寬帶CDMA無線接入系統(tǒng)及基站設計

寬帶固定無線接入指的是從交換節(jié)點到固定用戶終端部分或全部采用了無線方式。這里僅討論對核心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的接入。與有線接入比較，固定無線接入有如下顯著特點：對自然條件適應性強。用戶只要在覆蓋區(qū)內(nèi)，不需要特別定位和精確規(guī)劃。在地形地物不適于架線鋪纜的環(huán)境中，F(xiàn)WA系統(tǒng)顯得尤其適合，建設速度快。用戶端設備的安裝、調(diào)試方便靈活，大大縮短了建設周期。在技術上甚至可以做到當天申請，當天開通數(shù)據(jù)業(yè)務。

本文提出了一種工作2.4G ISM頻段的固定寬帶CDMA無線接入系統(tǒng)，描述了基站系統(tǒng)方案，其具有抗干擾、體積小、低成本、性能良好等優(yōu)點，適合于油田、水力、電力等行業(yè)數(shù)據(jù)通信專網(wǎng)和農(nóng)村、城郊區(qū)等地區(qū)的數(shù)據(jù)業(yè)務接入使用。

系統(tǒng)組成及工作原理

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由基站、用戶終端、轉發(fā)器、網(wǎng)管系統(tǒng)和管理計算機五部分組成。在縣城、較大鄉(xiāng)鎮(zhèn)或行業(yè)專網(wǎng)的本地本地數(shù)據(jù)交換中心機房內(nèi)(或其附近)安裝FWA系統(tǒng)的基站。固定終端放在戶分布區(qū)(如較小鄉(xiāng)鎮(zhèn)、行政村中心地帶)或用戶室內(nèi)，以無線方式與基站通信。用戶的數(shù)據(jù)通信設備直接與固定終端的10Base-T接口連接。基站通過RS232接口同操作維護中心的網(wǎng)管PC連接。固定寬帶CDMA無線接入系統(tǒng)的基本配置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2 工作原理

系統(tǒng)是一個點對多點微波通信系統(tǒng)，為用戶提供低延遲的數(shù)據(jù)傳輸通道。系統(tǒng)采用TDD雙工方式，CDMA多址方式，BPSK調(diào)制,工作在2.4～2.4835GHz頻段。每個載波的寬度為40MHz，總共可以有兩個載波。基站采用三扇區(qū)結構，每個扇區(qū)提供4個碼信道。三個扇區(qū)共用同一載波，每個載波可以提供12個碼信道，各碼信道采用不同的擴頻碼。擴頻碼采用m序列或GOLD碼。信道可以采用固定分配方式。

基站是無線鏈路的中心節(jié)點，通過10/100Base-T接口與數(shù)據(jù)交換機或路由器相聯(lián)。用戶終端是無線鏈路的遠端節(jié)點，通過10Base-T接口與用戶設備相連。用戶終端的無線信道速率可以設置為B、2B、2B＋D、6B、6B＋D、8B。轉發(fā)器用于延長通信距離或者繞過障礙，它相當于兩個背靠背的用戶終端，分別工作在主從模式下，各種特性均與用戶終端相同。網(wǎng)管系統(tǒng)通過RS－422接口與基站相連。網(wǎng)管軟件運行在Windows環(huán)境下，以圖形界面的方式提供系統(tǒng)參數(shù)設置、系統(tǒng)測試、工作狀態(tài)監(jiān)視、故障報警等功能。管理計算機是一臺筆記本電腦，運行一個終端管理軟件，通過RS－232接口與用戶終端相連。終端管理軟件同樣運行在Windows環(huán)境下，以圖形界面的方式提供用戶終端或轉發(fā)器的工作參數(shù)設置、工作狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷等功能。管理計算機只在對用戶終端或轉發(fā)器進行開通或維修時使用。

基站設計

1 總體設計

基站主要由以太網(wǎng)交換及接口轉換模塊、主控模塊、CDMA基帶處理模塊、RF模塊、網(wǎng)管系統(tǒng)和電源組成，總體框圖如圖2所示。

圖2 基站原理框圖

圖3 基帶電路原理框圖

一個基站由3個扇區(qū)組成。每個扇區(qū)使用獨立的收發(fā)信機（射頻模塊），可配置3個基帶模塊，每個基帶模塊支持4個信道。射頻模塊的控制和監(jiān)檢由第一個基帶模塊卡負責。主控模塊控制3個基帶模塊，基帶模塊完成CDMA的基帶處理任務。

