一种无线射频收发模块的应用.docx
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一种无线射频收发模块的应用
一种无线射频收发模块的应用
1无线射频收发模块简介
1．1发射模块F05
发射模块F05原理如图1所示。
F05采用声表谐振器稳频，SMT树脂封装，频率一致性较好，免调试，特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统；而一般LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，误差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。
F05具有较宽的工作电压范围及低功耗特性。
当发射电压为3V时，发射电流约为2mA，发射功率较小；12V为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约为5～8mA，大于12V时直流功耗增大，有效发射功率不再明显提高。
F05系列采用AM方式调制以降低功耗，数据信号停止发射时发射电流降为零，数据信号与F05之间采用电阻而不能采用电容耦合，否则F05将不能正常工作。
数据信号电平应接近F05的实际工作电压以获得较高的调制效果，F05对过宽的调制信号易出现调制效率下降、收发距离变近的现象。
当脉冲高电平宽度在0.08～1ms时发射效果较好，大于1ms时效率开始下降；当脉冲低电平宽度大于10ms时，接收到的数据第一位极易被干扰（即零电平干扰）而引起不解码。
如采用CPU编译码，可在数据识别位前加一些乱码以抑制零电平干扰；如采用通用编解码器，可调整振荡电阻使每组码中间的低电平区小于10ms以抑制零电平干扰。
F05输入端平时应处于低电平状态，输入的数据信号应是正逻辑电平，幅度最高不应超过F05的工作电压。
F05天线长度可在0～250mm之间调节，也可无天线发射，但发射效率下降。
F05C为改进型，体积更小，内含隔离调制电路以消除输入信号对射频电路的影响，信号直接耦合，性能更加稳定。
F05应垂直安装在抑制板边部，并应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影响而停振。
F05发射距离与调制信号频率及幅度、发射电压及电流容量、发射天线、接收机灵敏度及收发环境有关。
F05采用PT2262编码器加240mm小拉杆天线发射时，在开阔区最大发射距离约250m，在障碍区相对要近，由于折射反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离。
如需要远的可靠距离，可在F05的输出端增加一级射频功率放大器。
PT2262编码器采用COMS工艺，与PT2272配套使用。
它的编码数据和地址以串行方式并且通过RF或IR调制方式发射。
PT2262最多采用12条三态地址线，可以提供531441种地址编码。
因此，最大程度上避免了编码的冲突
PT2262应用电路如图3上部所示。
振荡电阻取3.3MΩ效果较好，当17脚无信号输出时，F05不工作，发射电流为零；当14脚（图中省略）为低电平时，17脚输出已设定的编码脉冲对F05进行调制发射，通过测试F05工作电流可大致判断F05是否处于正常发射状态，加天线时空码发射电流为6mA左右；调整R2可调整发射电流的大小，R2取值小可提高发射距离，但易引起过调制甚至停振。
1．2接收模块J05C
J05C由超外差电路结构IC芯片和温度补偿电路构成，具有较高的接收灵敏度及稳定性，如图2所示。
芯片内含低噪声射频放大器、混频器、本地振荡器、中频放大器、滤波器及限幅比较器，输出为数据电平信号，可直接接至标准解码器或CPU解码器，适合与ASK方式的发射器配套使用，适用于各种遥控报警器及单片机短距离数据传输设备。
J05C接收频率分为315MHz及433.92MHz两种，并具有较好的频宽及温度补偿特性，可与一般精度的声表谐振器稳频的发射机及LC发射机配套使用而不需要调整接收频率，较宽的工作温度范围可适应各种工作环境。
J05C对电源要求不太苛刻，可以使用开关电源，并具有较宽的工作电压范围及低功耗特性，2V时只消耗约2mA电流，3V消耗约2.5mA电流，但5V以下供电接收灵敏度要下降3～5dBm，5V供电可处于最佳接收灵敏度状态。
J05C模块具有休眠功能，当芯片9脚为高电平（VDD-3V以上）时，接收机可处于休眠状态，此时耗电约25μA。
通常芯片9脚已接为低电平（0.8V以下），处于正常接收状态，若需休眠功能可自行改动。
J05C接收天线的长度为接收频率的1/4波长，约22cm，阻抗约37Ω，为最佳匹配天线，但在实际应用中会受到各种条件限制，具本需试验确定。
当信号较弱而干扰点又引起信号不稳时，可将天线剪去5cm也许会有所改善。
也可采用螺旋天线或将天线直接做在PCB板上，甚至无天线接收，当然接收灵敏度要下降。
