无线电通信原理与检测技术.docx

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无线电通信原理与检测技术

第1章前言........................................1

第2章无线收发IC芯片及其数据通信技术.............2

2.1数字信号ASK无线收发电路设...................................2

2.1.1数字信号ASK无线发射电路...................................2

2.1.2数字信号ASK无线接收电路...................................2

2.2基于TRF4900的无线发射电路设计与应用.........................4

2.2.1与微控制器连接电路.........................................4

2.2.2TRF4900的设置..............................................5

2.2.3通过无线收发芯片实现的单片机DCTMS技术......................7

2.2.4DF无线收发模块的原理与应用................................8

第3章一种微机与单片机无线串行通信的设计方案.....10

3.1.调制与发射..................................................10

3.2接收与解调..................................................10

3.3单片机全双工无线传输........................................11

第4章单片机无线串行接口电路设计.................12

4.1电路组成及工作原理..........................................12

4.1.1无线发射电路.............................................12

4.1.2无线接收电路.............................................12

4.2单片机串行接口电路.........................................13

第5章结论.......................................14

致..............................................15

参考文献..........................................16

附录..............................................17

第1章前言

采用无线发射芯片TRF4900组成的无线数字（发射、接收）电路，通过串行接口连接到微控制器实现参数设置和发射，接收控制。

文中介绍应用电路、与微控制器连接的电路，以及特性参数的设置。

一种采用MICRF102单片发射器芯片、MICRF007单片接收器芯片构成的单片机无线串行接口电路。

以PIC单片机和CC1000为核心器件，设计并实现无线数据传输发射机，接收机；介绍PIC16C73芯片和CC1000芯片的性能，详细讨论发射机，接收机的硬件和软件系统设计并予以实现。

固定无线接入FWA（FixedWirelessAccess）系统采用点对多点微波技术。

该系统在传统的电路型无线通信技术中融合了IP数据通信技术，主要提供大容量的语音和数据业务接入，也可以为窄带无线系统和移动基站提供回传连接。

单片机无线串行接口电路由MICRF102单片发射器芯片、MICRF007单片接收器芯片组成，工作在300~440MHzISM频段；具有ASK调制和解调能力，抗干扰能力强，可用于单片机之间的串行数据无线传输，也可在单片机数据采集、检测、遥测遥控等系统中应用。

适合广泛的商业应用价值和发展前景。

第2章无线收发IC芯片及其数据通信技术

2.1数字信号ASK无线收发电路设计

设计的数字信号ASK无线收发电路由TX6000单片机发射器芯片和RX6000单片接收器芯片组成,工作在916.50MHz频段，具有ASK调制和解调能力,抗干扰能力强,适合工业控制应用。

采用SAW频率合成技术,频率稳定性好，接收灵敏度高达-98dBm,发射输出功率0.75Mw，数据速率可达115.2Kbps，低工作电压（2.7～3.5V），低功耗,接收时电流1.8mA,发射时电流12mA,接收待机状态和发射待机状态仅为0.5μA。