CDMA采用如表1所示的專用CDMA多址方案,擴頻碼碼型采用m序列或GOLD碼，周期最長為232－1（m）或216－1（GOLD）。

系統(tǒng)采用Mitel公司定義的ST-BUS總線作為基站基帶電路數(shù)據(jù)總線，該總線主要是針對2.048Mbps碼速率信號定義的，規(guī)定了類似E1的幀結構、幀同步時鐘及其命名方法、時鐘與輸入輸出數(shù)據(jù)的時序關系等。基帶模塊和主控模塊的用戶數(shù)據(jù)連在ST－BUS上，接至ST-BUS接口轉換電路，在那里進行ST－BUS信號與以太網(wǎng)橋輸入信號的轉換。ST-BUS接口轉換電路由FPGA實現(xiàn)，完成時序轉換功能。

射頻模塊工作在TDD方式。在接收狀態(tài)下，天線收到的基站信號經(jīng)過帶通濾波器和收發(fā)切換開關后送到低噪聲放大器放大。系統(tǒng)采用一次變頻的方法，射頻信號經(jīng)過一次下變頻直接變成零中頻。I、Q兩路零中頻信號分別經(jīng)過低通濾波和緩沖放大后，送給基帶模塊。在發(fā)射狀態(tài)下，基帶處理模塊送來的基帶擴頻信號由線性相加器合成為一路，再經(jīng)過低通濾波器進行成形濾波，送到調(diào)制器對載波進行調(diào)制。系統(tǒng)采用直接調(diào)制載波的方法。基帶模塊根據(jù)網(wǎng)管命令輸出功率控制信號（APC），控制激勵級和末級的增益，以控制發(fā)射功率。

2 基帶電路設計

如圖3所示，基帶電路由3個基帶模塊構成，每個基帶模塊支持4個信道，每個信道使用一片GBT1000，主GBT1000對12個信道進行集中控制。主GBT通過雙端口RAM對從GBT進行控制，包括下載從GBT的程序、發(fā)送控制指令、讀取工作參數(shù)和狀態(tài)等。主GBT可以單獨對一片從GBT進行操作，也可以同時對多片從GBT進行相同的操作。主GBT和從GBT程序存儲在一片F(xiàn)lash RAM中，可以是寫死的，也可以由主控制器通過串行控制總線下載新程序進行修改。三個基帶模塊的從GBT輸出的基帶擴頻信號由數(shù)字合成器合成后再由3片D/A變換后，分別送給3個射頻模塊。在數(shù)字合成器中，每路輸入信號首先根據(jù)其信道速率乘以相應的功率系數(shù)，然后再進行線性相加。主GBT負責向射頻模塊提供各種控制信號，并通過A/D檢測射頻模塊送回來的直流指示信號。主GBT通過串行控制總線接受網(wǎng)管計算機的指令，并向網(wǎng)管計算機報告各種工作參數(shù)和狀態(tài)。數(shù)字合成器由FPGA3完成，ST-BUS接口轉換電路由FPGA2完成，F(xiàn)PGA1、2、3均選用現(xiàn)場可編程芯片ALTERA EPM7512AE-144實現(xiàn)，雙口RAM選用IDT70V06芯片。D/A選用AD9708現(xiàn)。

3 射頻模塊設計

圖4 射頻模塊原理框圖

射頻模塊原理框圖如圖4所示，工作在TDD方式。在接收狀態(tài)下，天線收到的基站信號經(jīng)過帶通濾波器和收發(fā)切換開關后送到低噪聲放大器放大。再經(jīng)過一次濾波后由第二級射頻放大器（AGC放大器）進一步放大。AGC信號由基帶卡提供。混頻器對射頻信號進行正交下變頻，輸出I、Q兩路信號。射頻信號經(jīng)過一次下變頻直接變成零中頻。I、Q兩路零中頻信號分別經(jīng)過低通濾波和緩沖放大后，送給基帶模塊。GBT1000輸出FLL信號，控制基準頻率源的頻率，使頻率綜合器產(chǎn)生的本振信號鎖定在接收載頻上。在發(fā)射狀態(tài)下，基帶模塊送來的基帶擴頻信號，經(jīng)過低通濾波器進行成形濾波，送到調(diào)制器對載波（即本振）進行調(diào)制。

