一種應用于無線測量與控制系統的調制解調器

摘要：設計一款抗干擾性強、速率高的無線調制解調器，保證無線測控系統的性能。該系統采用集成了USB2.（）接口的C8051F320作控制器，取代傳統的控制器通過中間轉換器與USB接口分立連接的方法，調制與解調方式采用具有良好頻譜和功率特性的GJMSK模式，雙頻單極子天線經過平面化處理。仿真與測試結果表明，系統具有良好的功率譜特性和較好的抗干擾性能，數據傳輸速率最高可達64kbps；天線滿足IEEE802.11a、b標準規定的WLAN兩個頻段要求。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/277708.htm

關鍵詞：抗干擾性強；高速率；高斯濾波最小頻移鍵控；雙頻單極子天線

引言

作為無線測控系統中重要的組成部分，無線調制解調器需要具備高速化、可靠性高、封裝體積小等特性，已有的無線調制解調器解決方案，有的采用頻移鍵控（FSK）方式，其數據傳輸率不高，最高速率分別為20kbps和1.2kbps，而且FSK方式雖然實現容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好，但是如果噪聲源固定且與中心頻率相差不大，則對FSK很不利。也有的采用快速移頻鍵控（FFSK/MSK）方式，其最高數據傳輸速率為4.8kbps；還有采用四時四頻調制（TFSK）方式，其信道穩定性較差，通信速率不高（不足600bps）。

本文的無線調制解調器采用高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）方式，其已調波相位路徑在MSK的基礎上進一步得到平滑，把MSK信號相位路徑的尖角平滑掉，因此頻譜特性相比FSK、MSK方式更佳，其最高數據傳輸速率可達64kbps；另外，采用的射頻芯片nRF401（見文獻[2]）所配置的天線一般是外接式直桿天線，而且采用USB2.0接口設計時增加了一個協議轉換集成芯片FT24SAM，不僅使系統成本會增加，而且不適合于小型化封裝。本文設計的印刷雙頻單極子天線不僅可以滿足兩個頻段要求，而且與其它元件一起印刷在電路板上實現集成，不會外露在板外，實現低成本與集成化。仿真與測試結果表明，該無線調制解調器具有良好的功率譜特性和較好的抗干擾性能，完全滿足無線測控系統高速化、高可靠性的要求。

1 無線調制解調器設計

1.1系統結構

如圖1所示，系統工作流程為：需要控制遠程設備時，控制器C8051F320通過USB接口接收上位機送出的基帶信號，并送至GMSK集成芯片FX589進行GMSK調制，然后送給鎖相環74HC4046進行FM調制，實現頻譜搬移，最后經功率放大并送至天線發射。而采集與接收數據的過程正好相反。

1.2 C8051F320控制器

C8051F320是新華龍公司提供的單片機，主要特點為：具有高速、流水線結構的8051兼容的微控制器內核：全速、非侵入式的在片調試接口；通用串行總線（USB）功能控制器：八個靈活的端點管道、集成收發器和1K FIFO RAM。

引腳標號除了第4、5腳與主機的USB接口通信外，其它都是與GMSK芯片FX589相連：第1、2腳是數據收發時鐘、第9腳設置接收載波檢測電路的工作模式：第29腳控制發送使能端：第15、16腳進行時鐘分頻值選擇：第11腳是BT選擇：第25、26腳實現數據的收發，第13腳設置接收鎖相環工作模式。

1.3 GMSK的調制與解調

GMSK是MSK的改進型。GMSK的基本原理是讓基帶信號先經過高斯濾波器濾波，使基帶信號形成高斯脈沖之后進行MSK調制，其頻譜特性優于MSK和SFSK。

圖3的FX589引腳中除了第11、16腳是與下一級FM調制解調電路進行數據收發外，其它主要與C8051F320通信。

FX589是CML公司生產的專用于無線數據傳輸的單片集成同步調制解調器，其數據發送和接收采用串行方式，使用全雙工或半雙工方式工作，具有很寬的數據速率，其數據速率范圍從4 kbps到64 kbps，可以通過片端編程實現數據速率和BT選擇（0.3或者0.5）。