可用于数字窄带、扩频无线电链路、手持数据终端、计算机通信、数据采集系统、遥测遥控等系统中。

2.1.1数字信号ASK无线发射电路

数字信号ASK无线发射电路图2所示,电路以TX6000为核心。

芯片包含有：

SAW谐振器、SAW滤波器、RF放大器、调制和偏置控制等电路。

RF输出端（RFIO）阻抗围为35～75Ω,外接1个天线串联匹配线圈和1个并联的ESD保护线圈。

SAW谐振器和放大器1（TXA1）组成振荡器,要发射的数字信号经TXMOD端输入,调制后由发射放大器2放大,经SAW滤波器滤波后输出。

发射器有2个工作模式：

ASK发射、OOK发射、低功耗。

模式控制由CNTRL0和CNTRL1完成。

设置CNTRL1为“高电平”,CNTRL0为“低电平”,芯片工作在ASK发射模式;设置CNTRL1和CNTRL0都为“低电平”,芯片工作在低功耗模式。

电路中T/S为发射模式/睡眠模式控制信号。

2.1.2数字信号ASK无线接收电路

数字信号ASK无线接收电路图4所示,电路以RX6000为核心。

芯片含有：

SAW滤波器、SAW延迟线、RF放大器、检波器、数据限制器、等电路。

RF输出端RFIO阻抗围为35～75Ω,外接1个天线串联匹配线圈和1个并联的ESD保护线圈。

RF信号经SAW滤波器到达射频放大器RFA1。

RFA1增益可在35dB和5dB之间选择。

RFA1的输出到SAW延迟线,SAW延迟线有一标准的0.5μs的延时。

第2级射频放大器RFA2增益为51dB。

检波器输出驱动回转滤波器,滤波器提供1个3极0.05度滤波器响应。

滤波器的输出基带放大器放大后到BBOUT端。

当接收器的RF放大器工作在50%时,BBOUT端信号变化大约是10mV/dB,峰-峰值信号电平达到685mV。

BBOUT的输出信号通过串联的电容耦合到CMPIN输入端。

当接收器设置为低功耗模式时,BBOUT端的输出阻抗为高阻抗状态。

CMPIN端的输入信号加到2个数据限制器,转换从BBOUT来的模拟信号成为数据流。

数据限制器DS1是一个电容耦合比较器。

比较器的限制电平从0～90mV,由在RFEF和THLD1端之间的电阻设备。

数据限制数DS2限制触发点能被在RRE和THLD2之间的电阻设置为1～120mV,通常设置为60mV。

DS1和DS2通过与门在RXDATA端输出数字信号。

峰值检波器的输出通过AGC比较器也提供一个AGC复位信号到AGC控制电路。

AGC控制电路保证接收器的动态工作围。

接收器有2种工作模式：

接收和低功耗。

CNTR1和CNTR0为高时,接收器工作在接收模式;CNTR1和CNTR0为低时,接收器工作在低功耗模式。

电路中R/S为接收模式/睡眠模式控制信号。

当收发电路置于同一系统中时,发送数据之前需将发射电路置于发射模式,接收电路置于睡眠模式,发射电路从睡眠模式转换为发射模式的转换时间至少1ms,可以发送任意长度的数据,发送结束后应将发射电路置于睡眠模式。

接收数据之前需将接收电路置于接收模式,将发射电路置于睡眠模式,接收电路从睡眠模式转换为接收模式的转换时间至少1ms,接收电路接收到的数据可以直接送到单片机串行接口或者经电平转换后送入计算机。

