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USB2.0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GMSK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兩個頻段要求。

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^[1-2]，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^[3]，其最高數(shù)據(jù)傳輸速率為4.8kbps;還有采用四時四頻調(diào)制(TFSK)方式^[4] ，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)計時增加了一個協(xié)議轉(zhuǎn)換集成芯片F(xiàn)T245AM，不僅使系統(tǒng)成本會增加，而且不適合于小型化封裝。本文設(shè)計的印刷雙頻單極子天線不僅可以滿足兩個頻段要求，而且與其它元件一起印刷在電路板上實現(xiàn)集成，不會外露在板外，實現(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。

1 無線調(diào)制解調(diào)器設(shè)計

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，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;八個靈活的端點管道、集成收發(fā)器和1K FIFO RAM^[5]。

　　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)行時鐘分頻值選擇;第11腳是BT 選擇;第25、26腳實現(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[6]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現(xiàn)數(shù)據(jù)速率和BT 選擇(0.3 或者0.5)。

　　主要引腳為：

　　Xtal(1 腳)：片內(nèi)晶振輸出端;

　　Xtal/Clock(2 腳)：外接晶體或時鐘輸入端;

　　ClkDivA、ClkDivB(3、4 腳)：時鐘分頻值選擇;

　　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(11 腳)：接收信號輸入端;

　　Vss(12 腳)：電源電壓輸入端;

　　BT (15 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(l9 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(2l 腳)：接收時鐘輸出;

　　Tx CLK(22 腳)：發(fā)送時鐘輸出。