HSP3824擴(kuò)頻通信芯片的功能及應(yīng)用

　隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種新業(yè)務(wù)的層出不窮，無線通信以其方便、靈活、易于組網(wǎng)等特點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用。其中特別是擴(kuò)頻通信技術(shù)由于其抗干擾、抗多徑的突出優(yōu)點(diǎn)，獲得了各方的青睞，無線擴(kuò)頻產(chǎn)品的開發(fā)研制已成為國內(nèi)外通信界的一個(gè)熱點(diǎn)。同時(shí)擴(kuò)頻通信技術(shù)也已經(jīng)超出了無線通信的領(lǐng)域，在一些“有線”的領(lǐng)域內(nèi)得到了充分應(yīng)用，如電力線通信系統(tǒng)等。　

　　HARRIS公司的HSP3824直接序列擴(kuò)頻基帶處理器是其24GHz天線芯片組的一部分，它包含了全雙工或半雙工收發(fā)機(jī)的所有功能。該芯片的最突出特點(diǎn)是靈活，其數(shù)據(jù)率、擴(kuò)頻比、調(diào)制方式以及PN碼等都可以根據(jù)需要而動(dòng)態(tài)調(diào)整，也可以通過設(shè)置HSP3824內(nèi)部寄存器來實(shí)現(xiàn)大量的應(yīng)用，為設(shè)計(jì)提供了較大的靈活性。實(shí)踐證明該芯片可靠易用，是開發(fā)擴(kuò)頻通信產(chǎn)品的良好選擇。

1 HSP3824主要功能和特點(diǎn)

　　HSP3824是HARRIS公司開發(fā)的用于直接序列擴(kuò)頻通信的基帶處理器。其基本功能是將接收到的基帶數(shù)據(jù)擾碼、調(diào)制、直接序列擴(kuò)頻輸出至中頻調(diào)制。或反之，將中頻解調(diào)后的信號經(jīng)A/D變換、解擴(kuò)、解調(diào)、解擾后得到基帶數(shù)據(jù)并輸出。

　　它的主要特點(diǎn)如下[1]:

　　· 完全的直接序列擴(kuò)頻基帶處理器(DSSS基帶處理器);

　　· 處理增益最高12dB;

　　· 可編程PN碼11、13、15、16位可選;

　　· 可編程數(shù)據(jù)率，最高達(dá)4Mbps;

　　· 適合于PCMCIA板應(yīng)用的TQFP封裝;

　　· 調(diào)制方式DBPSK、DQPSK可選;

　　· 支持半雙工、全雙工操作;

　　· 內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器;

　　· 低功耗，某些模塊在不工作時(shí)可置為SLEEP狀態(tài)。

　　HSP3824內(nèi)置57個(gè)寄存器，這些寄存器的值決定了它的工作狀態(tài)，外部控制器可對這些寄存器進(jìn)行讀寫。通過正確配置寄存器，可實(shí)現(xiàn)HSP3824的各種功能，且可以動(dòng)態(tài)調(diào)整。

　　除了基本的發(fā)送、接受模塊之外，HSP3824還包括8位的測試總線，用于測試芯片的內(nèi)部信號，實(shí)時(shí)反映芯片的工作情況;輸入信號強(qiáng)度檢測和信道空檢測(CCA)可避免數(shù)據(jù)阻塞，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸;還可以由外部控制端口設(shè)置為各種功耗模式。

2 HSP3824內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使用要點(diǎn)

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部接口

　　HSP3824可大體上分為三部分:控制、發(fā)送及接收。相應(yīng)地對外分別提供三個(gè)數(shù)字端口與控制器相連，即控制端口(CONTROL_PORT)、發(fā)送端口(TX_PORT)及接收端口(RX_PORT)，且這三個(gè)端口可分別獨(dú)立工作或同時(shí)工作。此外，還具有一個(gè)測試端口(TEST_PORT)，供外部控制器監(jiān)控HSP3824的工作狀態(tài)。

HSP3824的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

IIN:接收到的I路模擬信號;

    QIN:接收到的Q路模擬信號;

