中频无线数据传输系统设计.docx
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中频无线数据传输系统设计
青岛农业大学
毕业论文（设计）
题目：
中频无线数据传输系统设计
姓名：
衣传华
学院：
机电工程学院
专业：
农业电气化与自动化
班级：
2006.02
学号：
20060798
指导教师：
赵艳华
2010年6月18日
中频无线数据传输系统设计
摘要
针对中频无线环境监测系统，本文分析中频无线传输系统的原理，介绍了中频无线通信系统的调制、解调，从而提出解决方案。
本系统装置由监测终端和监测节点组成，二者可进行点对点通信，又可构成具有转发功能的通信网络，同时支持在线地址更改。
该套装置可以实现对周边温度和光照信息的监测与采集。
该系统为半双工通信系统，系统通信载频为27MHz，采用CMOS晶体振荡器以及数字器件做ASK调制，用SA636的快速RSSI进行ASK解调，其灵敏度高，可以实现对强度为-75dBm的ASK信号的解调。
系统采用AT98c2051低功耗单片机，以及低功耗分离元器件，使得单个探测节点功耗大大降。
关键词：
中频信号；无线传输；环境监测；ASK调制
DesignoftheIntermediateFrequencyWirelessDataTransmissionSystem
Abstract
Inviewoftheexistingproblemsintheintermediatefrequencywirelessenvironmentmonitoringsystem,itisanalyzedthatthebasicprinciplesofintermediatefrequencywirelesstransmissionsysteminthispaper,andalsoitisintroducedthatthefrequencymodulationofthewirelesscommunicationsystem.Then,solutionstoexistingproblemsarebrieflydiscussed.Monitoringterminalandmonitoringnodeswhichplayacriticalroleinundertakingpoint-to-pointcommunication,constitutingthecommunicationnetworkwiththefunctionofsteeringperformanceandsupportingchangeofaddressonline,arejusttheindispensableandmomentouselementoftheintermediatefrequencywirelessdatatransmissionsystem,whoseessentialfunctionismonitoringandgatheringtheinformationofthesurroundingenvironment’stemperatureandillumination.
Thissystemwiththefrequencyofcommunicationperformancebeing27MHzisactuallyahalf-duplexcommunicationsystem.ByusingCMOScrystaloscillatoranddigitaldevicesasASKmodulationandthefastRSSIoftheSA636forASKdemodulation,itischaracteredbyahighsensitivity,canrealizetheintensityof75dBmitineraryfor-signaldemodulation.AT98c2051systemadoptssingle-chipmicrocomputer,lowpowerconsumptionandlowconsumption,makeaseparatecomponents.Powergreatlydetectingnode.
Keywords:
IntermediateFrequency；WirelessTransmission；EnvironmentalMonitoring；
ASKModulation.
1绪论
1.1问题的提出
在信息技术迅猛发展的时代，各种无线数字设备被用于我们的日常生活之中，它们不仅能够支持常规的语音通信而且还可作为多媒体传输装置，但这些大都工作在高频或甚高频频段。
而中频频段只局限于语音通信及收音机FM调频的应用领域，在数字领域中频无线通信的研究少有突破[1]。
虽然基于高频或甚高频频段的通信系统发展比较迅速，但是器件价格较高，这就增加了矿山、轮船等特殊行业单独设立数据采集、传输系统的成本,由于大地是电的导体，使得电磁波在大地中衰减很快，相对成熟的无线电技术较难应用于井下通信[2]，因此不适合使用。
而基于中频频段的无线电设备，除了中央处理器及简单的信号处理芯片之外大都采用分离元件，随着电子技术的迅速发展，其制造技术趋于简单，使得造价低廉[3]，从而使整个系统的成本降低。
中频无线通信系统现仅局限于语音通信系统，因此将中频频段应用到无线数字系统，进行特殊环境下的监测，并尽可能的提高其传输距离，在生产生活中具有重要的实用价值，对无线通信领域的拓展也有很大的推进意义。
1.2国内外研究现状
国内外对于中频无线数据传输通信的研究主要集中于井下中频无线通信及无绳电话的应用，井下中频无线通信在美国及西方发达国家发展较成熟，应用广泛。