匹配良好的收发天线能使收发模块性能达到最佳状态，而匹配不良的收发天线会使收发距离变得很近。
J05C最大数据传输速度为5kbps，调整内部电容值可达到20kbps，但过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率。
如用于一般遥控报警器，不必使用过高的速率，现在遥控报警器普遍使用性价比较好的PT2262编解码及PT2272解码器，振荡电阻分别采用3.3MΩ和680kΩ即可有较好的收发距离（此电阻值必须精确）。
如用于单片机收发系统，速率可取4.8kbps或2.4kbps，同时应兼顾到收射效率。
当数据中有连续几个“1”且脉宽超过1ms时，会引起发射效率下降，而且太大的占空比及大低的频率易引起过调制。
高电平脉宽在0.1～1ms范围内，收发效果较好。
不合适的数据速率同样会影响到收发距离，甚至收不到信号。
J05C输出端可直接与标准解码器及单片机接收。
J05C在未收到发射信号时可输出随机噪声，幅度为VDD-0.3V值；当收到信号时，噪声被抑制；当信号变弱时，出现噪声干扰点，此时信号处于不稳定区，若采用PT2272解码器解码仍可维持解码，若采用单片机解码则会因误码率增大而出现数据错误，此时可在数据位前加乱码抑制零电平状态干扰，最好工作在可靠区域以减小误码率。
2无线射频收发模块使用方法和范围
本文所介绍的无线通讯模块可以用于多种场合，在此仅介绍三种。
2．1用于通用串口（RS232）的无线数据传输
在工业控制现场，通常有很多控制仪器和设备采用串口（RS232），而与这些设备通讯必须满足串口（RS232）的要求。
一方面在传输速率（通常采用9.6kbps）上必须符合RS232的要求；另一方面在电气特性上也必须符合RS232的要求。
在某些特殊场合，必须使用无线传输方式时，可以很自然地选择本文所提到的发射和接收模块。
但在此必须说明的是，要采用此种通讯方式，必须先在发射端和接收端分别编制相应的软件实现文件格式的转换，才能达到无线通讯的目的。
如果通讯系统是全双工的，则可以采用两对射和接收模块（采用不同的编码地址）同时工作来实现。
2．2用于无线多通道（并行）控制
某些场合需要多通道（并行）控制，如复杂的遥控机器人等，可以采用本文所提到的发射和接收模块来实现。
一种方法是用接收模块直接和解码器相连，然后再和继电器等电子元器件相连，驱动后续的被控对象；另一种方法是用接收模块和单片机相连，经过数据的处理后，再用单片机连接继电器等电子元器件，驱动后续的被控对象。
通常一对发射和接收模块最多可以实现六路并行的无线控制，如果要求的通道数大于六路，可以采用多对发射和接收模块（采用不同的编码地址）同时工作来满足实际的需要。
2．3用于组建星型拓扑结构的无线通讯网络
在某些特殊场合需要无线通讯，并且必须是多点的星型拓扑结构，此时也可以采用本文所提到的发射和接收模块来实现。
一方面这种发射和接收模块的价格低廉，构成星型拓扑结构的费用相对较低；另一方面这种发射和接收模块可采用模块化设计，体积小、使用方便、易于集成。
对于通讯速度要求不太高、距离较近的无线网络来说，这种发射和接收模块十分实用。
3应用实例
通过使用本文所介绍的发射模块和接收模块，作者完成了一套简单、可靠的多路多无线遥控电路，如图3所示。
在这套电路里，通过控制总线设定电路中的小键盘，可以同时控制多个电灯的开关。
作者使用这种无线通讯模块，实现了对家里的六个不同电灯的独立控制。
由于现在的家居设计对于很多电器的连线都采用综合布线的方法，这样就给各种家用电器的集中控制带来了可能。
作者设计了前面提到的第二种使用方法，共用了六个并行通道。
用接收模块直接和解码器相连，然后解码器再和单片机相连，经过数据处理（可以实现六通道的再译码，最多可以达到六个四路控制），控制继电器等电子元器件，从而控制各个电灯的开关，最终实现了六路非同步控制的要求，并取得了良好的控制效果。
发射模块产品：
主要参数
1、通讯方式：
调幅（AM）
2、工作频率：
315MHZ
3、频率稳定度：
±75KHZ
4、发射功率：
≤500MW
5、静态电流：
≤0.1UA
6、发射电流：
3～50MA
7、工作电压：
DC3～12V
DF数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在－25～＋85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。
特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。
声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。
DF发射模块未设编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管Q1,这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。
比如用PT2262等编码集成电路配接时，直接将它们的数据输出端第17脚接至DF数据模块的输入端即可。
