小型無線通信系統設計與實現

王亞飛，李學華，楊曙輝

(北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 100101)

通信系統是通信原理課程教學中的基本內容。如何理解并能設計出一個通信系統是檢驗學生學習效果的直接手段。目前，許多高校教師在通信原理課程中設計了大量的實驗項目，但這些實驗項目多集中于軟件仿真[1-6]，對學生來說比較枯燥且離具體的實際應用較遠。為了使學生掌握通信系統的組成和設計方法，同時增加學生的學習興趣[7]，本文借鑒市場上廣泛應用的無線通信類電子產品(遙控玩具，汽車車門遙控鎖)中的通信模式，通過軟硬件相結合[8]設計一個無線通信系統，使學生掌握一般無線通信系統的組成和設計原理。本實驗項目通過對具體通信系統的設計、電路調試和軟件編程，可以使學生進一步加深對通信系統的理解，掌握所學的專業知識。同時，提高學生的動手能力、解決實際問題的綜合能力以及創新能力。

1 實驗原理

通信系統的一般模型包含以下幾個部分：發信者，發送設備，信道，接收設備，收信者[9-10]。發送設備的基本功能是把信號變換成適合在信道中傳輸的信號，包括編碼、調制以及發射功能等。信道是指信號傳輸的通道，分為有線信道和無線信道兩大類。信號在信道中傳輸過程中會受到噪聲的干擾，當然，干擾也不局限于信道中的噪聲，發送設備和接收設備也會產生噪聲。接收設備的功能包括解碼、解調等，其從疊加了干擾的接收信號中恢復出相應的發送信號。

考慮任務的簡化以及學生的學習興趣，并在借鑒市場上廣泛應用的無線通信類電子產品的基礎上，設計出的一套小型的無線通信系統模型如圖1所示。發信者和收信者分別對應圖中發送信息的計算機和接收信息的計算機。發送設備對應于發送板上的4個模塊，分別為電平轉換模塊、單片機模塊、編碼模塊和調制發射模塊。接收設備對應于接收板上的另外4個模塊，分別為電平轉換模塊、單片機模塊、解碼模塊和接收解調模塊。

該系統的通信過程如下：計算機通過串口發送信息，信息經過電平轉換模塊后進入單片機，單片機根據編碼芯片的要求對信息進行處理后輸入到編碼芯片，編碼芯片對輸入信息進行編碼后將其輸入到調制發射模塊，調制發射模塊在315 MHz載波上對信息進行ASK調制，最后通過天線發射出去。接收解調模塊對接收到的信息進行解調，解調后的信息輸入到解碼芯片進行解碼，單片機對解碼后的信息進行處理后再通過電平轉換模塊輸入到接收信息的計算機，計算機上顯示接收到的信息。在此過程中，為了使計算機與單片機之間能夠進行雙向通信，引入了RS232通信接口，即電平轉換模塊。在實驗時，如果多組學生同時進行無線通信實驗，相互之間將產生干擾，為了避免這種情況發生，在方案中引入了地址編解碼芯片，通過對其進行設置可以實現發送和接收的配對。

圖1 小型無線通信系統模型

2 具體模塊的實現

發送和接收的信息通過安裝在計算機上的串口調試助手軟件完成。該軟件可以通過串口線發送和接收信息，其中信息可以是字符，也可也是文字，但要注意波特率的設置，保證收發一致。其他模塊的具體實現和說明如下。

電平轉換模塊：主要由DB9的標準232接口插座和專用芯片MAX232組成。通過該接口電路可使計算機與單片機之間實現雙向通信。計算機既可以發送數據，也可以接收數據。在發送信息的計算機上，RS232通信程序通過DB9插座的2、3管腳產生RS232信號，MAX232負責把其轉換為TTL或CMOS電平，然后把信息送到單片機。反之，接收信息通過單片機再經過MAX232轉換為RS232信號送到接收計算機。

單片機模塊：該模塊由51系列單片機AT89C2051及外圍電路組成，它接收來自計算機或者解碼芯片的數據，然后根據協議向編碼電路發送信息或者接收來自解碼電路的信息。

編/解碼模塊：編/解碼模塊采用專用的編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272。PT2262/2272是目前無線通信中作地址編碼識別最常用的芯片之一，它是一種基于CMOS 工藝的低功耗、低價位通用編解碼電路，在實際應用時，PT2262和PT2272 必須使用相同的地址碼配對進行編/解碼，否則無法正確解碼[11]。

