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嵌入式智能射頻光傳輸模塊設計

2013-03-12 來源：微波射頻網字號：大中小

1.引言

在移動通信迅速發展的今天，無論何種無線通信的覆蓋區域都將產生弱信號區和盲區，而對一些偏遠地區和用戶數不多的盲區，要架設模擬或數字基站成本太高，基礎設施也較復雜，在這種情況下，提供一種成本低、架設簡單，卻具有小型基站功能的經濟有效的設備——直放站是很有必要的。因此，移動通信服務商們開始在基地之外的建筑物內部及地下等電波盲區設置直放站，以最大限度地滿足用戶對于通話服務的要求。

光纖直放站主要由光近端機、光纖、光遠端機幾個部分組成。光近端機和光遠端機都包括射頻單元和光單元。信號的傳輸分下行鏈路和上行鏈路。在下行鏈路中，光近端機接收來自基站的無線信號，通過電光轉換，電信號轉變為光信號，從光近端機輸入至光纖，經過光纖傳輸到光遠端機，光遠端機把光信號轉為電信號，進入射頻單元進行放大，信號經過放大后送入遠端天線發送出去，覆蓋目標區域。上行鏈路的工作原理與下行鏈路類似，手機發射的信號通過遠端天線至光遠端機，再到近端機，回到基站。光纖直放站近端機的定向天線收到基站的下行信號(以GSM信號為例，頻段為935MHz-960M Hz)送至近端主機，放大后送到光端機內進行電／光轉換，產生波長為1550nm的光信號。因為光纖中傳輸有波長為1310nm的上行光信號，所以下行的1550nm的光信號要通過光波分復用器耦合到光纖中，最后經光纖傳到遠端機；遠端光波分復用器將1550nm和1310nm波長的光信號分開后，讓1550nm波長的光信號輸入光端機進行光／電轉換，還原成下行射頻信號，再經遠端主機內部功放放大，由全向天線發射出去送給移動臺。移動臺的上行信號(頻段為890MHz-915M Hz)逆向送到基站，這樣就完成了基站與移動臺的信號聯系，建立通話。其原理如圖1 所示。

由于光纖直放站系統使用的特點，其安裝調試工作麻煩，維護工作開銷巨大。為了增加系統的可靠性并降低系統安裝調試的復雜性，越來越多的直放站生產商都要求光模塊具有智能化功能，以實現對直放站的實時監控，從而方便工作人員的調試、維護和管理。本文討論了在傳統光模塊基礎上通過增加嵌入式單元，以實現光模塊的智能化。

2.系統硬件設計

2.1 監控電路設計

監控電路是光模塊實現智能化的核心部分，圖2 是本設計中光模塊的監控系統框圖。該部分完成各監控量的采集、控制等工作。本設計采用C8051F023型單片機實現對光模塊的嵌入式控制，C8051F023內部集成了一個8位8輸入的ADC、一個10位8輸入的ADC和兩個12位DAC，非常方便對參數的采集和對壓控器件的控制[1][2]。

在射頻信號的輸入和輸出端，功率檢測電路將耦合進來的射頻能量進行放大，并實現功率/電壓轉換，再對產生的電壓信號進行A/D轉換，在程序中采用查找表的方法，即能得到輸入/輸出的功率值。C8051F023根據檢測到的功率值，調整鏈路中的衰減值。在射頻信號輸入端，單片機通過D/A轉換，控制壓控衰減器；而在輸出端，則通過程控衰減器控制信號增益。偏置電路為激光器（LD）的工作提供合適的驅動電流。單片機通過A/D轉換采集到激光器的偏置電壓，在程序中光功率與電壓同樣采用查找表的方法直接轉換，而偏置電流則通過電壓與電流的線性關系轉換得到。當某些因素導致激光器驅動電流過大或過小時，單片機通過改變D/A輸出電壓，來調整偏置電路的輸出電流，使激光器的發光功率維持在正常水平。另外，由于設計需要監測模塊的實時溫度，需加一個熱敏電阻，根據電壓與溫度值的關系曲線圖，通過熱敏電阻的電壓值變化而采集出溫度值的變化情況。

2.2 數據傳送電路設計[3][4]

本設計采用射頻收發芯片CC1000作為數傳芯片。CC1000是根據Chipcon 公司的SmartRF技術制造出的可編程高頻單片收發芯片，主要用于工作頻帶在315、868 及915MHz 的ISM（工業、科學及醫療）方面和SDR（短距離通訊）方面，可在300-1000MHz 范圍內通過編程工作。其主要工作參數能通過串行總線接口編程改變，這樣使CC1000 使用更方便更靈活。CC1000 芯片含有三條串行數據線接口PDATA、PCLK、PALE 用于配置內部寄存器實現收發等各種功能控制，能夠與多種單片機(MSC51、ARM、AVR、PIC 等)直接兼容連接。

