無線傳輸系統之數字載波調制的研究

余芬

摘 要： 目前在工業、科學研究及醫療設備中出現了大量需要進行通信的設備，這些設備通信距離較近、數據量較小、不適合布線。本文在比較三種方案各自優缺點的基礎上，提出了一個基于AVR系列單片機的系統設計方案。該方案以MEGA16單片機為控制核心，鍵盤作為數據輸入、液晶顯示、以nRF401作為無線數據收/發芯片，該芯片的主要特點是采用FSK調制解調技術，抗干擾能力強、收發速率快，外圍設備簡單等特點。系統性能較好，適用于多種應用領域，有較大的推廣價值。

關鍵詞： 無線傳輸系統 數字載波調制 串行通信協議

1.引言

目前國內的工業微機測控網絡多為有線通信方式。有線通信的優點是數據傳輸可靠性較強。目前出現大量需要進行通信的設備，這些設備通信距離較近、數據量較小、不適合布線，比如自動抄表系統、酒店點菜系統及現場數據采集系統等。其中有很多設備是可移動的，而且要求荷重小便于攜帶，達到上述不同的功能要求，雙向無線發射、接收機應滿足便攜式電池供電設備的一些基本要求，以適用于無線RF應用。這些基本要求為：方案成本低、體積小、低功耗、符合電池供電要求、集成度高、無需微調外部元件、外圍元件極少、加工更容易、數據傳輸率高、傳輸時間更短、接口簡單、可以與廉價的單片機接口。

2.方案選擇

因為無線收發芯片的種類和數量比較多，無線收發芯片的選擇在設計中是至關重要的，所以正確地選擇芯片可以減小開發難度，縮短開發周期，降低成本，更快地將產品推向市場。下面先從數字芯片原理上作個比較，然后從三款芯片中選出一款最適合本系統的芯片。

2.1振幅鍵控和頻移鍵控的比較

采用ASK（振幅鍵控）電路。對于二進制幅度鍵控信號的頻帶寬度為二進制基帶信號寬度的兩倍。采用FSK（頻移鍵控）電路，頻移鍵控是利用兩個不同頻率f1和f2的振蕩源來代表信號1和0。用數字信號的1和0去控制兩個獨立的振蕩源交替輸出。雖然FSK調制方式頻帶利用率低，但由于其具有良好的抗衰弱性和信號傳送過程中較低的誤碼率，特別適用于較高質量的數據傳輸。

本文采用FSK（頻移鍵控）方式的芯片實現數據的發送和接收。

2.2三款數字芯片的比較

2.2.1方案一CC1000無線收發芯片

CC1000是chipcon公司推出的單片可編程RF收發芯片，它基于Chipcons SmartRF技術。可工作在ISM頻段（300MHz-1000MHz）。CC1000集成了射頻發射、射頻接收、PLL合成、FSK調制解調、可編程控制等多種功能。CC1000采用鎖相環技術。發射頻率是通過內部的頻率合成器來配置的，可配置的范圍為300MHz-1000MHz.適合應用跳頻協議，一般可配出10個或20個頻點，該芯片靈敏度為-109dBm，并可自動校準，可編程輸出功率為-20dBm—+10dBm，

但是它有個缺點.就是不能直接連單片機串口使用。數據需要進行曼徹斯特編碼，效率較低。

2.2.2方案二nRF903無線收發芯片

nRf903是Nordie公司為433/868/915MHzISM頻段設計的單片UHF多段無線收發芯片.它采用優化的GFSK調制解詞技術，抗干擾能力強，采用DDS+PLL頻率合成技術，頻率穩定性好，靈敏度高達-104dBm，發射功率可以調整，最大發射功率是+10dBm。可在155.6kHz的有效帶寬下傳輸最高76.8bps的數據。nRF903的工作電壓范圍可以從2.7V～3.3V。接收待機狀電流消耗為600laP，低功耗模式電流消耗儀為1uA。可滿足低功耗設備的要求。nRF903內部結構可分為發射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾個部分。

2.2.3方案三nRF401無線收發芯片

nRF401是Nordic公司研制的單片UHF無線收發芯片，工作在433MHzISM（Industrial，ScientificandMedica1）段。它采用FSK調制解調技術.抗干擾能力強，并采用PLL頻率合成技術，頻率穩定性好，發射功率最大可達10dBm，接收靈敏度最大為-105dBm。數據傳輸速率可達20Kbps。工作電壓在+3V～5V之間nRF401無線收發芯片所需外圍元件較少。

