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一種應(yīng)用于無線測量與控制系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器
摘要：設(shè)計(jì)一款抗干擾性強(qiáng)、速率高的無線調(diào)制解調(diào)器，保證無線測控系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)采用集成了USB2.()接口的C8051F320作控制器，取代傳統(tǒng)的控制器通過中間轉(zhuǎn)換器與USB接口分立連接的方法，調(diào)制與解調(diào)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(jīng)過平面化處理。仿真與測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的功率譜特性和較好的抗干擾性能，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)64kbps;天線滿足IEEE802.11a、b標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的WLAN兩個(gè)頻段要求。
關(guān)鍵詞：抗干擾性強(qiáng);高斯濾波最小頻移鍵控;雙頻單極子天線;高速率
引言
作為無線測控系統(tǒng)中重要的組成部分，無線調(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)器解決方案，有的采用頻移鍵控(FSK)方式，其數(shù)據(jù)傳輸率不高，最高速率分別為20kbps和1.2kbps，而且FSK方式雖然實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸速率為4.8kbps;還有采用四時(shí)四頻調(diào)制(TFSK)方式，其信道穩(wěn)定性較差，通信速率不高(不足600bps)。
本文的無線調(diào)制解調(diào)器采用高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)方式，其已調(diào)波相位路徑在MSK的基礎(chǔ)上進(jìn)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(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)64kbps;另外，采用的射頻芯片nRF401(見文獻(xiàn)[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(shè)計(jì)時(shí)增加了一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換集成芯片F(xiàn)T24SAM，不僅使系統(tǒng)成本會(huì)增加，而且不適合于小型化封裝。本文設(shè)計(jì)的印刷雙頻單極子天線不僅可以滿足兩個(gè)頻段要求，而且與其它元件一起印刷在電路板上實(shí)現(xiàn)集成，不會(huì)外露在板外，實(shí)現(xiàn)低成本與集成化。仿真與測試結(jié)果表明，該無線調(diào)制解調(diào)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(tǒng)高速化、高可靠性的要求。
一、無線調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖1所示，系統(tǒng)工作流程為：需要控制遠(yuǎn)程設(shè)備時(shí)，控制器C8051F320通過USB接口接收上位機(jī)送出的基帶信號，并送至GMSK集成芯片F(xiàn)X589進(jìn)行GMSK調(diào)制，然后送給鎖相環(huán)74HC4046進(jìn)行FM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，最后經(jīng)功率放大并送至天線發(fā)射。而采集與接收數(shù)據(jù)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(jī)，主要特點(diǎn)為：具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核：全速、非侵入式的在片調(diào)試接口;通用串行總線(USB)功能控制器：八個(gè)靈活的端點(diǎn)管道、集成收發(fā)器和1K FIFO RAM。
引腳標(biāo)號除了第4、5腳與主機(jī)的USB接口通信外，其它都是與GMSK芯片F(xiàn)X589相連：第1、2腳是數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)鐘、第9腳設(shè)置接收載波檢測電路的工作模式：第29腳控制發(fā)送使能端：第15、16腳進(jìn)行時(shí)鐘分頻值選擇：第11腳是BT選擇：第25、26腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，第13腳設(shè)置接收鎖相環(huán)工作模式。
1.3 GMSK的調(diào)制與解調(diào)
GMSK是MSK的改進(jìn)型。GMSK的基本原理是讓基帶信號先經(jīng)過高斯濾波器濾波，使基帶信號形成高斯脈沖之后進(jìn)行MSK調(diào)制，其頻譜特性優(yōu)于MSK和SFSK。
圖3的FX589引腳中除了第11、16腳是與下一級FM調(diào)制解調(diào)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)外，其它主要與C8051F320通信。
