基于CC1000的射頻光傳輸模塊FSK通信設(shè)計(jì)[圖]

摘要：本文給出了一種基于CC1000 實(shí)現(xiàn)射頻光傳輸模塊FSK 通信的設(shè)計(jì)方法。在文中闡述了FSK 技術(shù)原理，介紹了CC1000 和MCU 的硬件接口電路，詳細(xì)討論了軟件的設(shè)計(jì)，并給出了程序流程圖。

1. 引 言

射頻光纖傳輸模塊（也稱(chēng)光端機(jī)）與移動(dòng)通信直放站設(shè)備相配合可以構(gòu)成移動(dòng)通信光纖傳輸直放站系統(tǒng)。早期射頻光纖傳輸模塊僅能完成射頻信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，沒(méi)有其它功能。

隨著移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商要求的提高，光纖直放站都需要有監(jiān)控功能。因此，模塊在原有基礎(chǔ)上，增加了FSK通信功能，可方便直放站系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸。本文講述了一款基于射頻收發(fā)芯片CC1000的FSK數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2. 光模塊工作原理

直放站天線(xiàn)收到的上行信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器將其調(diào)整到一定的電平，送入光發(fā)送端機(jī)，射頻光傳輸模塊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為光模塊）把上行信號(hào)和經(jīng)過(guò)FSK調(diào)制的監(jiān)控信號(hào)一起進(jìn)行光調(diào)制，并通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸。在收端光接收機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)，送至基站。監(jiān)控信號(hào)通過(guò)濾波器選頻從上行信號(hào)中分離出來(lái)，再通過(guò)FSK解調(diào)還原成數(shù)字信號(hào)；同理，由基站來(lái)的下行信號(hào)，送至光模塊進(jìn)行光調(diào)制，并通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸。在收端光接收機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)直放站放大器變?yōu)樗�需的功率電平信�?hào)，并通過(guò)雙工環(huán)型器由天線(xiàn)發(fā)射出去，從而構(gòu)成由光纖作為傳輸介質(zhì)的直放站系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3. FSK 電路設(shè)計(jì)

3.1 FSK 技術(shù)

FSK即"頻移鍵控"，它的英譯為"Frequency Shift Keying"。二進(jìn)制移頻鍵控記為2FSK。

它是數(shù)據(jù)通信中使用較早的一種通信方式。由于這種調(diào)制解調(diào)方式容易實(shí)現(xiàn)，抗噪聲和抗衰減性能較強(qiáng)，因此在中低速數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。根據(jù)國(guó)際電報(bào)和電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì)（ITU-T）的建議傳輸速率低于1200波特以下的設(shè)備一般采用FSK方式傳輸數(shù)據(jù)。在衰落信道（短波通信）中傳輸數(shù)據(jù)。

FSK調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生的工作原理是用載波的頻率變化來(lái)傳送數(shù)字消息。在2FSK中載波頻率隨著調(diào)制信號(hào)1和0而變化，1對(duì)應(yīng)f 1，0對(duì)應(yīng)f 2即：

其中： 1 w ＝ 1 2π f ， 2 w ＝ 2 2π f 。

二進(jìn)制里只有兩個(gè)數(shù)0和1，傳送1的時(shí)候用一種頻率，傳送0的時(shí)候用另一種頻率，這就是FSK的實(shí)質(zhì)。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

在此設(shè)計(jì)中采用的是無(wú)線(xiàn)FSK收發(fā)芯片，但采用光纖傳輸?shù)姆绞�，因�(yàn)楣饫w傳輸受外界影響小，并且在傳輸過(guò)程中光損小，傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)線(xiàn)傳輸距離。由于無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的種類(lèi)和數(shù)量比較多，選擇無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片時(shí)應(yīng)考慮需要以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量和芯片成本等。CC1000是基于ChipcON公司的SmartRF技術(shù)制造的可編程、半雙工超高頻單片收發(fā)器芯片, 它主要是為315、433、868和915MHz的ISM和SRD設(shè)備所設(shè)計(jì)，可以編程工作在300～1000MHz范圍之間的任一頻率上。同時(shí)其靈敏度可達(dá)-109dBm , 可編程輸出功率-20 ～10 dBm ,FSK調(diào)制數(shù)據(jù)率最高可達(dá)76.8kBaud ,可在2.7～3.3V低電源工作，具有250Hz步長(zhǎng)可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議。主要工作參數(shù)都能通過(guò)串行總線(xiàn)接口編程改變，使用非常靈活。