    RSSI:接收信號強(qiáng)度檢測(模擬信號);

    IOUT:I路輸出擴(kuò)頻基帶數(shù)字信號;

    QOUT:Q路輸出擴(kuò)頻基帶數(shù)字信號;

　　HSP3824外部端口如圖2所示。除四個(gè)數(shù)字端口外，還有模擬輸入(ANALOG INPUTS)、A/D參考電壓(A/D REFERENCE)及省電模式控制信號(POWER DOWN SIGNALS)等接口。需要強(qiáng)調(diào)的是每個(gè)數(shù)字端口都有其嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，只有在滿足時(shí)序的條件下HSP3824才能正常工作。其中尤其是控制端口，是設(shè)置并保證HSP3824良好工作狀態(tài)的關(guān)鍵。

2.2 控制端口時(shí)序圖

　　為確保HSP3824按照設(shè)計(jì)者的要求正確工作，關(guān)鍵的一點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)HSP3824內(nèi)部控制寄存器的正確讀寫。這些內(nèi)部寄存器包括發(fā)送/接收PN碼長度寄存器，發(fā)送/接收PN碼字寄存器，調(diào)制/解調(diào)方式寄存器等57個(gè)，存儲(chǔ)了HSP3824正常工作所需的全部參數(shù)及一些內(nèi)部狀態(tài)。因此在每次重新上電時(shí)，都必須首先由外部控制器通過HSP3824的控制端口實(shí)現(xiàn)這些寄存器的正確配置，之后才能正常工作。在正常工作時(shí)，也可通過該控制端口讀出內(nèi)部寄存器的值，供控制器分析、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，還可以在需要時(shí)通過改變寄存器的配置來調(diào)整HSP3824的工作方式。

　　要實(shí)現(xiàn)內(nèi)部寄存器的正確讀寫，必須滿足HSP3824控制端口要求的時(shí)序關(guān)系。其時(shí)序分為讀寫兩種，分別如圖3及圖4所示。

其中，各數(shù)據(jù)線的含義及作用如下:

　　SCLK:數(shù)據(jù)時(shí)鐘，HSP3824在它的上升沿采樣或送出數(shù)據(jù)，由它決定了讀寫操作的速度。需要引起注意的是SCLK應(yīng)提前SD幾個(gè)周期就準(zhǔn)備好，且SCLK的速度不能大于1/2倍的系統(tǒng)主時(shí)鐘MCLK。

　　SD:串行輸入/輸出的數(shù)據(jù)，包括寄存器的地址和值。在每次讀/寫一個(gè)寄存器時(shí)，SD的前8位都應(yīng)該是地址，后8位為數(shù)據(jù)，且均是低位在前。

　　AS:區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)線SD上送的信號是寄存器的地址還是數(shù)值，AS=1表示SD為地址，AS=0表示SD為數(shù)值。

　　R/表示對于HSP3824而言，控制端口進(jìn)行的是讀還是寫操作，RS=0為寫操作，RS=1為讀操作。

為使能信號，只有在=0時(shí)控制端口才能進(jìn)行讀寫。

2.3 應(yīng)注意的關(guān)鍵問題及其解決

　　HSP3824內(nèi)部寄存器的讀寫除要求滿足以上條件外，還必須滿足如圖5所示的HSP3824主時(shí)鐘MCLK和數(shù)據(jù)時(shí)鐘SCLK之間的時(shí)序關(guān)系[2]。

從圖中可以看出此條件要求很高，特別是因?yàn)镾CLK是由外部控制器給出，而MCLK是由一個(gè)晶振送給HSP3824的工作時(shí)鐘，兩者之間沒有任何邏輯上的關(guān)系。因此必須采取一些額外的措施來解決此問題。