DF数据模块具有较宽的工作电压范围3～12V，当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。
当发射电压为3V时，空旷地传输距离约20～50米，发射功率较小，当电压5V时约100～200米，当电压9V时约300～500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700～800米，发射功率约500毫瓦。
当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。
这套模块的特点是发射功率比较大，传输距离比较远，比较适合恶劣条件下进行通讯。
天线最好选用23厘米长的导线，远距离传输时最好能够竖立起来，因为无线电信号传输时收很多因素的影响，所以一般实用距离只有标称距离的20％甚至更少，这点需要在开发时注意考虑。
DF数据模块采用ASK方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与DF发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则DF发射模块将不能正常工作。
数据电平应接近DF数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。
DF发射发射模块最好能垂直安装在主板的边缘，应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影晌。
DF模块的传输距离与调制信号頻率及幅度，发射电压及电池容量，发射天线，接收机的灵敏度，收发环境有关。
一般在开阔区最大发射距离约800米，在有障碍的情况下，距离会缩短，由于无线电信号传输过程中的折射和反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离。
调制方式
概述
11MbpsDSSS物理层采用补码键控（CCK）调制模式。
CCK与现有的IEEE802.11DSSS具有相同的信道方案，在2.4GHzISM频段上有三个互不干扰的独立信道，每个信道约占25MHz。
因此，CCK具有多信道工作特性。
在通信原理中把通信信号按调制方式可分为调频、调相和调幅三种。
数字传输的常用调制方式主要分为：
正交振幅调制（QAM）：
调制效率高，要求传送途径的信噪比高，适合有线电视电缆传输。
键控移相调制（QPSK）：
调制效率高，要求传送途径的信噪比低，适合卫星广播。
残留边带调制（VSB）：
抗多径传播效应好（即消除重影效果好），适合地面广播。
编码正交频分调制（COFDM）：
抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频网广播。
世广数字卫星广播系统的下行载波的调制技术采用TDMQPSK调制体制。
它比编码正交频分多路复用（COFDM）调制技术更适合卫星的大面积覆盖。
通信的最终目的是在一定的距离内传递信息。
虽然基带数字信号可以在传输距离相对较近的情况下直接传送，但如果要远距离传输时，特别是在无线或光纤信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。
为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。
如同传输模拟信号时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：
幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。
它们分别对应于用载波（正弦波）的幅度、频率和相位来传递数字基带信号，可以看成是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。
理论上，数字调制与模拟调制在本质上没有什么不同，它们都是属正弦波调制。
但是，数字调制是调制信号为数字型的正弦波调制，而模拟调制则是调制信号为连续型的正弦波调制。
在数字通信的三种调制方式（ASK、FSK、PSK）中，就频带利用率和抗噪声性能（或功率利用率）两个方面来看，一般而言，都是PSK系统最佳。
所以PSK在中、高速数据传输中得到了广泛的应用。
1、ASK--又称幅移键控法
载波幅度是随着调制信号而变化的。
其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断，这种方式还可称作通-断键控或开关键控（OOK）。
l调制方法：
用相乘器实现调制器。
l调制类型：
2ASK,MASK。
l解调方法：
相干法，非相干法。
MASK，又称多进制数字调制法。
在二进制数字调制中每个符号只能表示0和1（+1或-1）。
但在许多实际的数字传输系统中却往往采用多进制的数字调制方式。
与二进制数字调制系统相比，多进制数字调制系统具有如下两个特点：
第一：