在此設(shè)計(jì)中在本系統(tǒng)中對(duì)CC1000 的性能要求如下：

① 調(diào)制速率：9.6Kbps② 編碼方式：NRZ 碼③ 傳輸模式：異步傳輸 UART 模式④ 頻率設(shè)置：發(fā)射中心頻率 433.916MHz，“1” 433.948MHz “0” 433.884MHz接收本征頻率 433.766 MHz⑤ 調(diào)制頻偏：±32KHz⑥ 載頻頻率穩(wěn)定度：±25ppm（即±10KHz）⑦ 接收靈敏度：≤-90dBmMCU與CC1000 的硬件接口電路如圖2 所示。MCU使用3 個(gè)輸出管腳用于接口(PDATA、PCLK、PALE)，PDATA 必須是雙向管腳用來(lái)讀回?cái)?shù)據(jù)，另一個(gè)雙向管腳用于待發(fā)送的數(shù)據(jù)DIO 和接收數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)定時(shí)的DCLK 應(yīng)與微控器輸入端相連，本文中CC1000 采用異步傳輸U(kuò)ART 模式，DIO 用于數(shù)據(jù)輸入與MCU 串口TX 連接，DCLK 用于數(shù)據(jù)輸出，與MCU 串口RX 連接。其余管腳能用來(lái)監(jiān)視LOCK 信號(hào)在管腳CHP_OUT，當(dāng)PLL 鎖定時(shí)該信號(hào)為邏輯高電平。當(dāng)使用一個(gè)外接終端電阻時(shí)，RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）電壓能通過(guò)A/D 測(cè)量出，可以檢測(cè)接收信號(hào)強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)應(yīng)注意：要求使用雙面PCB 板，地平面放在底層以減少射頻信號(hào)的輻射和串?dāng)_，接地管腳應(yīng)使用單獨(dú)的過(guò)孔，盡量靠近封裝管腳接地，去耦電容也應(yīng)盡量靠近電源腳放置，并通過(guò)單獨(dú)的過(guò)孔與接地層相連，外圍元件越小越好最好使用表面固定裝置。

4. 軟件設(shè)計(jì)

整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收如框圖 3 所示。MCU 通過(guò)串口0 把上位機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，組幀后，由串口1 傳給CC1000，通過(guò)射頻發(fā)射機(jī)傳出，遠(yuǎn)端MCU 依據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)的處理，并重新組幀，傳給近端的上位機(jī)。

4.1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

為了區(qū)分噪聲和保證數(shù)據(jù)的可靠性，數(shù)據(jù)幀的格式如下：

① 同步碼：這是一個(gè)連續(xù)的“0”和“1”（二進(jìn)制）交替信號(hào)（按字節(jié)，0x55），比特?cái)?shù)由CC1000 中寄存器MODEM1 中的SETTLING[1:0]來(lái)設(shè)置，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

這個(gè)信號(hào)的作用在于減少與真實(shí)的載波信號(hào)類(lèi)似的信號(hào)的干擾，并實(shí)現(xiàn)接收端和發(fā)送端幀同步，CC1000 接收端只有正確接收到這個(gè)信號(hào)，并鎖定均值濾波器（LOCK_AVG_IN=1），后續(xù)信號(hào)才會(huì)有效。在此設(shè)計(jì)中SETTLING[1:0]為00，即11bit。

②前導(dǎo)碼：0xFF（即“1”持續(xù)高電平）。

③有效數(shù)據(jù)：需要傳送的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

④結(jié)束碼：0xFF（即“1”持續(xù)高電平）。

4.2 數(shù)據(jù)收發(fā)程序設(shè)計(jì)

在通信過(guò)程中 CC1000 具有3 種狀態(tài)：IDLE（空閑）、RX（接收數(shù)據(jù)）、TX（發(fā)送數(shù)據(jù)）。整體上看，這是個(gè)具有3 種狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)模型，狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換見(jiàn)圖4。由于CC1000 為半雙工通信模式，因而RX 和TX 兩個(gè)狀態(tài)具有互斥性。