調制發射/接收解調模塊：在實際方案中，為了減少工作量，調制發射模塊使用市場上比較成熟的組件，載波頻率為315 MHz，調制方式為ASK調制。接收解調采用315 MHz超再生接收模塊[12]。

上述各模塊的供電需要電源電路或者由外接的電源提供。

3 實驗過程與實驗結果

本實驗項目要求軟硬件相結合，先要完成硬件電路的焊接和調試，然后編寫程序并寫入到單片機的Flash中，最后進行關鍵信號的測量和收發信息的聯合調試。

(1) 按照原理圖分別在發送板和接收板上焊接各個模塊及外圍電路。包括：MAX232芯片及外圍電路，單片機AT89C2051及外圍電路，PT2262/2272及其外圍電路，發送和接收模塊以及電源電路。

(2) 按照設計好的配對地址碼焊接PT2262/2272的地址碼電路，地址碼管腳有3種狀態可供選擇，即懸空、接電源、接地。由于PT2262/2272有 8位地址碼管腳可以使用，因此有6 151個組合。

(3) 編寫單片機程序并實現數據轉換，使數據適應編碼芯片編碼格式要求。對于發送板，要保證單片機把從計算機傳過來的數據轉換成相應格式，并控制編碼芯片進行編碼；對于接收板，要保證單片機能控制解碼芯片正確解碼并把數據轉換成相應格式，再傳給接收計算機。由于來自計算機的信息是串行的，且單片機以字節方式處理數據，因此需要把信息以半字節的方式并行送入到編碼芯片的4位數據端管腳(PT2262最多有6位的數據端管腳)，這個過程需要單片機來處理。單片機的核心代碼如下：

void data_send(data_R) P1=data_R;P3_7=0;

delay(3);

P3_7=1;

delay(1);

P1=data_R>>4;

P3_7=0;

delay(3);

P3_7=1;

delay(1);

}

其中P3_7引腳與PT2262的控制端相連接。

PT2262編碼芯片發出的信號由地址碼、數據碼、同步碼組成一個完整的碼字，在通常使用中，一般采用8 位地址碼和4 位數據碼。在信息正確解碼后，PT2272的4位數據端管腳將把信息輸入到單片機中，此時單片機需要在PT2272控制信號的指引下，把連續2次的4位數據接成1個字節，然后單片機通過串口再發送到計算機。此過程的單片機核心代碼如下：

while(P3_7==0);//等待有效信號switch(tmp)

{

case 0:

data_Sen[0]=P1&0x0f;

tmp++;

break;

case 1:

tmpData=(P1&0x0f)<<4;

data_Sen[0]=tmpData+data_Sen[0];

SBUF=data_Sen[0];while(TI==0);TI=0;

tmp++;

break;

case 2:

data_Sen[1]=P1&0x0f;

tmp++;

break;

case 3:

tmpData=(P1&0x0f)<<4;

data_Sen[1]=tmpData+data_Sen[1];

SBUF=data_Sen[1];while(TI==0);TI=0;

tmp=0;

break;

}

while(P3_7==1);//等待有效信號釋放

其中P3_7引腳與PT2272的控制端相連接。

完成上述的一系列動作和調試后，可以在計算機上發送字符，例如“HELLO”，在距離合適且地址碼無誤的情況下，在另一臺計算機上就會接收到字符并顯示出來。圖2為本文所設計的無線通信實物模型及發選板和接收板。利用500 MHz示波器和頻譜分析儀觀察到的發射天線的時域信號和頻域信號見圖3和圖4。

圖2 小型無線通信系統實物圖及發送板和接收板

圖3 射頻ASK信號的時域波形

圖4 射頻ASK信號的頻域波形

在小型無線通信系統的設計和完成過程中，涉及信號、電平、編碼、解碼、調制、解調等概念，并綜合了頻譜、地址碼、單片機等應用。該實驗項目中，既有相對固定的內容，又留給學生可自己設計的空間，例如地址碼的設計、單片機程序的設計、波特率的選擇等內容。在系統測試的過程中，訓練了學生使用頻譜分析儀、示波器等測量設備的能力。本項目的完成能夠在軟硬件2個方面訓練學生理解和掌握無線通信系統的能力，使學生對通信原理的掌握更深入、更直觀。

4 結束語

本實驗項目綜合了“計算機軟件基礎”、“高頻電子線路”、“單片機原理與應用”、“微機原理與接口技術”和“通信原理”等課程內容，實現了從一臺計算機上發送的數據無線傳輸到另一臺計算機上的目的。通過該實驗可以使學生掌握一般通信系統的通信過程以及設計方法，鍛煉學生的實踐能力、綜合運用知識的能力和創新能力。

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