1.引言

在移動(dòng)通信迅速發(fā)展的今天，無論何種無線通信的覆蓋區(qū)域都將產(chǎn)生弱信號(hào)區(qū)和盲區(qū)，而對(duì)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)和用戶數(shù)不多的盲區(qū)，要架設(shè)模擬或數(shù)字基站成本太高，基礎(chǔ)設(shè)施也較復(fù)雜，在這種情況下，提供一種成本低、架設(shè)簡(jiǎn)單，卻具有小型基站功能的經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)備——直放站是很有必要的。因此，移動(dòng)通信服務(wù)商們開始在基地之外的建筑物內(nèi)部及地下等電波盲區(qū)設(shè)置直放站，以最大限度地滿足用戶對(duì)于通話服務(wù)的要求。

光纖直放站主要由光近端機(jī)、光纖、光遠(yuǎn)端機(jī)幾個(gè)部分組成。光近端機(jī)和光遠(yuǎn)端機(jī)都包括射頻單元和光單元。信號(hào)的傳輸分下行鏈路和上行鏈路。在下行鏈路中，光近端機(jī)接收來自基站的無線信號(hào)，通過電光轉(zhuǎn)換，電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，從光近端機(jī)輸入至光纖，經(jīng)過光纖傳輸?shù)焦膺h(yuǎn)端機(jī)，光遠(yuǎn)端機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，進(jìn)入射頻單元進(jìn)行放大，信號(hào)經(jīng)過放大后送入遠(yuǎn)端天線發(fā)送出去，覆蓋目標(biāo)區(qū)域。上行鏈路的工作原理與下行鏈路類似，手機(jī)發(fā)射的信號(hào)通過遠(yuǎn)端天線至光遠(yuǎn)端機(jī)，再到近端機(jī)，回到基站。光纖直放站近端機(jī)的定向天線收到基站的下行信號(hào)(以GSM信號(hào)為例，頻段為935MHz-960M Hz)送至近端主機(jī)，放大后送到光端機(jī)內(nèi)進(jìn)行電／光轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生波長(zhǎng)為1550nm的光信號(hào)。因?yàn)楣饫w中傳輸有波長(zhǎng)為1310nm的上行光信號(hào)，所以下行的1550nm的光信號(hào)要通過光波分復(fù)用器耦合到光纖中，最后經(jīng)光纖傳到遠(yuǎn)端機(jī)；遠(yuǎn)端光波分復(fù)用器將1550nm和1310nm波長(zhǎng)的光信號(hào)分開后，讓1550nm波長(zhǎng)的光信號(hào)輸入光端機(jī)進(jìn)行光／電轉(zhuǎn)換，還原成下行射頻信號(hào)，再經(jīng)遠(yuǎn)端主機(jī)內(nèi)部功放放大，由全向天線發(fā)射出去送給移動(dòng)臺(tái)。移動(dòng)臺(tái)的上行信號(hào)(頻段為890MHz-915M Hz)逆向送到基站，這樣就完成了基站與移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)聯(lián)系，建立通話。其原理如圖1 所示。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控電路是光模塊實(shí)現(xiàn)智能化的核心部分，圖2 是本設(shè)計(jì)中光模塊的監(jiān)控系統(tǒng)框圖。該部分完成各監(jiān)控量的采集、控制等工作。本設(shè)計(jì)采用C8051F023型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)光模塊的嵌入式控制，C8051F023內(nèi)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(duì)參數(shù)的采集和對(duì)壓控器件的控制[1][2]。

本設(shè)計(jì)采用射頻收發(fā)芯片CC1000作為數(shù)傳芯片。CC1000是根據(jù)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315、868 及915MHz 的ISM（工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療）方面和SDR（短距離通訊）方面，可在300-1000MHz 范圍內(nèi)通過編程工作。其主要工作參數(shù)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(shù)據(jù)線接口PDATA、PCLK、PALE 用于配置內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)收發(fā)等各種功能控制，能夠與多種單片機(jī)(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(jī)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(shù)據(jù)的輸入輸出。信號(hào)接口由DIO和DCLK組成，在本設(shè)計(jì)中它們分別與單片機(jī)的TXD1和RXD1連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的半雙工式收發(fā)。管腳CHP_OUT用于監(jiān)視頻率鎖定狀態(tài)，當(dāng)CC1000內(nèi)部的PLL鎖定時(shí)，該引腳輸出高電平。另外單片機(jī)可通過A/D轉(zhuǎn)換檢測(cè)RSSI信號(hào)的強(qiáng)度。

C8051F023有兩個(gè)UART接口，在本設(shè)計(jì)中UART0與上位機(jī)通信，UART1則用于與CC1000的數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

主程序的結(jié)構(gòu)如圖4所示，程序?qū)ι衔粰C(jī)命令進(jìn)行鑒權(quán)處理之后，根據(jù)通信協(xié)議解析處理命令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

CCl000作為數(shù)傳芯片，需要進(jìn)行參數(shù)配置以決定其工作性能，因而CC1000參數(shù)編程是一個(gè)重要的過程。通過可編程配置寄存器能改變以下主要參數(shù):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(shù)據(jù)格式等。在本設(shè)計(jì)中，CC1000 采用曼徹斯特編碼方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼和同步工作，這通過設(shè)置CC1000 的MODEM1 寄存器的參數(shù)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(shè)計(jì)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(diào)制頻偏為32KHz，載頻穩(wěn)定度為10KHz。根據(jù)以上參數(shù)，可通過Chipcon 公司提供的CC1000配置軟件SmartRF Studio來產(chǎn)生配置信息，這些配置信息將被輸入到單片機(jī)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(shù)值。

數(shù)據(jù)的收發(fā)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收上位機(jī)數(shù)據(jù)，單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收CC1000數(shù)據(jù)和單片機(jī)向CC1000發(fā)送數(shù)據(jù)。這里僅討論單片機(jī)通過串口1接收中斷接收CC1000數(shù)據(jù)過程，這是整個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)程序設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

（2）串口1接收中斷服務(wù)程序

單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換完成對(duì)參數(shù)的采集和數(shù)字化，這一過程由定時(shí)器中斷完成。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)，并通過PC機(jī)顯示出來。增益控制和偏置電壓則通過單片機(jī)的D/A轉(zhuǎn)換來控制。有關(guān)這方面的軟件設(shè)計(jì)，由于篇幅有限，這里不再贅述。

嵌入式智能光模塊可以實(shí)現(xiàn)直放站近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)的遠(yuǎn)程光纖通信，在此基礎(chǔ)上，PC 機(jī)只需通過RS232/485總線與近端機(jī)通信，便可完成對(duì)近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便工作人員對(duì)直放站的調(diào)試和維護(hù)。經(jīng)測(cè)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(jiān)控的可靠性。

作者：李朋、吳彥文，華中師范大學(xué)