基于嵌入式的智能射頻光傳輸模塊的設計

　　引言

　　在移動(dòng)通信迅速發(fā)展的今天，存在這樣的情況，即無(wú)論何種無(wú)線(xiàn)通信的覆蓋區域都將產(chǎn)生弱信號區和盲區，而對一些偏遠地區和用戶(hù)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(jiǎn)單，卻具有小型基站功能的設備——直放站是很有必要的。因此，移動(dòng)通信服務(wù)商們開(kāi)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，以最大限度滿(mǎn)足用戶(hù)對于通話(huà)服務(wù)的要求。

　　光纖直放站主要由光近端機、光纖、光遠端機幾個(gè)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(lái)自基站的無(wú)線(xiàn)信號，通過(guò)電/光轉換，電信號轉變?yōu)楣庑盘?，從光近端機輸入至光纖并傳輸到光遠端機，光信號再轉為電信號，進(jìn)入射頻單元進(jìn)行放大。信號經(jīng)過(guò)放大后送入遠端天線(xiàn)發(fā)送出去，覆蓋目標區域。上行鏈路的工作原理與下行鏈路類(lèi)似，手機發(fā)射的信號通過(guò)遠端天線(xiàn)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(xiàn)收到基站的下行信號(以GSM信號為例，頻段為935MHz-960MHz)送至近端主機，放大后送到光端機進(jìn)行電/光轉換，產(chǎn)生波長(cháng)為1550nm的光信號。因為光纖中傳輸有波長(cháng)為1310nm的上行光信號，所以下行的1550nm的光信號要通過(guò)光波分復用器耦合到光纖中，最后經(jīng)光纖傳到遠端機；遠端光波分復用器將1550nm和1310nm波長(cháng)的光信號分開(kāi)后，讓1550nm波長(cháng)的光信號輸入光端機進(jìn)行光/電轉換，還原成下行射頻信號，再經(jīng)遠端主機內部功放放大，由全向天線(xiàn)發(fā)射出去送給移動(dòng)臺，移動(dòng)臺的上行信號(頻段為890MHz-915MHz)逆向送到基站，這樣就完成了基站與移動(dòng)臺的信號聯(lián)系，建立通話(huà)。其原理如圖1所示。

圖1 光纖直放站的原理圖

　　光纖直放站系統因其使用特點(diǎn)，導致安裝調試工作較復雜，維護工作開(kāi)銷(xiāo)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(lái)越多的直放站生產(chǎn)商都要求光模塊具有智能性，以實(shí)現對直放站的實(shí)時(shí)監控，從而方便工作人員進(jìn)行調試、維護和管理。本文討論了在傳統光模塊基礎上增加嵌入式單元的方法，以實(shí)現光模塊的智能化。

　　系統硬件設計

　　監控電路設計

　　監控電路是光模塊實(shí)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(shí)現對光模塊的嵌入式控制，它內部集成了一個(gè)8位8輸入的ADC、一個(gè)10位8輸入的ADC和兩個(gè)12位DAC，非常方便對參數的采集和對壓控器件的控制。

圖2 光模塊的監控框圖

　　在射頻信號的輸入和輸出端，功率檢測電路將耦合的射頻能量進(jìn)行放大，并實(shí)現功率/電壓轉換，再對產(chǎn)生的電壓信號進(jìn)行A/D轉換，在程序中采用查找表的方法，即可得到輸入/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(guò)D/A轉換控制壓控衰減器，而在輸出端，則通過(guò)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(dòng)電流。單片機通過(guò)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(guò)電壓與電流的線(xiàn)性關(guān)系轉換得到。當某些因素導致激光器驅動(dòng)電流過(guò)大或過(guò)小時(shí)，單片機通過(guò)改變D/A輸出電壓來(lái)調整偏置電路的輸出電流，使激光器的發(fā)光功率維持在正常水平。另外，需加一個(gè)熱敏電阻監測模塊的實(shí)時(shí)溫度，根據電壓與溫度值的關(guān)系曲線(xiàn)圖，可通過(guò)熱敏電阻的電壓值變化而采集出溫度值的變化情況。

　　數據傳送電路設計

　　本設計采用射頻收發(fā)芯片CC1000作為數傳芯片。CC1000是根據Chipcon公司的SmartRF技術(shù)制造出的可編程高頻單片收發(fā)芯片，主要用于工作頻帶在315MHz、868MHz及915MHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)及醫療）方面和SDR（短距離通訊）方面，可在300-1000MHz范圍內通過(guò)編程工作，其主要工作參數能通過(guò)串行總線(xiàn)接口編程改變。CC1000芯片含有三條串行數據線(xiàn)接口，PDATA、PCLK、PALE用于配置內部寄存器實(shí)現收發(fā)等功能控制，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(gè)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(shí)現數據的半雙工式收發(fā)。管腳CHP_OUT用于監視頻率鎖定狀態(tài)，當CC1000內部的PLL鎖定時(shí)，該引腳輸出高電平。另外單片機可通過(guò)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(fā)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(fā)出，結合圖2可知，FSK_OUT信號通過(guò)耦合器耦合到射頻信號中，經(jīng)光/電轉換進(jìn)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(guò)低通濾波得到FSK信號，此時(shí)稱(chēng)FSK_IN信號，該信號被遠端模塊的CC1000接收。遠端模塊發(fā)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。