在国内井下中频通信系统在矿井安全检测等方面的应用极少，虽然中频无线通信在井下通信系统及无绳电话的应用已经比较成熟，但这些应用也主要是以语音通信的形式工作，不能以数字形式对煤矿这种特殊环境的检测传输。
我国是煤矿事故多发国家，井下矿难的发生虽然有管理上的疏漏，但技术上的不完善也是一个重要的因素。
井下环境复杂，瓦斯气体的超标，二氧化碳气体的过量堆积都会引起灾难的发生。
而井下环境监测技术的不完善也给事故的发生产生了隐患。
因此中频无线环境监测技术的研究发展在矿井等特殊环境下必将得到极大地关注及应用。
经过对国内外研究现状的分析，本设计主要将对环境监测所得到的数据以中频无线信号方式发送出去，并在接收端以数据的形式显示出来，摆脱中频波段单纯以语音形式发送接收的窘境。
1.3系统总体设计内容
1.3.1总体目标
本课题需要设计并制2个传输节点。
节点有编号预置功能，编码预置范围为00000001B～11111111B。
节点能够探测其环境温度。
温度测量范围为0℃～100℃，绝对误差小于2℃；节点采用两节1.5V干电池串联，单电源供电。
制作1个监测终端，用外接单电源供电。
监测终端可以分别与各探测节点直接通信，并能显示当前能够通信的探测节点编号及其探测到的环境温度和光照信息。
探测时延不大于5s，监测终端天线与探测节点天线的距离D不小于10cm。
在0～10cm距离内，各探测节点与监测终端应能正常通信。
1.3.2需要解决的问题
（1）中频无线发射电路的设计制作
（2）天线功率的匹配与制作
（3）中频本振信号的设计制作
（4）传感器的选择
（5）中频无线接收电路的设计制作
（6）中频无线数据传输距离的扩展
（7）独立电源的设计制作
（8）主控电路设计及制作
（9）控制系统软件设计
2系统外围硬件的总体设计
2.1系统设计总体方案
系统总体方案框图如图2-1所示。
系统总体方案中，ASK信号的调制、解调、信号处理部分探测节点及监测终端基本相同，探测节点由于功率的限制没有显示部分，不具备独立的显示功能；监测终端可显示探测节点通过中频无线数据传输接收到的信息，而不具备独立的环境监测的能力，因此没有信息采集部分。
所设计系统由外围硬件部分与主控系统部分组成，外围硬件部分包括晶体ASK发射机、匹配天线、接收机、模拟信号处理及信息采集装置；主控系统由单片机最小系统及液晶显示部分够成。
本章主要介绍系统外围硬件部分的方案和参数设计。
主控系统及系统电源部分将放在第3章中进行叙述。
图2-1系统总体框图
2.2中频无线数据传输调制电路设计
调制与解调电路是构成数据传输装置的关键部什,没有完善而可靠的传输装置与传输途径,数据处理装置要远距离传输信息就不可能实现。
1、中频无线调制发射电路的种类
（1）用DDS实现中频线性调频脉冲信号：
直接数字频率合成（DDS）技术是近年来迅速发展起来的新型频率合成技术,它由相位累加器、只读存储器ROM、DAC数模转换器及低通滤波器组成。
相位累加器把频率控制字转换成代表输出信号相位的相位码去寻址ROM。
通过查表把数字相位信息转换成数字式幅度值,通过D/A变成模拟信号[4]。
用DDS可以产生任意的信号波形,也就是说它不但能合成信号的频率,而且可以合成信号的波形。
DDS是实现中频线性调频脉冲信号的想的器件。
设参考时钟频率为fc,相位累加器的字长为N,则DDS输出频率的大小为:
公式（2-1）
式（2-1）中K的大小是由控制电路来预置的,当时钟频率与相位累加器位数N一定时,输出频率的大小仅仅取决于K,称K为频率控制字。
公式（2-2）
根据不同时宽和带宽的中频线性调频脉冲信号的要求计算每个瞬时频率控制字,并将其每个瞬时频率控制字K值存放在EPROM中,通过时钟实时地送到DDS的频率控制字寄存器中就能产生中频线性调频脉冲信号[5]。
（2）基于DSP+FPGA硬件平台产生中频脉冲信号调制：
使用软件方法来实现调制解调、信道编解码，交织解交织等模块功能，通过加载相应的软件模块，并与标准化的射频模块结合，实现数据收发等功能。
采用DSP+FPGA结构，能够灵活地对中频信号进行处理，便予各种算法的实现。
同时由于受DSP处理速度限制，必须先将高速的射频信号混频至中频（该中频不宜过高，一般为几十kHZ到几MHz），然后再进行处理。
基于DSP+FPGA硬件平台产生中频脉冲信号调制具有多种调制方式，可以根据不同的环境，选择合适的调制方式进行传输，支持多种速率的数据传输；基于软件无线电的体系结构，具有开发和灵活的软硬件接口，方便程序模块的升级和扩展。
比如可以增加更多的调制方式，改变纠错编码方法，改进或删简交织模式等等。
但是由于受到DSP处理速度的限制。
这种调制方法所产生的中频调制信号频率不能太大。
因此限制了它在信号调制上的应用。
（3）有源晶振及LC震荡电路调制发射：
通过有源晶振产生一个高频载波信号，同时把数据信息和载波信息加到模拟开关上面，通过模拟开关的通断，实现ASK的调制。
由实际制作的线圈天线，用LCR电桥测量可知，根据
公式（2-3）
算得在发射频率为27MHZ的情况下需要并联一个23.17uF的电容可以使天线线圈基本处于谐振状态。
模拟开关采用高频开关器件。
图2-2LC震荡调制发射电路
（4）运用或非门数字器件产生ASK调制信号：
由非门振荡器产生27MHZ的载波信号，运用或非门数字器件实现符合逻辑要求的ASK已调信号。
发射功率大于6.5mW。
考虑到功耗问题及逻辑电路的稳定工作，发射机在发送数据之前10ms启动晶体振荡，然后进行调制发送。
图2-3或非门信号调制电路
2、方案确定
综合稳定性，复杂程度，成本以及手工制
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