圖5 以太網(wǎng)交換機模塊原理圖

系統(tǒng)采用直接調(diào)制載波的方法。調(diào)制信號經(jīng)過激勵級進行預放大、帶通濾波器抑制帶外輻射和末級功率放大器進行功率放大后，經(jīng)過收發(fā)切換開關和帶通濾波器送到天線。基帶電路根據(jù)網(wǎng)管命令輸出功率控制信號（APC），控制激勵級和末級的增益，以控制發(fā)射功率。TX_EN信號控制APC只在數(shù)據(jù)幀發(fā)送時才起作用，在其他時間內(nèi)，不發(fā)射功率。TX_RXb信號為收發(fā)控制信號，它一方面控制射頻切換開關在接收通道和發(fā)射通道之間切換，另一方面控制電源只給正在工作的通道供電，以達到節(jié)電的目的。射頻電路主要技術指標如下：

● 輸入調(diào)制信號多電平雙極性數(shù)字信號，最大幅度為3V，速率為32.768Mcps；

● 成形濾波后，99％的信號能量集中在約40MHz帶寬內(nèi)；

● 載波頻率在2.4～2.4835GHz頻段，準確度不低于1×10－6；

● 調(diào)制信號帶寬約為40MHz；

● 功率控制范圍為70dB；

● 末級功率1dB壓縮點輸出功率為500mW，最大輸出功率為200mW；

● 功率檢測信號與輸出信號幅度成正比。輸出功率為500mW時，輸出電平為5000mV。輸出功率為0mW時，輸出電平為0mV；

● 天線口的駐波不高于1.3；

● 天線口的接收信號電平最小為－110dBm，最大為－40dBm；

● 從天線口看，接收機的噪聲系數(shù)不高于3.0dB；

● AGC范圍不低于70dB；

● 零中頻信號的輸出幅度為200mV；

● 收發(fā)轉換時間和電源接通時間均不超過10nS

● 電源電壓為-48V±20％直流。

4 以太網(wǎng)交換機設計

交換機選用以Galileo Technology公司ASIC網(wǎng)絡交換芯片GT-48212為核心的交換結構，該芯片可工作于非管理模式和管理模式兩種配置方式，且可擴展為分布式結構的兩芯片框架結構。圖5給出了二層以太網(wǎng)交換機模塊原理圖，它包含12個10Mbps端口和2個10/100Mbps自適應端口。交換機包括:交換芯片(交換引擎)、SDRAM、物理層芯片、變壓器、晶振、控制邏輯及外圍電路等。SDRAM選用MT41LC256K3204芯片，GT-48212工作于非管理模式。

圖2中的12路以太網(wǎng)橋由12片專用芯片網(wǎng)橋RJ017來實現(xiàn)。

5 GBT1000軟件設計

GBT1000含有內(nèi)置CPU V6502，主、從GBT1000的軟件流程設計如圖6所示。

圖6-a 主GBT1000的主程序框圖

圖6-b 從GBT1000的程序框圖

結束語

本文給出了一個固定寬帶CDMA無線接入系統(tǒng)解決方案及基站的設計實現(xiàn)，簡要說明了系統(tǒng)體系結構和工作原理。重點描述了基站總體設計及各模塊的設計方案。系統(tǒng)經(jīng)過圖像傳輸測試，具有較好的網(wǎng)絡速率，可以實時的傳送音頻、圖像和數(shù)據(jù)，具有很好的實際運用價值。且其具有抗干擾、體積小、低成本、性能良好等優(yōu)點，為油田、水力、電力等行業(yè)數(shù)據(jù)通信專網(wǎng)和農(nóng)村、城郊區(qū)等不適合有線數(shù)據(jù)通信的場合，提供了一種實用的解決方案。