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5.8G模塊短距離無線通信技術系統設計詳解

來源: 作者: 發布日期:2016-09-12 18:00:19 加入收藏 關注:
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        隨著無線通信技術的進步,現已經出現了其他新的短距離無線通信技術,短距離通信已然成為了無線通信技術的一個不可缺少的組成部分。現在比較受大眾關注的有無線技術有藍牙(Bluetooth)、紫蜂(Zigbee)、射頻識別(RFID)等。它們都被運用在短距離無線數據傳輸、自動識別等領域。本文在這種背景下設計了一個5.8G模塊短距離無線通信收發系統,以下來具體詳細解析。

 

1 電路設計

 系統概述

如圖1所示是本文所設計的5.8G模塊數據收發系統結構,它由三部分組成:收/發天線,收/發模塊和CPU。在數據通信中,下行模式時:天線接收5.8G模塊無線信號并將收到的射頻信號送往接收模塊恢復為基帶數據;恢復后的基帶數據再送往CPU進行相關的數據驗證及處理。上行模式時:CPU將需要發送的數據信號傳送給發送模塊;發送模塊將數據信號調制為5.8GHz調制信號,并傳送到天線進行發送。該系統設計中天線選擇一小尺寸微帶型天線,收/發模塊選用微波集成電路(MMIC)芯片CHR2244,CPU選用STA2051             1.jpg

微帶天線設計

該收發系統的天線采用縫隙耦合的微帶貼片天線實現寬帶圓極化和高增益的特性。天線結構如圖二所示。正方形貼片的邊長為21.7mm,被印制在一個厚度為O.4mm,介電常數為2.5的聚四氟乙烯介質板上面。

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饋線印制在厚度為h2,介電常數為ε2的介質中間。地面上的兩個耦合縫隙的長度分別為L1和L2,位于矩形貼片的下方,并且垂直于方形貼片的兩邊。已知隨著縫隙尺寸的增加,天線的諧振頻率會隨之下降,通過適當調節兩個耦合縫隙的長度,寬度和調節支線長度Lp,可以產生兩個幅度相等,相差90度的正交模,實現圓極化的設計目標。兩個介質板之間是空氣層,厚度為h   3..jpg

2 數據鏈路控制

圖五中,DATA_out和MOD端分別與處理器的高級數據鏈路控制器(HDLC)的傳輸數據輸入端(HRXD)和傳輸數據輸出端(HTXD)相連。HDLC主要有兩部分組成:接收部分(HDLC接收器)和發送部分(HDLC發送器)。它在數據通信中將對數據鏈路層進行控制,包括標志檢測和插入;零位檢測和插入;幀校驗序列產生和校驗等。HDLC的幀格式如圖六:

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HDLC中設置數據編碼格式為FMO;設上行鏈路數據傳輸速率是500kbps,下行為250kbps,HDLC設備所掛載的總線頻率為32MHz,發送通道分頻值為64,接收通道分頻值為128。

HDLC的接收:HDLC將CHR2244傳來的基帶信號經FM0解碼,根據前導碼完成對數字信號0、1的同步,如果檢測到幀開始和結束標志并且CRC正確,則把接收到的幀拷貝到接收緩沖區,然后產生接收中斷通知CPU。

HDLC的發送:CPU把數據填充到HDLC的發送緩沖區后,啟動HDLC發送。HDLC對數據進行零位插入,添加幀標記.計算CRC,產生前導碼和后導碼,最后經FM0編碼,通過HTXD遞交給CHR2244,HDLC發送完畢后,產生發送中斷通知CPU。

 

3 通信過程描述

對系統進行短距離無線通信測試,整個通信過程如圖七所示。描述如下:

一個已有收發系統作為基站A,本系統作為終端B。

1)初始狀態WK_in=O,T/R=O,MOD=0。

2)基站A不發送信號。這時系統B的SB_out=0,WK_in=O,系統處于睡眠狀態;