主要引腳為：

Xtal（l腳）：片內晶振輸出揣；

Xtal/Clock（2腳）：外接晶本或時鐘輸入端：

ClkDivA、ClkDivBf3、4卻）：時鐘分頻值選擇； RXDCa（6腳）：設置接收載波電路的工作模式：

PLLacq（7腳）：用于設置接收鎖相環的工作模式：

RxFB（10腳）：接收放大器反饋輸出端：

RxSIN（ll腳）：接收信號輸入端：

Vss（12腳）：電源電壓輸入端；

BT（1 5腳）：BT選擇端；

TxOUT（16腳）：發送信號輸出端；

TxEN（17腳）：發送使能端，高電平有效；

Tx Data（19腳）：發送數據輸入端；

Rx Dala（20腳）：接收數據輸出端；

Rx CLK（21腳）：接收時鐘輸出；

Tx CLK（22腳）：發送時鐘輸出。

1.4鎖相環頻譜搬移

鎖相環頻譜搬移電路主要目的是把GMSK低頻信號搬移到高頻段進行無線發射。鎖相環74HC4046主要由相位比較器（PD）、壓控振蕩器（VCO）、低通濾波器三部分組成，壓控振蕩器的振蕩頻率取決于輸入電壓的幅度。

FM調制與解調電路各用一個鎖相環，只是信號輸入/輸出接法不一樣。FM調制過程為：FX589輸出的調制信號直接送到鎖相環的VCO輸入端第9腳Txo，則VCO第4腳輸出FM調制信號。該信號的頻率Wvco就是以Wo（壓控振蕩器固有振蕩頻率）為中心，隨Txo信號幅度的變化而變化。而Wo由VCO第6、7腳的電容C25和第11腳的電阻R8決定，調節使其等于發射信號的中心頻率。VCO輸出的FM調制信號頻率為：Wvco=Wo+AokTxo：其中Ao是增益系數，Txo是FX589提供的GMSK調制信號。

FM解調過程為：天線接收到的信號耦合到鎖相環的14腳，調節鎖相環的VCO固有振蕩頻率等于調頻信號載頻，鎖相環相位比較器產生的相位差在VCO輸入端產生與輸入信號頻率變化相應的電壓變化，這個電壓變化經鎖相環74HC4046內部源跟隨器隔離后在壓控振蕩器的解調輸出端第10腳輸出FM解調信號。

1.5印刷雙頻單極子天線

印刷天線是一種用微帶線和貼片作為輻射單元的特殊天線，不僅結構較為簡單、體積結構尺寸小、重量輕，而且易于集成和印刷到電路板上。如圖5所示的微帶雙頻單極子天線緒構中，右邊較長的一個振子臂對應低頻帶：2.4G-2.55GHz頻段：左邊較短的一個振子臂對應高頻帶：5.15G5.82GHz頻段：單極子的這兩個臂分別印制在介質板左右兩邊，中間是微帶饋線。介質板選取介電常數為3.38，損耗正切值為0.0027，厚度為1.5mm的FR4材料。為了滿足對天線特性的要求，饋電點離單極子的距離為λ/4。具體的結構尺寸主要通過仿真達到阻抗匹配目的來確定。采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS建模仿真，圖6是Sll回波損耗曲線圖，可以看出天線兩個頻段的中心頻率為：2.53G和5.38GHz，對應的回波損耗值分別是-34.15dB和-38.35dB。

如圖7所示可以看出：微帶雙頻單極子天線在Phi=0度的輻射性較好，在Theta=0度和-180度方向性較好，增益達到1.5dB，其中H面具有一定的全向特性。

2 調制與解調測試波形圖

使用數字存儲示波器（TDS1000）對GMSK調制與解調器進行測試。圖8（a）是隨機存儲的一段對數字信號進行調制的輸出波形；圖8（b）是FX589將鎖相環的FM模擬解調信號進行GMSK數字解調后的一段波形。可以看出：波形相位路徑在MSK的基礎上得剄進一步平滑，它把相位路徑的尖角平滑掉了，因此頻譜特性相比FSK、MSK方式更佳。

3 結束語

本文設計的無線調制解調器確保了無線測量控制系統的性能，其頻譜特性相比FSK等其它方式更佳，最高數據傳輸速率可達64kbps，遠高于其它文獻所描述設計的無線調制解調器，且平面化印刷天線結構也使得系統在價格成本和集成度上具有一定優勢。