无线传输系统之数字载波调制的研究

余芬

摘 要： 目前在工业、科学研究及医疗设备中出现了大量需要进行通信的设备，这些设备通信距离较近、数据量较小、不适合布线。本文在比较三种方案各自优缺点的基础上，提出了一个基于AVR系列单片机的系统设计方案。该方案以MEGA16单片机为控制核心，键盘作为数据输入、液晶显示、以nRF401作为无线数据收/发芯片，该芯片的主要特点是采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强、收发速率快，外围设备简单等特点。系统性能较好，适用于多种应用领域，有较大的推广价值。

关键词： 无线传输系统 数字载波调制 串行通信协议

1.引言

目前国内的工业微机测控网络多为有线通信方式。有线通信的优点是数据传输可靠性较强。目前出现大量需要进行通信的设备，这些设备通信距离较近、数据量较小、不适合布线，比如自动抄表系统、酒店点菜系统及现场数据采集系统等。其中有很多设备是可移动的，而且要求荷重小便于携带，达到上述不同的功能要求，双向无线发射、接收机应满足便携式电池供电设备的一些基本要求，以适用于无线RF应用。这些基本要求为：方案成本低、体积小、低功耗、符合电池供电要求、集成度高、无需微调外部元件、外围元件极少、加工更容易、数据传输率高、传输时间更短、接口简单、可以与廉价的单片机接口。

2.方案选择

因为无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的，所以正确地选择芯片可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向市场。下面先从数字芯片原理上作个比较，然后从三款芯片中选出一款最适合本系统的芯片。

2.1振幅键控和频移键控的比较

采用ASK（振幅键控）电路。对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。采用FSK（频移键控）电路，频移键控是利用两个不同频率f1和f2的振荡源来代表信号1和0。用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。虽然FSK调制方式频带利用率低，但由于其具有良好的抗衰弱性和信号传送过程中较低的误码率，特别适用于较高质量的数据传输。

本文采用FSK（频移键控）方式的芯片实现数据的发送和接收。

2.2三款数字芯片的比较

2.2.1方案一CC1000无线收发芯片

CC1000是chipcon公司推出的单片可编程RF收发芯片，它基于Chipcons SmartRF技术。可工作在ISM频段（300MHz-1000MHz）。CC1000集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制解调、可编程控制等多种功能。CC1000采用锁相环技术。发射频率是通过内部的频率合成器来配置的，可配置的范围为300MHz-1000MHz.适合应用跳频协议，一般可配出10个或20个频点，该芯片灵敏度为-109dBm，并可自动校准，可编程输出功率为-20dBm—+10dBm，

但是它有个缺点.就是不能直接连单片机串口使用。数据需要进行曼彻斯特编码，效率较低。

2.2.2方案二nRF903无线收发芯片

nRf903是Nordie公司为433/868/915MHzISM频段设计的单片UHF多段无线收发芯片.它采用优化的GFSK调制解词技术，抗干扰能力强，采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性好，灵敏度高达-104dBm，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。可在155.6kHz的有效带宽下传输最高76.8bps的数据。nRF903的工作电压范围可以从2.7V～3.3V。接收待机状电流消耗为600laP，低功耗模式电流消耗仪为1uA。可满足低功耗设备的要求。nRF903内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几个部分。

2.2.3方案三nRF401无线收发芯片

nRF401是Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片，工作在433MHzISM（Industrial，ScientificandMedica1）段。它采用FSK调制解调技术.抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为-105dBm。数据传输速率可达20Kbps。工作电压在+3V～5V之间nRF401无线收发芯片所需外围元件较少。

在接收模式中。nRF401被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声放大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器。解调后变换成数字信号输出（DOUT）端。在发射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进行KFQ发射功率放大器射频输出。由于采用了晶体振荡和PLL合成技术，频率稳定性极好；采用FSK调制和解调，抗干扰能力强。

2.2.4综合比较分析

由于在系统设计时，需要考虑以下几个因素：系统的便携性、效率、功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等，综合比较以上几种方案。方案一中虽然可以满足设计的要求，且外围元件少，但不能直接连接单片机串口使用。数据需要进行曼彻斯特编码，这样可大大降低使用效率。方案二中是一个很理想的芯片，但考虑到工作电压要与单片机（MEGA16）工作电压相匹配，故不选择该方案。方案三更适合本设计的要求，所以采用方案三实现这个系统。

3.无线通信基本原理

3.1数字载波调制原理

数字调制与模拟调制本质并无差别，都是进行频谱搬移，都是为了有效传输信息。区别在于基带调制信号一个是数字的，一个是模拟的，数字基带信号有二进制数字调制与多进制数字调制两类。数字调制的种类很多，最常见也是最基本的调制方式有调幅（ASK）、调频（FSK）、调相（PSK）三种，本文采用的NRF401芯片就是调频（频移键控）方式。数字振幅调制抗噪声性能差，在低速数据传输中还有用的。调相在抗噪声性能上优于调幅和调频，而且信道频带利用率较高，因此在中、高速数传机中得到广泛应用。由于调制方式在接收端需要载波同步和定时再生，因而设备复杂。

3.2实现调制的方法

FSK有相位连续和不连续两种，分别记为CPFSK和DPFSK。所谓相位连续是指在一个码元内相位不产生突变，随时间平滑的变化，在码元转换时刻上，前后码元相位相等。

FSK信号的产生分为两类：

3.2.1直接调频法它是用数字基带矩形脉冲控制一个振荡器的某些参数，直接改变振荡频率，输出不同频率的信号。

3.2.2频率键控法频率键控法又称频率转换法，是用数字矩形脉冲控制。电子开关在两个振荡器之间进行转换，从而输出不同频率的信号。数字信号为，“1”时，正脉冲使控制门1接通，门2断开，输出fl：数字信号“0”时，门1断开，门2接通，输出频率f2。如果产生fl>f2的两个振荡器是相互独立的，则输出的2FSK信号相位是不连续的。这种方法转换速度快，波形好，频稳度很好。基带输入信号相加器输出e（t）。

3.3FSK信号的解调方法

数字调频信号的解调方法很多，有鉴频法、过零检测法、差分检测法、包络检测法、相干检测法，下面介绍包络检测法2FSK信号的包络检测方块图。

用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为fl及f2的高频脉冲，经包络检波后分别取出他们的包络。把两路输出同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。设频率fl代表数字信号1；f2代表0，则抽样判决器的判决准则应定为即vl-v2>0，判为1，若vl-v2<0，判为0。式中vl，v2分别为抽样时刻两个包络检波器的输出值。这里的抽样判决器，要比较vl，v2的大小。或者说把差值vl-v2与零电平比较。因此，有时称这种比较判决器的判决门限为零电平。

4.总结与讨论

在本系统研究过程中，无线通讯模块的PCB制作尤为重要，要妥善处理抗干扰等问题。另外，合适的数据通讯协议也是提高系统稳定性的重要因素。由于NRF401的接收灵敏度高，且采用的ISM公用频段，在干扰比较严重的场合，即使不存在任何发射器，在接收机的DOUT脚也存在速率大约为40kbit/s～50kbit/s的杂乱的噪声信号，UART对DOUT脚采样，不断产生串行中断，使接收机无法正常工作，在这种情况下可采用这样的方法：加长先导字段，接收机以一定的时间间隔开串行中断，中断程序先关中断再判断收到的是不是先导字段，如果是则正常运行接受程序，如不是向导字段，则丢弃数据中断返回。系统在实际应用中保证了工业现场稳定可靠的数据通信，成本低，具有很好的推广价值。

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