在相同的信道码源调制中，每个符号可以携带log2M比特信息，因此，当信道频带受限时可以使信息传输率增加，提高了频带利用率。
但由此付出的代价是增加信号功率和实现上的复杂性。
第二，在相同的信息速率下，由于多进制方式的信道传输速率可以比二进制的低，因而多进制信号码源的持续时间要比二进制的宽。
加宽码元宽度，就会增加信号码元的能量，也能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。
二进制2ASK与四进制MASK调制性能的比较：
在相同的输出功率和信道噪声条件下，MASK的解调性能随信噪比恶化的速度比OOK要迅速得多。
这说明MASK应用对SNR的要求比普通OOK要高。
在相同的信道传输速率下M电平调制与二电平调制具有相同的信号带宽。
即在符号速率相同的情况下，二者具有相同的功率谱。
虽然，多电平MASK调制方式是一种高效率的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道下采用。
2、PSK--又称相移键控法
根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。
产生PSK信号的两种方法：
1）、调相法：
将基带数字信号（双极性）与载波信号直接相乘的方法：
2）、选择法：
用数字基带信号去对相位相差180度的两个载波进行选择。
两个载波相位通常相差180度，此时称为反向键控（PSK）。
SPSK=ASDIG（T）COS（W0T+O0）式中：
SDIG（T）=1或-1
l解调方法：
只能采用相干解调。
l类型：
二进制相移键控（2PSK），多进制相移键控（MPSK）。
3、FSK--又称频移键控法
FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是:
实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。
在中低速数据传输中得到了广泛的应用。
所谓FSK就是用数字信号去调制载波的频率。
l调制方法：
2FSK可看作是两个不同载波频率的ASK以调信号之和。
l解调方法：
相干法和非相干法。
l类型：
二进制移频键控（2FSK），多进制移频键控（MFSK）。
在上述三种基本的调制方法之外，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，出现了一些新的问题，主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。
在这种情况下，传统的数字调制方式已不能满足应用的需求，需要采用新的数字调制方式以减小信道对所传信号的影响，以便在有限的带宽资源条件下获得更高的传输速率。
这些技术的研究，主要是围绕充分节省频谱和高效率的利用频带展开的。
多进制调制，是提高频谱利用率的有效方法，恒包络技术能适应信道的非线性，并且保持较小的频谱占用率。
从传统数字调制技术扩展的技术有最小移频键控（MSK）、高斯滤波最小移频键控（GMSK）、正交幅度调制（QAM）、正交频分复用调制（OFDM）等等。
4、QAM--又称正交幅度调制法
在二进制ASK系统中，其频带利用率是1bit／s·Hz，若利用正交载波调制技术传输ASK信号，可使频带利用率提高一倍。
如果再把多进制与其它技术结合起来，还可进一步提高频带利用率。
能够完成这种任务的技术称为正交幅度调制（QAM）。
它是利用正交载波对两路信号分别进行双边带抑制载波调幅形成的。
通常有二进制QAM，四进制QAM（16QAM），八进制QAM（64QAM），……等。
5、MSK--又称最小移频键控法
当信道中存在非线性的问题和带宽限制时，幅度变化的数字信号通过信道会使己滤除的带外频率分量恢复，发生频谱扩展现象，同时还要满足频率资源限制的要求。
因此，对己调信号有两点要求，一是要求包络恒定；二是具有最小功率谱占用率。
因此，现代数字调制技术的发展方向是最小功率谱占有率的恒包络数字调制技术。
现代数字调制技术的关键在于相位变化的连续性，从而减少频率占用。
近年来新发展起来的技术主要分两大类：
一是连续相位调制技术（CPFSK），在码元转换期间无相位突变，如MSK，GMSK等；二是相关相移键控技术（COR-PSK），利用部分响应技术，对传输数据先进行相位编码，再进行调相（或调频）。
MSK（最小频移键控）是移频键控FSK的一种改进形式。
在FSK方式中，每一码元的频率不变或者跳变一个固定值，而两个相邻的频率跳变码元信号，其相位通常是不连续的。
所谓MSK方式，就是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式。
可以看成是调制指数为0.5的一种CPFSK信号。
实现MSK调制的过程为：
先将输入的基带信号进行差分编码，然后将其分成I、Q两路，并互相交错一个码元宽度，再用加权函数cos（πt/2Tb）和sin（πt/2Tb）分别对I、Q两路数据加权，最后将两路数据分别用正交载波调制。