在睡眠模式时电路不发射和接收数据。

数据传输速率最高为115.2Kbps。

2.2基于TRF4900的无线发射电路设计与应用

无线数字发射电路采用无线发射芯片TRF4900。

单片发射器芯片工作电压2.2～3.6V，典型发射功率为7dim，并具有低的功率消耗。

24位直接数字合成器有11位DAC，合成器有大约230Hz的通道空间，允许窄带和宽带应用。

两个完全可编程工作模式——模式0和模式1，允许非常快地在两个预先编程的设置之间转换。

仅需要极少的外部元件即可构成一个完整的发射电路。

TRF4900通过串行接口连接到TIMSP430微控制器。

发射器的每一个功能是通过串行接口编程设置其功能。

2.2.1与微控制器连接电路

TRF4900通过串行接口连接到TI的MSP430微控制器，TRF4900的引脚23（LOCKDET），PLL锁相检测输出，有效为高电平。

当LOCKDET=1时，PLL锁定。

引脚11（MODE），模式选择输入，器件在模式0和模式1的功能能够通过串行控制接口的A、B、C、D字编程。

引脚12，睡眠控制，低电平有效。

当=0时，控制寄存器的容仍然有效，能够通过串行控制接口编程。

引脚14（TX-DATA），数字调制输入，为载波的FSK/FM调制，高电平有效。

串行控制接口是一个3线单向串行总线（CLOCK串行接口时钟信号，DATA串行接口数据信号，STROBE串行接口选通信号），用来编程TRF4900。

接口部的寄存器包含所有用户可编程变量，包括DDS频率设置，也包括所有的控制寄存器。

串行接口的时序如图2.2-1所示。

图2.2-1串行接口时序图

在CLOCK信号的每一个上升沿，DATA引脚端上的逻辑值被写入24位的移位寄存器。

设置STROBE端为高电平，编程的信息被装入选择的锁存器。

当STROBE信号为高时，DATA和CLOCK线必须为低。

因此，STROBE与CLOCK的信号是不同步的。

串行接口能被编程工作在有效状态或者睡眠状态（待机模式）。

2.2.2TRF4900的设置

TRF4900的直接数字合成器DDS是基于用数字办法产生正弦波信号的。

DDS由累加器、正弦波查找表、数/模转换器、低通滤波器组成。

所有数字功能块的时钟由基准振荡器提供。

DDS利用一个N位加法器从0到2N计数，根据在频率寄存器中的数据转换规产生数字阶梯波，来构造一个模拟正弦波。

N位计数器的输出寄存器的每一个数字，用来选择正弦波查找表中相应的正弦波数值输出。

在数/模转换后，低通滤波器用来抑制不需要的寄生响应。

模拟输出信号能用来作为PLL的参考输入信号。

PLL电路根据预先确定的系数乘基准频率。

基准振荡器的频率fret是DDS的采样频率，同时也确定最高的DDS输出频率，与累加器的位数一起，可以计算DDS的频率分辨率。

TRF4900的最小频率步长可由下式计算：

24位的累加器能够通过两个22位的频率设置寄存器编程（A字确定模式0的频率，B字确定模式1的频率），同时寄存器的两个MSB位设置为0。

因此，DDS系统的最大位权减少到1/8，如图4所示。

图4DDS频率和FSK频偏在DDS频率寄存器中的格式

这个位权与VCO输出频率（fref/8）×N相适应。

根据在MODE端的逻辑电平，部选择逻辑装载DDS-0或者DDS-1频率到频率寄存器。

VCO的输出频率flout是由DDS-x频率设置决定的（DSS-0在A字中，DDS-1在B字中），VCO的输出频率flout计算公式如下：

如果选择FSK调制（MM=0，C字，16位），则8位FSK频偏寄存器能被用来编程2-FSK调制的频偏。

频偏寄存器的8位在24位DDS频率寄存器中，LSB设置为0，总的FSK频偏由下式计算：

因此，2-FSK频率由在TX-DATA上的电平设置，计算公式如下：

这个调频输出信号用来作为PLL电路的基准输入信号。

2-FSK调制信道宽度（频偏）和信道间距是软件可编程的。

最小信道宽度和最小信道间距取决于RF系统频率设计，中心频率centre=（fout1+fout2）/2。

当FSK发射时，中心频率centre被认为是有效的载波频率。

