低功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

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0 引言

在當(dāng)前的無(wú)線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域內(nèi),系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微型化、低功率是發(fā)展的趨勢(shì)與要求。在保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性、可靠性的前提下如何實(shí)現(xiàn)低功率條件下的長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是目前系統(tǒng)研究的主要問(wèn)題。文章在分析了影響無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的相關(guān)因素,如頻率選擇、抗多徑干擾、天線選擇、協(xié)議設(shè)計(jì)等,分析了在低功率、微型化無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這些影響因素的具體解決思路。以單片機(jī)AT89C5l和射頻芯片nRF401為系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心,提出了一種低功率、長(zhǎng)距離、系統(tǒng)功耗低的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案,并給出了系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用的基本方向與思路。

1 影響因素分析

在無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),頻段選擇、多徑干擾、天線選擇、協(xié)議設(shè)計(jì)等下列因素對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)與性能有著至關(guān)重要的影響。

1.1 頻段選擇

對(duì)一般的民用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而言,確定工作頻率的時(shí)應(yīng)該從兩方面考慮:一是所選擇的頻段應(yīng)在免申請(qǐng)的自由頻段內(nèi)頻率的:另一方面,頻率的高低與信號(hào)的傳輸損耗有關(guān),結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,2.4GHz免申請(qǐng)微波頻段成為首選頻段,nRF401芯片就工作在此頻段。

1.2 多徑干擾

目前2.4GHz頻段的通信設(shè)備越來(lái)越多,藍(lán)牙、HomeRF、DECT和無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)等這類無(wú)線通信形式一般都采用2.4~2.5GHz ISM頻段,這些具有相同或相近工作頻段的系統(tǒng)在某一特定的區(qū)域內(nèi),就會(huì)造成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的多徑干擾,成為影響系統(tǒng)可靠性的主要因素。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為了有效的降低多徑干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響,可采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)與擴(kuò)展頻譜通信技術(shù),根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低成本及微型化要求,可選擇FSK+DSSS來(lái)避免帶內(nèi)多徑干擾。FSK調(diào)制具有設(shè)備簡(jiǎn)單、調(diào)制和解調(diào)方便等優(yōu)點(diǎn),并且具有較好的抗多徑時(shí)延性能;DSSS系統(tǒng)采用偽隨機(jī)碼的相關(guān)解擴(kuò),只要多徑時(shí)延大于一個(gè)偽隨機(jī)碼的碼片,多徑就構(gòu)不成干擾,反而可以利用這一干擾能量來(lái)提高系統(tǒng)性能。

1.3 天線選擇

目前常用的微波天線有,外置式:1/4波長(zhǎng)鞭狀、1/4波長(zhǎng)伸縮式天線(振子螺旋天線組合)、螺旋天線:內(nèi)置式:微帶縫隙、微帶貼片、介質(zhì)、背腔式、鐵氧體式。其中內(nèi)置式天線在使用的頻段范圍內(nèi),可以使天線的有效增益盡可能增大,進(jìn)而提高無(wú)線傳輸距離;在保持有效增益的前提下,還要允許縮小尺寸和減輕重量。便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化設(shè)計(jì)。

1.4 協(xié)議設(shè)計(jì)

對(duì)于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而言,通信協(xié)議設(shè)計(jì)的是否得當(dāng),將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要的影響。以nRF401為例,其協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)要保證系統(tǒng)在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)處于休眠狀態(tài),降低系統(tǒng)功耗;同時(shí)還要考慮無(wú)線部分硬件不具備自動(dòng)喚醒功能的,在有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)能夠及時(shí)喚醒設(shè)備確保數(shù)據(jù)不丟失。nRF40l協(xié)議設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容如下:

(1)首先每次發(fā)送應(yīng)該有一個(gè)前置碼,通?刹捎101010101010……,持續(xù)一個(gè)給定的周期,這個(gè)前置碼是實(shí)現(xiàn)低功耗的基礎(chǔ)。

(2)接端平時(shí)可以開啟接收幾個(gè)毫秒,如果沒(méi)有收到規(guī)定的前置101010101010……,然后關(guān)閉約1秒,通過(guò)檢測(cè)前置碼而獲得同步。開關(guān)的時(shí)間比也就是工作的占空比,增加前置碼的周期可以減少工作的時(shí)間,從而減少平均工作電流。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于本次的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而,系統(tǒng)設(shè)計(jì)在保證系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,還要解決三個(gè)問(wèn)題:低功率、長(zhǎng)距離,低功耗。其中的低功率實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,因?yàn)閚RF401芯片本身的最大發(fā)射功率只有+lOdBm,同時(shí)在電路設(shè)計(jì)可通過(guò)合理設(shè)置R3(見圖1)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射功率。對(duì)于系統(tǒng)的低功耗要求可通過(guò)合理的協(xié)議設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)(上述2.4)。下來(lái)需要解決的主要問(wèn)題便是長(zhǎng)距離傳輸?shù)南到y(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。

2.1.長(zhǎng)距離傳輸實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方法有兩個(gè):一是加大功率來(lái)提高傳輸距離;二是采用高增益天線提高通信距離。

加大功率雖然可以有效提高傳輸距離,但同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)電流消耗增加,并且構(gòu)成系統(tǒng)的元器件數(shù)量也會(huì)增多,造成系統(tǒng)功耗及體積變大,不利于系統(tǒng)微型化和低功耗特性的實(shí)現(xiàn)。

而采用高增益天線來(lái)恰好可以避免上述缺點(diǎn),在這種方式中采集成天線,無(wú)需增加額外的功耗和增加外圍元件即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,其基本的理論依據(jù)如下:

采用OdB增益天線,理論上的數(shù)據(jù)傳輸距離為:

●f0:434 MHz(λ=0.69 m)

●Pt:10 dBm

●Gtx ant:0dB天線

●Grx ant:0dB天線

●S:-105 dBm

傳輸足巨離:R=λ/(4*π*10M)=30877m

其中:M=LP/20

LP=S—Pt—Gtx_ant—Grx_ant=-115dBm

這是理想狀況下的傳輸距離,實(shí)際的應(yīng)用中是會(huì)低于該值,這是因?yàn)闊o(wú)線通信要受到各種外界因素的影響,如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗,將上述損耗的參考值計(jì)入上式中,即可計(jì)算出近似通信距離。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖l為nRF401在采用高增益天線時(shí)的典型應(yīng)用電路

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,以Atmel 公司的AT89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器與該電路連接。由控制器發(fā)出控制信號(hào)改變TXEN端口的值,以改變nRF401 的收、發(fā)工作狀態(tài),nRF40l與AT89C51連接方式如下圖2示。

作者:王戰(zhàn)備 陜西理工學(xué)院 來(lái)源:電子技術(shù)


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