圖3 單片機與CC1000接口示意圖

　　C8051F023有兩個(gè)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。

　　系統軟件設計

　　系統軟件總體設計

　　軟件總體功能主要分為四個(gè)部分：參數監測、數據存儲、數據收發(fā)和性能控制。在主程序中采用兩個(gè)中斷：定時(shí)器中斷和串口中斷。定時(shí)器中斷實(shí)時(shí)采集參數數據，實(shí)現模塊的實(shí)時(shí)監測；串口中斷實(shí)時(shí)收發(fā)上位機和FSK數據，實(shí)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(jìn)行鑒權處理之后，根據通信協(xié)議解析處理命令，并執行相應的操作。

圖4 系統軟件結構圖

　　CC1000參數編程

　　CCl000作為數傳芯片，需要進(jìn)行參數配置以決定其工作性能，因而CC1000參數編程是一個(gè)重要的過(guò)程。通過(guò)可編程配置寄存器能改變以下主要參數：接收/發(fā)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(jìn)行數據譯碼和同步工作，這通過(guò)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(fā)射中心頻率為433.916MHz（連發(fā)“1”）、433.948MHz（連發(fā)“0”），調制頻偏為32kHz，載頻穩定度為10kHz。根據以上參數，可通過(guò)Chipcon公司提供的CC1000配置軟件SmartRF Studio來(lái)產(chǎn)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(jìn)行初始化，主要完成內部寄存器的設置，初始化時(shí)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(guò)程中頻率產(chǎn)生的漂移，應當校正CC1000內部VCO和PLL寄存器中的值。之后對MAIN寄存器進(jìn)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。

圖5 CC1000初始化流程圖

　　數據收發(fā)程序設計

　　數據的收發(fā)包括：?jiǎn)纹瑱C接收上位機數據，單片機向上位機發(fā)送數據，單片機接收CC1000數據和單片機向CC1000發(fā)送數據。這里僅討論單片機通過(guò)串口1接收中斷接收CC1000數據的過(guò)程，這是整個(gè)數據收發(fā)程序設計中的難點(diǎn)。 本設計中，單片機與CC1000之間采用曼徹斯特同步模式進(jìn)行數據的接收和發(fā)送。在發(fā)射模式下（單片機向CC1000發(fā)送數據），PCLK提供發(fā)送數據時(shí)鐘信號，DIO用于數據輸入，CC1000自動(dòng)完成對數據的譯碼。在接收模式下，PCLK提供接收數據時(shí)鐘信號，在DIO提供數據，CC1000自動(dòng)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(gè)；同步碼為連續出現的8個(gè)0；前導碼為連續的8個(gè)1。當數據中出現符合前面所有格式的數據時(shí)，接下來(lái)的數據就是要接收的有效數據。當數據符合幀格式時(shí)，單片機才認為該數據合格，從而進(jìn)行接收，這樣可以保證接收數據的準確性，降低傳輸誤碼率。

　?。?）串口1接收中斷服務(wù)程序

　　在通信過(guò)程中，CC1000具有三種狀態(tài)：IDLE（空閑）、RX（接收數據）、TX（發(fā)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兩個(gè)狀態(tài)會(huì )互斥。數據的接收由串口中斷完成：UART0接收中斷接收來(lái)自上位機的數據，UART1接收中斷則接收來(lái)自CC1000的數據。UART1中斷服務(wù)程序數據傳輸流程如圖6所示。在接收過(guò)程中，為了避免數據幀長(cháng)度過(guò)長(cháng)的問(wèn)題，當接收的有效數據超過(guò)緩沖區空間時(shí)，單片機判定此幀無(wú)效。

圖6 UART1中斷服務(wù)程序

　　參數監測與控制

　　單片機通過(guò)A/D轉換完成對參數的采集和數字化，這一過(guò)程由定時(shí)器中斷完成。監測數據被存儲，并通過(guò)PC機顯示出來(lái)。增益控制和偏置電壓則通過(guò)單片機的D/A轉換來(lái)控制。有關(guān)這方面的軟件設計，因篇幅有限不再贅述。

　　總結

　　嵌入式智能光模塊可以實(shí)現直放站近端機和遠端機的遠程光纖通信，在此基礎上，PC機只需通過(guò)RS232/485總線(xiàn)與近端機通信，便可完成對近端機和遠端機的實(shí)時(shí)監控，方便了工作人員對直放站的調試和維護。經(jīng)測試，CC1000之間的FSK通信在20dB光衰條件下的誤幀率優(yōu)于0.1％，保證了監控的可靠性。