　　在硬件上，可增加如圖6所示的電路。其中DCLK由外部控制器提供，由晶振提供。利用的反相信號CLK的上升沿(即MCLK的下降沿)觸發(fā)DCLK，輸出SCLK。同時(shí)CLK再經(jīng)過一級反相器，得到MCLK。圖中的D觸發(fā)器和反相器都需要選擇快速的74F系列。這樣得到的MCLK和SCLK才能滿足圖5所示的條件。同時(shí)，可以在軟件上采取些措施，如每寫一個(gè)寄存器之后馬上讀該寄存器，并與預(yù)期值比較，若不符則重新寫入，否則繼續(xù)下一個(gè)寄存器的讀寫。通過以上兩方面的措施，可確保寄存器的正確配置。

HSP3824的工作速度由MCLK決定，這個(gè)工作速度可以很高(高達(dá)44MHz)。因此，在確定的工作速度下，必須要求MCLK無抖動(dòng)，特別是無毛刺，否則HSP3824會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)，致使工作狀態(tài)不正常。可通過在MCLK送入HSP3824之前串接一個(gè)小電阻，對地并接一個(gè)小電容來防止毛刺的干擾。

3 利用HSP3824實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信的應(yīng)用舉例

　　在HARRIS公司研制的24GHz天線芯片組中包括與HSP3824配套使用的中頻調(diào)制解調(diào)器、頻率綜合器、上下變頻器及雙工器等芯片。但其價(jià)格昂貴，不適用于現(xiàn)有的工程項(xiàng)目。故筆者僅利用了HSP3824芯片，自行設(shè)計(jì)了其它相關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信模塊。其中利用單片機(jī)89C52作為控制器，控制整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)及實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)處理;利用EPROM及D/A變換器構(gòu)成直接數(shù)字頻率綜合器(DDS)，實(shí)現(xiàn)中頻調(diào)制解調(diào);其它外圍電路包括地址鎖存器、靜態(tài)RAM、EEPROM及其它輔助電路。系統(tǒng)框圖如圖7所示。

在圖7中，計(jì)算機(jī)完成兩個(gè)功能。其一是模擬以后實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)采集單元或控制中心，利用它的RS232接口與89C52通信[3]，提供或接受數(shù)據(jù);另一個(gè)功能就是用作將來在現(xiàn)場調(diào)整一些參數(shù)的設(shè)置，包括擴(kuò)頻碼長度的選擇、對應(yīng)的擴(kuò)頻碼、數(shù)據(jù)率、功率等。其中對擴(kuò)頻碼及其長度，通信的數(shù)據(jù)率這幾個(gè)參數(shù)的調(diào)整，實(shí)際上是改變HSP3824內(nèi)部寄存器的設(shè)置。其工作流程主要是工作人員通過計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面設(shè)定滿足實(shí)際條件的參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)的串行通信口遵循RS232C協(xié)議，將命令傳達(dá)至89C52。單片機(jī)利用這些收到的參數(shù)去修改HSP3824內(nèi)部對應(yīng)的寄存器，同時(shí)將這些參數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM中。之后系統(tǒng)將一直維持這些選定的參數(shù)設(shè)置，直至下一次被修改。

　　筆者以直接序列擴(kuò)頻通信基帶處理器HSP3824為核心設(shè)計(jì)了擴(kuò)頻通信模塊，并使之工作在較低頻率及數(shù)據(jù)率上，實(shí)踐證明其外圍電路簡單，性能可靠。同時(shí)也說明HSP3824具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其處理的數(shù)據(jù)率可以從低至幾千，到高達(dá)幾十兆;并且對它的控制簡單、靈活，可動(dòng)態(tài)調(diào)整若干參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最有效的應(yīng)用;若結(jié)合其測試功能及輸入信號強(qiáng)度檢測和信道空檢測功能，可以設(shè)計(jì)出功能更強(qiáng)大、更靈活、可靠的產(chǎn)品。但它也有其固有的缺點(diǎn)，主要是擴(kuò)頻碼長較短，不能獲得較高的擴(kuò)頻增益，限制了系統(tǒng)的抗噪聲及抗多徑效應(yīng)的能力。以上優(yōu)缺點(diǎn)需要設(shè)計(jì)人員綜合考慮，以充分發(fā)揮其功能，設(shè)計(jì)出最佳的產(chǎn)品。