FX589是CML公司生產(chǎn)的專用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯纹赏秸{(diào)制解調(diào)器，其數(shù)據(jù)發(fā)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(shù)據(jù)速率，其數(shù)據(jù)速率范圍從4 kbps到64 kbps，可以通過片端編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率和BT選擇(0.3或者0.5)。
主要引腳為：
Xtal(l腳)：片內(nèi)晶振輸出揣;
Xtal/Clock(2腳)：外接晶本或時(shí)鐘輸入端：
ClkDivA、ClkDivBf3、4卻)：時(shí)鐘分頻值選擇; RXDCa(6腳)：設(shè)置接收載波電路的工作模式：
PLLacq(7腳)：用于設(shè)置接收鎖相環(huán)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(fā)送信號輸出端;
TxEN(17腳)：發(fā)送使能端，高電平有效;
Tx Data(19腳)：發(fā)送數(shù)據(jù)輸入端;
Rx Dala(20腳)：接收數(shù)據(jù)輸出端;
Rx CLK(21腳)：接收時(shí)鐘輸出;
Tx CLK(22腳)：發(fā)送時(shí)鐘輸出。
1.4鎖相環(huán)頻譜搬移
鎖相環(huán)頻譜搬移電路主要目的是把GMSK低頻信號搬移到高頻段進(jìn)行無線發(fā)射。鎖相環(huán)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(diào)制與解調(diào)電路各用一個(gè)鎖相環(huán)，只是信號輸入/輸出接法不一樣。FM調(diào)制過程為：FX589輸出的調(diào)制信號直接送到鎖相環(huán)的VCO輸入端第9腳Txo，則VCO第4腳輸出FM調(diào)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(diào)節(jié)使其等于發(fā)射信號的中心頻率。VCO輸出的FM調(diào)制信號頻率為：Wvco=Wo+AokTxo：其中Ao是增益系數(shù)，Txo是FX589提供的GMSK調(diào)制信號。
FM解調(diào)過程為：天線接收到的信號耦合到鎖相環(huán)的14腳，調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的VCO固有振蕩頻率等于調(diào)頻信號載頻，鎖相環(huán)相位比較器產(chǎn)生的相位差在VCO輸入端產(chǎn)生與輸入信號頻率變化相應(yīng)的電壓變化，這個(gè)電壓變化經(jīng)鎖相環(huán)74HC4046內(nèi)部源跟隨器隔離后在壓控振蕩器的解調(diào)輸出端第10腳輸出FM解調(diào)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(jié)構(gòu)較為簡單、體積結(jié)構(gòu)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(gòu)中，右邊較長的一個(gè)振子臂對應(yīng)低頻帶：2.4G-2.55GHz頻段：左邊較短的一個(gè)振子臂對應(yīng)高頻帶：5.15G5.82GHz頻段：單極子的這兩個(gè)臂分別印制在介質(zhì)板左右兩邊，中間是微帶饋線。介質(zhì)板選取介電常數(shù)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(diǎn)離單極子的距離為λ/4。具體的結(jié)構(gòu)尺寸主要通過仿真達(dá)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(gè)頻段的中心頻率為：2.53G和5.38GHz，對應(yīng)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(dá)到1.5dB，其中H面具有一定的全向特性。
二、調(diào)制與解調(diào)測試波形圖
使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器(TDS1000)對GMSK調(diào)制與解調(diào)器進(jìn)行測試。圖8(a)是隨機(jī)存儲(chǔ)的一段對數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制的輸出波形;圖8(b)是FX589將鎖相環(huán)的FM模擬解調(diào)信號進(jìn)行GMSK數(shù)字解調(diào)后的一段波形�？梢钥闯觯翰ㄐ蜗辔宦窂皆贛SK的基礎(chǔ)上得剄進(jìn)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。
三、結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的無線調(diào)制解調(diào)器確保了無線測量控制系統(tǒng)的性能，其頻譜特性相比FSK等其它方式更佳，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)64kbps，遠(yuǎn)高于其它文獻(xiàn)所描述設(shè)計(jì)的無線調(diào)制解調(diào)器，且平面化印刷天線結(jié)構(gòu)也使得系統(tǒng)在價(jià)格成本和集成度上具有一定優(yōu)勢。
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