串口數(shù)據(jù)的接收由中斷完成，串口0 收到數(shù)據(jù)觸發(fā)接收中斷，并將接收數(shù)據(jù)緩存到緩沖區(qū)Buffer0。串口1 接收中斷根據(jù)同步碼，前導(dǎo)碼和結(jié)束碼來(lái)判斷并緩存有效數(shù)據(jù)，其流程見(jiàn)圖5。只有當(dāng)接收端收到5 個(gè)同步碼之后，才可將接收數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)內(nèi)。為了防止突發(fā)的亂碼，當(dāng)接收的有效數(shù)據(jù)超過(guò)900 時(shí)，仍為收到結(jié)束碼，則判定此幀數(shù)據(jù)無(wú)效，因而在使用中應(yīng)當(dāng)避免數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)的發(fā)送分為兩部分：CC1000 發(fā)送數(shù)據(jù)和向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。CC1000 發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中應(yīng)該考慮CC1000 收發(fā)的互斥性以及前導(dǎo)碼和結(jié)束碼的發(fā)送時(shí)間。CC1000 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖見(jiàn)圖6。程序中設(shè)置為每次發(fā)送三次前導(dǎo)碼和結(jié)束碼，因此在向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中要剔除掉緩沖區(qū)中多余的前導(dǎo)碼和結(jié)束碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。

4.3 數(shù)據(jù)環(huán)形緩沖區(qū)

MCU 程序的重要部分為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。緩沖區(qū)數(shù)據(jù)隊(duì)列示意圖如圖7 所示，可以把數(shù)組想象為一個(gè)環(huán)形，而不是直線(xiàn)形，采用這種方式，當(dāng)從隊(duì)列中添加或刪除記錄項(xiàng)時(shí)，對(duì)首將持續(xù)沿著數(shù)組追逐到隊(duì)尾，因而可以無(wú)限制的前行，但是仍呆在一個(gè)限定的圓圈內(nèi)。

在不同的時(shí)間，隊(duì)列將占用數(shù)組的不同部分，但永遠(yuǎn)都不用擔(dān)心會(huì)超過(guò)這個(gè)空間之外，除非數(shù)組被徹底的占滿(mǎn)，在這種情況下，稱(chēng)為溢出。在本設(shè)計(jì)中采用*BufferHead 和*BufferTail跟蹤出隊(duì)（即數(shù)據(jù)的發(fā)送）和入隊(duì)（即數(shù)據(jù)的接收）的數(shù)據(jù)，當(dāng)兩個(gè)指針指向同一位置時(shí)，表示緩沖區(qū)空，即數(shù)據(jù)已發(fā)送完。

5. 結(jié) 論

FSK 通信的穩(wěn)定性是射頻光模塊的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它直接影響到直放站工作的可靠性。此系統(tǒng)的測(cè)試方法如下圖8 和圖9 所示。測(cè)試中所用的光衰作用是模擬實(shí)際工程中，光纖的長(zhǎng)度所產(chǎn)生的光損。測(cè)試方法1 要借助PC 機(jī)的兩個(gè)串口COM1 和COM2，通過(guò)PC機(jī)上的COM1 連續(xù)發(fā)送有規(guī)律的數(shù)據(jù)包，在另一端COM2 接收；同時(shí)COM2 發(fā)送數(shù)據(jù)包，COM1 接收。統(tǒng)計(jì)發(fā)送數(shù)據(jù)包和丟失數(shù)據(jù)包的數(shù)量，測(cè)試數(shù)據(jù)量不小于1000 幀，即可計(jì)算誤幀率。

測(cè)試方法2 和測(cè)試方法1 有所不同，方法2 只需要1 個(gè)PC 機(jī)串口，直接把光模塊2 的串口0 的RXD 和TXD 短接。這種方法比較簡(jiǎn)單，而且具有更高的可靠性。

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在18dB光衰時(shí)，誤碼率≤10的負(fù)3次方，通信效率高和可靠性高的特點(diǎn)，并且已在實(shí)際中使用，取得了令人滿(mǎn)意的效果。