高通信系统的性能就越好。对一个通信系统功率利用率和频带利用率的要求总是互为矛盾的。对于CBTC系统来说性能指标主要是差错概率。在CBTC系统中差错概率主要用误码率指标来衡量系统的性能。产生误码的原因有很多但就CBTC系统中的车地通信来说由于信道传播特性所造成的误码是最主要的。通常人们将信道引起的误码率分成两类一类称为“可克服的’’误码率是由于信号在传输过程中的衰减而使接收端的信噪比太低所形成的可以通过增大发射功率、选用合适的工作频率等措施来克服。另一类“不可克服的"误码率即使信噪比无穷大它也依然存在。如在长距离传输时多径传播造成的码间干扰等所引起的误码。至今CBTC的车地通信还没有一个统一的标准一般来说CBTC车地通信系统中传递的数据以列车控制命令和列车监控信息为主数据流量很小最高带宽不超过Kbps但要求数据传递的高可靠性和低时延。由于数据率低因此对于CBTC系统来说对信息传输速率的要求不高对信道的研究重点放在传播损失、信噪比等参量上。根据调查在基于无线的CBTC系统中无线电台大概以平均每米的间隔布设具体间隔是根据现场环境而定但最远不会超过m。本文设计的扩频通信系统的指标如下:>扩频方式:直接序列扩频误码率:小于巧>有效通信距离:大于m>数据速率:大于Kbps>扩频处理增益:大于(db)>最大发射功率:不小于mW(dbm)基王百嚣庄{芷麴蕴值啦圭垃煎擅蒸统盈让.车地通信系统总体方案在前面我们中已经详细分析了扩频通信的基本原理、优势和实现方法结合CBTC车地通信的需求我们给出了通过无线直接序列扩频通信来代替传统轨道电路的车地通信解决方案本文设计的直接序列扩频通信系统框图如图.所示。.!竺苎兰竺酆j口=============zⅡ=一餐殛l。:::::::::::立迤凹无线扩颓下地通信系统框幽Figlsystmblockof掣tadspccmlmbasedtralalgomldcommunicationsystemw在图.中采用了AB网双冗余的方式来保证系统的可靠性每个无残葡络冗余地覆盖在列车行驶的路径上分别用不同的频段来通信这样即使有一个网络出现故障车地通信系统还是能正常运行不会影响运营。无线电台是系统的核心组成部分对无线电台需要完成的功能进行模块化分析后得出无线电台的系统结构框如图.所示。I外部通信接口一徽控制一处理罄‘爿‘射频前端I=图.无线电台的系统结构框图FigSyst踟bleakofspreadsD%口mnradiostation带通滤波器各模块的功能主要如下:外部通信接口:主要完成的是工控机的串口电平ELk电平到TL电平的双向电平转换>微控制处理器:主要完成的是系统整个逻辑的处理包括无线通信协议的实现串口通信协议的实现:>射频核心:主要完成的是无线数据基带的处理扩频与解扩的实现射频的调制与解调>射频前端:主要完成的是射频信号的放大与收发切换的实现>带通滤波器:主要完成的是带外噪声的滤除。.直接序列扩频通信系统硬件设备选型..外部通信接口考虑到可能会和RS./串口相连在本设计中使用MAXE和拨码开关来组成RS//可选电路来实现外部通信接口功能模块。MAXE是MAXIM公司的多协议串口电平转换芯片。图.为MAXE的功能原理图【。从图中我们可以看到在MAXE的输入和输出端均有ESD保护电路。静电放电(ESD)是指两个具有不同静电电位的物体由于直接接触或者静电感应而引起的两物体间静电电荷的转移当静电能量到达一定程度以后击穿其间介质而进行放电的现象。通过MAXE的ESD保护电路将外部信号与单片机隔离开来从而达到电子设备设计中对ESD过压保护的要求保证系统的稳定性。瞄.塑MOll:陷.DE爿:广睁瓢悉现琼图功能原理图LIC拊Pur..射频核心在射频核心的设计方面本文没有沿用传统基带中频射频思路而是应用了将其三者合为一个整体的片上系统(SystemOilaChipSOC)技术。因为采用片上系统技术不仅避免了信号传输网络并且具有高集成度和高可靠性的特点大大降低了系统的成本和复杂程度。把原本应由硬件实现的功能转移到软件具有了现代通信中的软件无线电思想。本系统采用的是CYPRESS公司的WirelessUSBTMLP.GHzRadioSOC型号为CYRF。CYRF是CYPRESS公司生产的第二代直接序列扩频收发器供了一个完整的由串行外设接口到射频调制解调的方案其优良的特性使得其能满足对可靠性和实时性要求很高的CBTC车地通信的需求。