锁相环由相位检波器（PD）、鉴频器（PD）、充电泵、VCO、外接的回路滤波器和在反馈回路中的可编程的预分频器（N分频器）组成。

当使用外部VCO时，x-VCO位将被设置为0。

分频器是可编程的，分频系数N能由C字设置成256或512。

TRF4900的控制字是24位。

第1个引入位是最高有效位（MSB），完成对TRF4900的编程；4个24位的字必须设置，即必须设置A、B、C、D字。

2.2.3通过无线收发芯片实现的单片机DCTMS技术

通过无线收发芯片实现的单片机DCTMS技术，这是一个通用性的技术方法,适用于各种不同的信号无线测控与微机管理。

主要功能是通过无线电数字通信技术,完成多变量数据采集、数据处理、图形画面的显示与管理等工作。

系统属于主从式时间分槽通信控制的计算机网络,级间由通信协议实现控制信息与数据信息的传递和交换。

由调频模拟信道实现双半工异步数字通信。

系统技术容包括计算机数据处理与管理、图形画面显示、多机通信、无线电数字通信与信号处理、数字传感器等,既有多学科的容交叉,又有多学科的技术集成。

系统由上位机数据通信与数据处理的图形画面管理模件（软件）、数字信号传输模件（简称数传模件）、无线传感器模件（也叫子站模件）3部分构成。

3部分实际为3级计算机系统,各级有独立工作的功能：

管理模件安装于通用的上位计算机,在系统软件支持下工作，数传模件与无线传感器模件各为单片机系统。

上位机采用串行通信方式与数传模件有线相连,数传模件通过无线收发方式与无线传感器模件进行无线电数字通信。

设计为相同的波特率进行数字信号的传递,数据信号采用自时钟曼彻斯特（Manchester）编码和解码方式。

无线传感器模件连接1次传感器件,实现过程变量的数据采集与数字转换。

一、无线传感器模件的结构和功能无线传感器模件硬件由单片机、数据采集单元、液晶显示电路、双向无线数字通信模块5个主要部分组成。

与数字信号的转换,确保无线收发模块信号与微处理器串行数据的准确性。

为使无线传感模件工作可靠,采用看门狗芯片X25045。

X25045有256个字节的电可擦写串行数据存储器,用以保存重要数据。

数传模件由单片机AT89C52、RAM、I/O口、键盘显示电路、双向无线数字通信模块、RS232串行通信电路组成。

可将采集数据送上位机实现更高级图形管理和显示;也可接收上位机指令,修改各项参数,执行各项操作，增益由外接电阻决定,送入可变电抗器,通过调制信号改变可变电抗,从而改变射频振荡器的频率,实现调频。

2.2.4DF无线收发模块的原理与应用

无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。

主要技术指标：

1通讯方式：

调幅AM；2工作频率：

315MHZ/433MHZ；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，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。

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或者SM5262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。

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。

第3章一种微机与单片机无线串行通信的设计方案

3.1调制与发射

图3-1

模拟调制方式有调幅、调频和调相，数字调制方法有频移键控、幅移键控等。

OOK调制方式虽性能较差，但电路简单实现容易，工作稳定，被广泛应用于无线防盗和保安领域。

如汽车、摩托车报警器，仓库大门，以及家庭保安系统中，大多使用这一类型电路。

见图3-1所示，由于使用了声表器件，电路工作非常稳定，即使手抓天线、声表器或电路其他部位，发射频率均不会漂移。

本电路有效传输距离可达200米以上。

3.2接收与解调

图3-2

接收电路有超再生电路和超外差电路，超再生电路成本低，功耗可小到100uA左右，调整良好的超再生电路灵敏度和一级高放、一级振荡、一级混频以及两级中放的超外差接收机差不多。