CC1000 與C8051F023的連接圖如圖3 所示。單片機使用三個輸出管腳用于連接CC1000的三串行配置口（PDATA、PCLK、PALE），以配置CC1000的工作模式，其中PDATA 必須是雙向管腳，用于程序數據的輸入輸出。信號接口由DIO和DCLK組成，在本設計中它們分別與單片機的TXD1和RXD1連接，實現數據的半雙工式收發。管腳CHP_OUT用于監視頻率鎖定狀態，當CC1000內部的PLL鎖定時，該引腳輸出高電平。另外單片機可通過A/D轉換檢測RSSI信號的強度。

近端模塊與遠端模塊之間采用FSK通信，在圖3 中，引腳RF_OUT和RF_IN分別用于發送FSK_OUT信號和接收FSK_IN信號。通信數據FSK_OUT由近端模塊中的CC1000發出，結合圖2 可知，FSK_OUT信號通過耦合器耦合到射頻信號中，經過光/電轉換進入光纖傳輸至遠端模塊；在遠端，光信號被還原為射頻信號，通過低通濾波得到FSK信號，此時稱FSK_IN信號，該信號被遠端模塊的CC1000接收。遠端模塊發送給近端模塊的數據依據同樣的原理傳輸。模塊之間的FSK通信大大提高了對光模塊的監測和控制能力。

C8051F023有兩個UART接口，在本設計中UART0與上位機通信，UART1則用于與CC1000的數據傳輸。

3.系統軟件設計

3.1 系統軟件總體設計

軟件總體功能主要分為四個部分:參數監測、數據存儲、數據收發和性能控制。在主程序中采用兩個中斷:定時器中斷和串口中斷。定時器中斷實時采集參數數據，實現模塊的實時監測；串口中斷實時收發上位機和FSK數據，實現命令的處理和監控數據的傳輸。

主程序的結構如圖4所示，程序對上位機命令進行鑒權處理之后，根據通信協議解析處理命令，并執行相應的操作。

3.2 CC1000參數編程

CCl000作為數傳芯片，需要進行參數配置以決定其工作性能，因而CC1000參數編程是一個重要的過程。通過可編程配置寄存器能改變以下主要參數:接收/發送模式、射頻輸出功率、射頻輸出頻率、FSK分頻、晶振參考頻率、傳輸速率和數據格式等。在本設計中，CC1000 采用曼徹斯特編碼方式，進行數據譯碼和同步工作，這通過設置CC1000 的MODEM1 寄存器的參數完成。在同步編碼方式中，曼徹斯特編碼不需要鎖定平均值濾波器，傳輸效率高。設計要求CC1000采用11.0592MHz晶振，接收本振頻率為433.766MHz，發射中心頻率為433.916MHz（連發“1”）、433.948MHz （連發“0”），調制頻偏為32KHz，載頻穩定度為10KHz。根據以上參數，可通過Chipcon 公司提供的CC1000配置軟件SmartRF Studio來產生配置信息，這些配置信息將被輸入到單片機中。另外該軟件還可以提供輸入/輸出匹配電路和VCO電感所需的元件參數值。

完成配置信息后，要對CC1000進行初始化，初始化主要完成對CC1000內部寄存器的設置。在初始化時需復位CC1000內部寄存器。當完成寄存器的設置后，為了避免芯片運行過程中頻率產生的漂移，應當校正CC1000內部VCO和PLL寄存器中的值。校正完成后，對MAIN寄存器進行設置，將CC1000輸出功率初始值設為0，功耗模式設置為低電平模式，以降低功耗。初始化流程如圖5所示。

3.3 數據收發程序設計[5]

數據的收發包括：單片機接收上位機數據，單片機向上位機發送數據，單片機接收CC1000數據和單片機向CC1000發送數據。這里僅討論單片機通過串口1接收中斷接收CC1000數據過程，這是整個數據收發程序設計中的難點。

本設計中，單片機與CC1000之間采用曼徹斯特同步模式進行數據的接收和發送。在發射模式下（單片機向CC1000發送數據），PCLK提供發送數據時鐘信號，DIO用于數據輸入，CC1000 自動完成對數據的譯碼。在接收模式下，PCLK 提供接收數據時鐘信號，在DIO提供數據，CC1000自動完成數據編碼和同步工作。

（1）數據幀結構

在曼徹斯特同步模式下，數據幀由訓練碼、同步碼、前導碼和有效數據構成。在本設計中，訓練碼為連續交替出現的0 和1，共40個；同步碼為連續出現的8個0；前導碼為連續的8個1。當數據中出現符合前面所有格式數據時，接下來的數據就是要接收的有效數據。當數據符合幀格式時，單片機才認為該數據為合格數據，從而進行接收，這樣可以保證接收數據的準確性，降低傳輸誤碼率。

（2）串口1接收中斷服務程序

在通信過程中CC1000 具有3 種狀態：IDLE（空閑）、RX（接收數據）、TX（發送數據）。由于CC1000與單片機之間是半雙工模式通信，因而RX 與TX 兩狀態要互斥。數據的接收由串口中斷完成：UART0接收中斷接收來自上位機的數據，UART1接收中斷則接收來自CC1000的數據。UART1中斷服務程序數據傳輸流程如圖6所示。在接收過程中，為了避免數據幀長度過長，當接收的有效數據超過緩沖區空間時，單片機判定此幀無效。