在接收模式中。nRF401被配置成傳統的外差式接收機，所接收的射頻調制的數字信號被低噪聲放大器放大，經混頻器變換成中頻，放大、濾波后進入解調器。解調后變換成數字信號輸出（DOUT）端。在發射模式中，數字信號經DIN端輸入，經鎖相環和壓控振蕩器處理后進行KFQ發射功率放大器射頻輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技術，頻率穩定性極好；采用FSK調制和解調，抗干擾能力強。

2.2.4綜合比較分析

由于在系統設計時，需要考慮以下幾個因素：系統的便攜性、效率、功耗、發射功率、接收靈敏度、收發芯片所需的外圍元件數量、芯片成本、數據傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼等，綜合比較以上幾種方案。方案一中雖然可以滿足設計的要求，且外圍元件少，但不能直接連接單片機串口使用。數據需要進行曼徹斯特編碼，這樣可大大降低使用效率。方案二中是一個很理想的芯片，但考慮到工作電壓要與單片機（MEGA16）工作電壓相匹配，故不選擇該方案。方案三更適合本設計的要求，所以采用方案三實現這個系統。

3.無線通信基本原理

3.1數字載波調制原理

數字調制與模擬調制本質并無差別，都是進行頻譜搬移，都是為了有效傳輸信息。區別在于基帶調制信號一個是數字的，一個是模擬的，數字基帶信號有二進制數字調制與多進制數字調制兩類。數字調制的種類很多，最常見也是最基本的調制方式有調幅（ASK）、調頻（FSK）、調相（PSK）三種，本文采用的NRF401芯片就是調頻（頻移鍵控）方式。數字振幅調制抗噪聲性能差，在低速數據傳輸中還有用的。調相在抗噪聲性能上優于調幅和調頻，而且信道頻帶利用率較高，因此在中、高速數傳機中得到廣泛應用。由于調制方式在接收端需要載波同步和定時再生，因而設備復雜。

3.2實現調制的方法

FSK有相位連續和不連續兩種，分別記為CPFSK和DPFSK。所謂相位連續是指在一個碼元內相位不產生突變，隨時間平滑的變化，在碼元轉換時刻上，前后碼元相位相等。

FSK信號的產生分為兩類：

3.2.1直接調頻法它是用數字基帶矩形脈沖控制一個振蕩器的某些參數，直接改變振蕩頻率，輸出不同頻率的信號。

3.2.2頻率鍵控法頻率鍵控法又稱頻率轉換法，是用數字矩形脈沖控制。電子開關在兩個振蕩器之間進行轉換，從而輸出不同頻率的信號。數字信號為，“1”時，正脈沖使控制門1接通，門2斷開，輸出fl：數字信號“0”時，門1斷開，門2接通，輸出頻率f2。如果產生fl>f2的兩個振蕩器是相互獨立的，則輸出的2FSK信號相位是不連續的。這種方法轉換速度快，波形好，頻穩度很好。基帶輸入信號相加器輸出e（t）。

3.3FSK信號的解調方法

數字調頻信號的解調方法很多，有鑒頻法、過零檢測法、差分檢測法、包絡檢測法、相干檢測法，下面介紹包絡檢測法2FSK信號的包絡檢測方塊圖。

用兩個窄帶的分路濾波器分別濾出頻率為fl及f2的高頻脈沖，經包絡檢波后分別取出他們的包絡。把兩路輸出同時送到抽樣判決器進行比較，從而判決輸出基帶數字信號。設頻率fl代表數字信號1；f2代表0，則抽樣判決器的判決準則應定為即vl-v2>0，判為1，若vl-v2<0，判為0。式中vl，v2分別為抽樣時刻兩個包絡檢波器的輸出值。這里的抽樣判決器，要比較vl，v2的大小。或者說把差值vl-v2與零電平比較。因此，有時稱這種比較判決器的判決門限為零電平。

4.總結與討論

在本系統研究過程中，無線通訊模塊的PCB制作尤為重要，要妥善處理抗干擾等問題。另外，合適的數據通訊協議也是提高系統穩定性的重要因素。由于NRF401的接收靈敏度高，且采用的ISM公用頻段，在干擾比較嚴重的場合，即使不存在任何發射器，在接收機的DOUT腳也存在速率大約為40kbit/s～50kbit/s的雜亂的噪聲信號，UART對DOUT腳采樣，不斷產生串行中斷，使接收機無法正常工作，在這種情況下可采用這樣的方法：加長先導字段，接收機以一定的時間間隔開串行中斷，中斷程序先關中斷再判斷收到的是不是先導字段，如果是則正常運行接受程序，如不是向導字段，則丟棄數據中斷返回。系統在實際應用中保證了工業現場穩定可靠的數據通信，成本低，具有很好的推廣價值。

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