但超再生电路的工作稳定性和选择性都比较差，所以抗干扰能力也很差。

超外差电路的灵敏度和选择性都可以做得很好，现在有许多公司生产了许多接收超外差单片电路，见图3-2所示,外接很少的元件就能解调出调制信号。

只要很少的外围元件就可以将模拟调制的高频信号解调出数字信号。

3.3单片机全双工无线传输

发射电路采用图3-1电路，接收电路采用图3-2电路，通信距离不小于200M。

可完成接收及解调。

MICRF002是MICRF001的改进型，与MICRF001相比，功耗更低，并具有电源关断控制端，可方便的与单片机接口。

MICRF002性能稳定。

ICRF002使用瓷谐振器，换用不同的谐振器，接收频率可覆300-440MHz。

MICRF002具有两种工作模式：

扫描模式和固定模式。

扫描模式接受带宽可达几百KHz。

该模式主要用来和LC振荡的发射机配套使用，因为，LC发射机的频率漂移较大，扫描模式下的数据通讯速率约为每秒2.5KBS。

固定模式的带宽仅几十KHz，该模式用于和使用晶振稳频的发射机配套，工作模式选择通过MICRF002的第16脚（SWEN）实现。

另外，使用唤醒功能可以唤醒译码器或CPU，以最大限度地降低功耗。

单片机串行口发送端与图3-1电路的数据输入端相连，数据接收端与图3-2电路的数据输出端相连。

AT89C52的通讯拨特率设置为9.8KB，T2工作在方式2，用作拨特率发生器。

显示和键盘管理用的是HD7279芯片。

该芯片属于I2C总线器件，能管理64个键盘和16位数码管，或者64位LED。

第4章单片机无线串行接口电路设计

4.1电路组成及工作原理

4.1.1无线发射电路

无线发射电路如图4.1-1所示，电路以MICRF102为核心。

芯片包含有：

由基准振荡器、相位检波器、分频器、带通滤波器、压控振荡器构成的合成器，发射偏置控制，RF功率放大器，天线调谐控制和变容二极管等电路，是一个真正的"数据输入－无线输出"的单片无线发射器件。

UHF合成器产生载频和正交信号输出。

输入相位信号（I）用来驱动RF功率放大器。

天线调谐正交信号（Q）用来比较天线信号相位。

天线调谐控制部分检测天线通道中发射信号的相位和控制变容二极管的电容，以调谐天线，实现天线自动调谐。

功率放大器输出受发射偏置控制单元控制。

ASK/OOK调制，提供低功耗模式，数据传输速率为20kb/s。

图4.1-1无线发射电路

4.1.2无线接收电路

无线接收电路如图4.1-2所示，电路以MICRF007为核心。

MICRF007采用SOP（M）-8封装，芯片电路可分为UHF下变换器、OOK解调器和基准控制三部分。

UHF下变换器包含RF放大器、混频器、中频放大器、带通滤波器、峰值检波器、合成器、AGC控制电路；OOK解调器包含低通滤波器、比较器；基准控制电路包含基准振荡器和控制逻辑电路。

仅需外接2个电容器CAGC和CTH，1个晶振以及电源去接电容即可构成1个UHFASK接收器，所有的RF和IF调谐都在芯片自动完成，是一个真正"无线输入－数据输出"的单片器件。

图4.1-2无线接收电路

MICRF007是标准的窄RF带宽的超外差接收器，窄带宽接收器对RF干扰信号不敏感。

RF中心频率由完全集成的PLL/VCO频率合成器控制，与基准振荡器外接晶振有关。

中频带通滤波器的带宽为430kHz，基带解调器的低通滤波器带宽为2.1kHz。

接收数字ASK信号，接收器数据传输率为2Kb/s。

4.2单片机串行接口电路

无线收发电路可以直接与常用的单片机如8051、68HC05、PIC16C5X等连接，实现单片机与单片机之间的串行数据无线传输，连接电路如图4-2所示。

图4-2与单片机的接口电路

第5章结论

数字信号ASK无线收发电路,可方便地嵌入电子设备和系统中。

由TRF4900和MSP430组成的无线数字发射电路可方便地嵌入各种测量和控制系统中；在仪器仪表数据采集系统、无线抄表系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。

实验表明：

所设计的单片机串行接口无线收发电路结构简单、工作可靠，可方便地在单片机与单片机之间，构成一个点对点、一点对多点的无线串行数据传输通道。

通过开发试验和医院临床应用证明，系统很好的实现了心电信号的无失真传输，从而达到了预期的目的，起到了良好的诊断效果，受到医院的好评和医生的欢迎。

该系统有一定的通用性，不只是用来采集生物医学信号，它为低成本实现远程通讯提供了一种思路和一套解决方案，可广泛的应用在其它的各行各业之中。

参考文献

[1]小牛等.软件无线电原理与应用[M].：

电子工业，2001.

[2]胡大可编著，《MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机》，航空航天大学，2001年11月第一版。

2000.

（1）.

[3]JoeCampbell著，徐国定等翻译，《串行通信C程序员指南》第二版，清华大学，1995年6月第一版。

[4]3GPPSpecification,TS25.420.UTRANOverallDescription,March2000.

[5]BradBrannon等,SoftwareRadioOutline,ElectronicsDesign，February1999

附录

固定无线接入网络容量可以由以下公式给出：

每个基站频率资源=运营商可用频率资源×频率再用率×基站扇区数

基于IEEE802.1x的安全传输