寬帶CDMA無線接入系統及基站設計

寬帶固定無線接入指的是從交換節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據網絡的接入。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。用戶只要在覆蓋區內，不需要特別定位和精確規劃。在地形地物不適于架線鋪纜的環境中，FWA系統顯得尤其適合，建設速度快。用戶端設備的安裝、調試方便靈活，大大縮短了建設周期。在技術上甚至可以做到當天申請，當天開通數據業務。

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，描述了基站系統方案，其具有抗干擾、體積小、低成本、性能良好等優點，適合于油田、水力、電力等行業數據通信專網和農村、城郊區等地區的數據業務接入使用。

系統組成及工作原理

1 系統組成

系統由基站、用戶終端、轉發器、網管系統和管理計算機五部分組成。在縣城、較大鄉鎮或行業專網的本地本地數據交換中心機房內(或其附近)安裝FWA系統的基站。固定終端放在戶分布區(如較小鄉鎮、行政村中心地帶)或用戶室內，以無線方式與基站通信。用戶的數據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管PC連接。固定寬帶CDMA無線接入系統的基本配置如圖1所示。

圖1 系統組成

2 工作原理

系統是一個點對多點微波通信系統，為用戶提供低延遲的數據傳輸通道。系統采用TDD雙工方式，CDMA多址方式，BPSK調制,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。基站采用三扇區結構，每個扇區提供4個碼信道。三個扇區共用同一載波，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點，通過10/100Base-T接口與數據交換機或路由器相聯。用戶終端是無線鏈路的遠端節點，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。網管系統通過RS－422接口與基站相連。網管軟件運行在Windows環境下，以圖形界面的方式提供系統參數設置、系統測試、工作狀態監視、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環境下，以圖形界面的方式提供用戶終端或轉發器的工作參數設置、工作狀態監視、故障診斷等功能。管理計算機只在對用戶終端或轉發器進行開通或維修時使用。

基站設計

1 總體設計

基站主要由以太網交換及接口轉換模塊、主控模塊、CDMA基帶處理模塊、RF模塊、網管系統和電源組成，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個扇區組成。每個扇區使用獨立的收發信機（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）。

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

射頻模塊工作在TDD方式。在接收狀態下，天線收到的基站信號經過帶通濾波器和收發切換開關后送到低噪聲放大器放大。系統采用一次變頻的方法，射頻信號經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過低通濾波和緩沖放大后，送給基帶模塊。在發射狀態下，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，再經過低通濾波器進行成形濾波，送到調制器對載波進行調制。系統采用直接調制載波的方法。基帶模塊根據網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、發送控制指令、讀取工作參數和狀態等。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Flash 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。在數字合成器中，每路輸入信號首先根據其信道速率乘以相應的功率系數，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管計算機的指令，并向網管計算機報告各種工作參數和狀態。數字合成器由FPGA3完成，ST-BUS接口轉換電路由FPGA2完成，FPGA1、2、3均選用現場可編程芯片ALTERA EPM7512AE-144實現，雙口RAM選用IDT70V06芯片。D/A選用AD9708現。

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。在接收狀態下，天線收到的基站信號經過帶通濾波器和收發切換開關后送到低噪聲放大器放大。再經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，使頻率綜合器產生的本振信號鎖定在接收載頻上。在發射狀態下，基帶模塊送來的基帶擴頻信號，經過低通濾波器進行成形濾波，送到調制器對載波（即本振）進行調制。

圖5 以太網交換機模塊原理圖

系統采用直接調制載波的方法。調制信號經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，經過收發切換開關和帶通濾波器送到天線。基帶電路根據網管命令輸出功率控制信號（APC），控制激勵級和末級的增益，以控制發射功率。TX_EN信號控制APC只在數據幀發送時才起作用，在其他時間內，不發射功率。TX_RXb信號為收發控制信號，它一方面控制射頻切換開關在接收通道和發射通道之間切換，另一方面控制電源只給正在工作的通道供電，以達到節電的目的。射頻電路主要技術指標如下：

● 輸入調制信號多電平雙極性數字信號，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；

● 載波頻率在2.4～2.4835GHz頻段，準確度不低于1×10－6；

● 調制信號帶寬約為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 以太網交換機設計

交換機選用以Galileo Technology公司ASIC網絡交換芯片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路以太網橋由12片專用芯片網橋RJ017來實現。

5 GBT1000軟件設計

GBT1000含有內置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無線接入系統解決方案及基站的設計實現，簡要說明了系統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。系統經過圖像傳輸測試，具有較好的網絡速率，可以實時的傳送音頻、圖像和數據，具有很好的實際運用價值。且其具有抗干擾、體積小、低成本、性能良好等優點，為油田、水力、電力等行業數據通信專網和農村、城郊區等不適合有線數據通信的場合，提供了一種實用的解決方案。