CYRF的主要特点如下瞄:>.GHz直接序列扩频收发器最大发送功率dbm,最大接收灵敏度.dbm>采用直接序列扩频的调制方式时数据速率最大可达Kbps工作频段:.GHz..GHz共个频道可选>接收信号强度指示(RSSI)>MHz同步串行通信接口SPI(SerialPeripheralInterface)自动事务处理序列发生器>发射功率和接收灵敏度均可编程可以控制有效通信的范围>PN码可编程可实现CDMA(CodeDivisionMultipleACCESS)码分多址机制>内置CRC校验硬件电路和协议图.CYRF引脚排列图Fig..PinconfiguradonsofCYRF其具体的说明如表.所示:Table.CYRFpindefinition引脚编号名称描述RFN连接天线的差分l心信号RFp连接天线的差分RF信号RFBws射频电路参考电压PACTL额外的控制引脚XTALMHz晶体XOUT晶振输出引脚SCKsPI时钟MISOSPI数据输出引脚MOSISPI数据输入引脚SS撑SPI使能低电平有效RQ中断输出引脚RST复位引脚UDPMU感应器/二极管连接。如果不用则连接剑GNDVREGPMU升压输出电压反馈.V逻辑调节器的去耦引脚通过.F电容连接到VDDGNDVBAT()V队T=.V到.v主电源VccVcc=.V到.V通常连接至'JVREG、Vio输入输出口电压..VRESV接地,NC建议接地llGND接地E.PADGND接地位于芯片底部t、内部结构CYRF芯片内部集成了同步串行通信接口.电源管理单元(PowerManagemtUnit,P删).数据接口与序列发生器DSSS基带与调帧嚣模块接收信号强度指示(ReceiveSigaalStrengthlrdicatiorhgSSl)模块晶体振荡器(XTLO)模块频率合成器模块和高斯频移键控调制解调器(OFSKMODEM)模块其内部结构如图所示。V。~.帅hV。.kpAGfL‘甓H口目、无线数据包结构Preamble前导码ll”图CYILF结构示意酗FigCYRFblockdiagramRF.R‘RF圈圉攀溪紧簿jj凰幽无线数据包结构Fig..Radiopacket栅oxtrediagramPre.amblc:前导码的值在寄存器文件PREAMBLEADR中设置可以是任意的CYPRESS推荐的值是x或者x其作用是使接收端能够在接收初始化时捕捉到同步伪随机码。通常设置前导码的个数要根据噪声干扰的影响从而可以减小信号捕获过程中出现的虚假报警的概率。SOP(StartOfPackage):起始帧由两个符号构成。每个符号是一个或者“位的伪随机码序列其值在文件寄存器SOPCODEADR中设置。主要作用是用来区别不同的用户数据只有双方起始帧的伪随机码一致的情况下这包数据才会被接收端提取从而可以实现码分多址的机制。LEN(Length):长度帧表示用户数据的长度。取值范围是.。DATA:数据帧用来负载用户数据。CRC(CyclicRedundancyCheck):循环冗余校验帧。CYRF采取了CRC.的方式来保证链路通信的可靠性内置了CRC纠错、检错硬件电路和协议。在接收缓存器前级有~个两级的流水线来处理CRCl的校验当检测到有错误时接收状态寄存器RXSTATUSADR的BadCRC位会置位。CRC.码能百分之百地检查出单、双位错奇数位、偶数位错以及多于位的突发错误能检查出.%的位错误和.%的其他错误。数据包所有的子成员都可以选择性的添加。、速率模式通过设置寄存器TXCFGADR的第位和第位调制解调器可以提供不同的数据传输模式。通过设置TXCFGADR的第位来指定PN码的长度。两者组合起来就是CYRF数据的传输方式如下表.所示。表.CYRF数据的传输方式亿lble.CYRFdatatransmissionmode模式的比特位PN码长度的比特位数据模式缩写数据比特率定义定义GaussianFrequ即cyGFSKN}AMbpsShiftKey(chipsbit)KbpsEightxDamRamDR(chips/bit)Kbps(

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