MSK使用相干载波最佳接收机解调。
6、GMSK--又称高斯滤波最小移频键控法
是使用高斯滤波器的连续相位移频键控，它具有比等效的未经滤波的连续相位移频键控信号更窄的频谱。
在GSM系统中,为了满足移动通信对邻信道干扰的严格要求，采用高斯滤波最小移频键调制方式（GMSK），该调制方式的调制速率为270833Kbit/sec，每个时分多址TDMA帧占用一个时隙来发送脉冲簇，其脉冲簇的速率为33．86Kbs。
它使调制后的频谱主瓣窄、旁瓣衰落快，从而满足GSM系统要求，节省频率资源。
7、OFDM--正交频分复用调制
正交频分复用调制（OFDM-OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCMMulti-CarrierModulation，多载波调制的一种。
其主要思想是：
将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。
正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。
而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。
包括以下类型：
V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多带-OFDM。
802.11
1.802.11
2.802.11a
3.802.11b
4.802.11c
5.801.11d
6.802.11e
7.802.11f
8.802.11g
9.802.11h
10.802.11i
11.802.11j
12.802.11k
13.802.11l
14.802.11m
15.802.11n
16.802.11o
17.80211p
18.802.11Q
19.802.11R
20.802.11s
21.802.11t
22.802.11u
23.802.11v
标准简介
IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbps。
目前，3Com等公司都有基于该标准的无线网卡。
由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了802.11b和802.11a两个新标准。
三者之间技术上的主要差别在于MAC子层和物理层。
标准详解
802.11a是802.11原始标准的一个修订标准，于1999年获得批准。
802.11a标准采用了与原始标准相同的核心协议，工作频率为5GHz，使用52个正交频分多路复用副载波，最大原始数据传输率为54Mb/s，这达到了现实网络中等吞吐量（20Mb/s）的要求。
如果需要的话，数据率可降为48，36，24，18，12，9或者6Mb/s。
802.11a拥有12条不相互重叠的频道，8条用于室内，4条用于点对点传输。
它不能与802.11b进行互操作，除非使用了对两种标准都采用的设备。
由于2.4GHz频带已经被到处使用，采用5GHz的频带让802.11a具有更少冲突的优点。
然而，高载波频率也带来了负面效果。
802.11a几乎被限制在直线范围内使用，这导致必须使用更多的接入点；同样还意味着802.11a不能传播得像802.11b那么远，因为它更容易被吸收。
尽管2003世界无线电通信会议让802.11a在全球的应用变得更容易，不同的国家还是有不同的规定支持。
美国和日本已经出现了相关规定对802.11a进行了认可，但是在其他地区，如欧盟，管理机构却考虑使用欧洲的HIPERLAN标准，而且在2002年中期禁止在欧洲使用802.11a。
在美国，2003年中期联邦通信委员会的决定可能会为802.11a提供更多的频谱。
在52个OFDM副载波中，48个用于传输数据，4个是引示副载波（pilotcarrier），每一个带宽为0.3125MHz（20MHz/64），可以是二相移相键控（BPSK），四相移相键控（QPSK），16-QAM或者64-QAM。
总带宽为20MHz，占用带宽为16.6MHz。
符号时间为4毫秒，保护间隔0.8毫秒。
实际产生和解码正交分量的过程都是在基带中由DSP完成，然后由发射器将频率提升到5GHz。
每一个副载波都需要用复数来表示。
时域信号通过逆向快速傅里叶变换产生。
接收器将信号降频至20MHz，重新采样并通过快速傅里叶变换来重新获得原始系数。
使用OFDM的好处包括减少接收时的多路效应，增加了频谱效率。
802.11a产品于2001年开始销售，比802.11b的产品还要晚，这是因为产品中5GHz的组件研制成功太慢。
由于802.11b已经被广泛采用了，802.11a没有被广泛的采用。
再加上802.11a的一些弱点，和一些地方的规定限制，使得它的使用范围更窄了。
802.11a设备
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