3)基站A以一定的時間間隔(如lOOms)重復發送一組250Kbps的5.8G模塊 AM信號。睡眠狀態下B接收到A傳來的AM信號,這時SB_out=1,CPU收到SB_out后,向WK_in輸出高電平,喚醒B,并置TR=0,系統處于接收狀態;接收狀態下B接收A傳來的AM信號,解調并由DATA_out輸出。CPU收到數據后檢查是否接收正確,如果接收正確,則準備向A反饋數據,這時置TR=l,系統處于發送狀態。CPU將需要發送的數據通過MOD腳傳輸給CHR2244,在CHR2244內進行FSK調制后由天線發出傳給基站A。數據發送完成后,CPU置TR=O,系統重新切換到接收狀態。

4)基站A收到來自B的數據,檢查是否正確,正確則表明通信成功。完成一次雙向通信。

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4 總結

系統按照3中所述進行室內測試,測試結果表明上下鏈路均能正常工作,可以完成短距離數據交互。若在此基礎上進行一些改進優化和應用程序的開發,系統將有望運用在一些實際的短距離無線通信領域中。

 

圖三給出了這種結構的右旋圓極化天線的回波損耗測試結果。采用FR4作為饋電介質板,聚四氟乙烯作為貼片介質板,厚度分別為1mm和0.4mm。方形貼片的尺寸為21.7mm×21.7mm。根據等功率分支線耦合器結構的設計要求,饋電網絡的帶狀線特性阻抗分別為50歐姆和35.4歐姆,在上述介質板參數條件下,對應的寬度分別為O.44mm和0.8mm。測試結果表明,此尺寸結構的天線實現了良好的匹配,2:1的VSWR帶寬超過了1.4GHz(24%,相對于5.8GHz的中心頻率)。從實驗結果可知,這種形式的天線采用對稱的耦合縫隙,用分支線耦合器作為饋電網絡,結構簡單,對制作工藝要求不高,實用性強。

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1.3 應答芯片描述

微波集成電路(MMIC)CHR2244是專為5.8GHz頻段設計的短距離通信應答芯片,工作頻段5.725GH z到5.875GHz。它包含了雙向通信所需的所有RF功能,所以外部只需要接一個天線即可使用。其接口與CMOS兼容。內部結構框圖如圖四所示。

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CHR2244具備三種工作模式,分別是:STANDBY(等待)模式,DOWNLINK(下行)模式和UPLINK(上行)模式。下行模式時可以接收、解調碼速率為250K一500K的5.8GHz AM信號,靈敏度高于一40dBm;上行模式時可以發送100K—lOM的FM信號。

5.8G模塊芯片沒有收到喚醒信號即WK_in=O時,系統處于等待模式,該模式下芯片功耗非常低。當射頻端RF_in無接收信號,等待狀態維持不變;當RF_in收到幅度調制信號(AM)時,鏈路將檢測出其中的數據信息,并通過SB_out輸出高電平信號到控制單元,控制單元由此信號并根據通信協議判斷是否需要喚醒CHR2244,如果需要,則控制單元向CHR2244的WK_in端輸入喚醒信號,則系統喚醒,否則不向WK_in輸入喚醒信號,系統繼續等待。

下行模式即為接收模式。當WK_in收到來自控制單元的喚醒信號(高電平)并且T/R=O時,系統將切換到接收模式。接收模式下,鏈路將對RF端收到的AM信號進行解調,并將解調后的基帶數據由DATA_out端輸送至控制單元。上行模式即為發送模式。當WK_in收到來自控制單元的喚醒信號(高電平)并且T/R=1時,系統將切換到發送模式。發送模式下,鏈路MOD端接收來自控制單元的基帶數據,RF_in端接收5.8GHz的載波信號(CHR2244自身不產生載波),將數據調制為5.8GHz載波上的FM調頻信號,由RF_out端輸出(RF_in,RF_out時分復用RF端口)。

1.4 接口設計

由前面的分析知,設計數據通信系統時可通過微處理器控制CHR2244的WK_in腳,使其處于激活或者睡眠狀態;通過控制T/R腳,使其處于發送或接收狀態;CHR2244接收到的數據由DATA_ou腳輸出至處理器;來自處理器的發送數據由MOD腳進入CHR2244。同時天線與CHR2244的RF端通過微帶傳輸線相連,系統原理圖如圖五所示。

 

  以上就是5.8G模塊短距離無線通信技術系統設計的全部內容。作為有望代替2.4ghz無線技術的技術之一的頻段,5.8GHz頻段是一個比2.4GHZ頻率更高、開放的ISM頻段,是有很大的開發價值的。

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