一种应用于无线测量与控制系统的调制解调器3200字
一种应用于无线测量与控制系统的调制解调器3200字 设计一款抗干扰性强、速率高的无线调制解调器，保证无线测控系统的性能。该系统采用集成了USB2.()接口的C8051F320作控制器，取代传统的控制器通过中 间转换器与USB接口分立连接的方法，调制与解调方式采用具有良好频谱和功率 特性的GJMSK模式，双频单极子天线经过平面化处理。仿真与测试结果表明，系 统具有良好的功率谱特性和较好的抗干扰性能，数据传输速率最高可达64kbps;
天线满足IEEE802.11a、b标准规定的WLAN两个频段要求。
摘要：
引言 作为无线测控系统中重要的组成部分，无线调制解调器需要具备高速化、可 靠性高、封装体积小等特性，已有的无线调制解调器解决方案，有的采用频移键 控(FSK)方式，其数据传输率不高，最高速率分别为20kbps和1.2kbps，而且FSK 方式虽然实现容易，抗噪声与抗衰减的性能较好，但是如果噪声源固定且与中心 频率相差不大，则对FSK很不利。也有的采用快速移频键控(FFSK/MSK)方式，其 最高数据传输速率为4.8kbps;还有采用四时四频调制(TFSK)方式，其信道稳定性 较差，通信速率不高(不足600bps)。
本文的无线调制解调器采用高斯滤波最小频移键控(GMSK)方式，其已调波相 位路径在MSK的基础上进一步得到平滑，把MSK信号相位路径的尖角平滑掉，因此 频谱特性相比FSK、MSK方式更佳，其最高数据传输速率可达64kbps;另外，采用 的射频芯片nRF401(见文献[2])所配置的天线一般是外接式直杆天线，而且采用 USB2.0接口设计时增加了一个协议转换集成芯片FT24SAM，不仅使系统成本会增 加，而且不适合于小型化封装。本文设计的印刷双频单极子天线不仅可以满足两 个频段要求，而且与其它元件一起印刷在电路板上实现集成，不会外露在板外， 实现低成本与集成化。仿真与测试结果表明，该无线调制解调器具有良好的功率 谱特性和较好的抗干扰性能，完全满足无线测控系统高速化、高可靠性的要求。
一、无线调制解调器设计1.1系统结构 如图1所示，系统工作流程为：需要控制远程设备时，控制器C8051F320通过 USB接口接收上位机送出的基带信号，并送至GMSK集成芯片FX589进行GMSK调制， 然后送给锁相环74HC4046进行FM调制，实现频谱搬移，最后经功率放大并送至天 线发射。而采集与接收数据的过程正好相反。
1.2 C8051F320控制器 C8051F320是新华龙公司提供的单片机，主要特点为：具有高速、流水线结 构的8051兼容的微控制器内核：全速、非侵入式的在片调试接口;通用串行总线 (USB)功能控制器：八个灵活的端点管道、集成收发器和1K FIFO RAM。
引脚标号除了第4、5脚与主机的USB接口通信外，其它都是与GMSK芯片FX589 相连：第1、2脚是数据收发时钟、第9脚设置接收载波检测电路的工作模式：第 29脚控制发送使能端：第15、16脚进行时钟分频值选择：第11脚是BT选择：第25、 26脚实现数据的收发，第13脚设置接收锁相环工作模式。
1.3 GMSK的调制与解调 GMSK是MSK的改进型。GMSK的基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波， 使基带信号形成高斯脉冲之后进行MSK调制，其频谱特性优于MSK和SFSK。
图3的FX589引脚中除了第11、16脚是与下一级FM调制解调电路进行数据收发 外，其它主要与C8051F320通信。
FX589是CML公司生产的专用于无线数据传输的单片集成同步调制解调器，其 数据发送和接收采用串行方式，使用全双工或半双工方式工作，具有很宽的数据 速率，其数据速率范围从4 kbps到64 kbps，可以通过片端编程实现数据速率和 BT选择(0.3或者0.5)。
主要引脚为：
Xtal(l脚)：片内晶振输出揣;
Xtal/Clock(2脚)：外接晶本或时钟输入端：
ClkDivA、ClkDivBf3、4却)：时钟分频值选择;
RXDCa(6脚)：设置接收载波 电路的工作模式：PLLacq(7脚)：用于设置接收锁相环的工作模式：
RxFB(10脚)：接收放大器反馈输出端：
RxSIN(ll脚)：接收信号输入端：
Vss(12脚)：电源电压输入端;
BT(1 5脚)：BT选择端;
TxOUT(16脚)：发送信号输出端;
TxEN(17脚)：发送使能端，高电平有效;
Tx Data(19脚)：发送数据输入端;
Rx Dala(20脚)：接收数据输出端;
Rx CLK(21脚)：接收时钟输出;
Tx CLK(22脚)：发送时钟输出。
1.4锁相环频谱搬移 锁相环频谱搬移电路主要目的是把GMSK低频信号搬移到高频段进行无线发 射。锁相环74HC4046主要由相位比较器(PD)、压控振荡器(VCO)、低通滤波器三 部分组成，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。
FM调制与解调电路各用一个锁相环，只是信号输入/输出接法不一样。FM调 制过程为：FX589输出的调制信号直接送到锁相环的VCO输入端第9脚Txo，则VCO 第4脚输出FM调制信号。该信号的频率Wvco就是以Wo(压控振荡器固有振荡频率) 为中心，随Txo信号幅度的变化而变化。而Wo由VCO第6、7脚的电容C25和第11脚 的电阻R8决定，调节使其等于发射信号的中心频率。VCO输出的FM调制信号频率 为：Wvco=Wo+AokTxo：其中Ao是增益系数，Txo是FX589提供的GMSK调制信号。
FM解调过程为：天线接收到的信号耦合到锁相环的14脚，调节锁相环的VCO 固有振荡频率等于调频信号载频，锁相环相位比较器产生的相位差在VCO输入端 产生与输入信号频率变化相应的电压变化，这个电压变化经锁相环74HC4046内部 源跟随器隔离后在压控振荡器的解调输出端第10脚输出FM解调信号。
1.5印刷双频单极子天线 印刷天线是一种用微带线和贴片作为辐射单元的特殊天线，不仅结构较为简单、体积结构尺寸小、重量轻，而且易于集成和印刷到电路板上。如图5所示的 微带双频单极子天线绪构中，右边较长的一个振子臂对应低频带：2.4G-2.55GHz 频段：左边较短的一个振子臂对应高频带：5.15G5.82GHz频段：单极子的这两个 臂分别印制在介质板左右两边，中间是微带馈线。介质板选取介电常数为3.38， 损耗正切值为0.0027，厚度为1.5mm的FR4材料。为了满足对天线特性的要求，馈 电点离单极子的距离为λ/4。具体的结构尺寸主要通过仿真达到阻抗匹配目的来 确定。采用电磁仿真软件Ansoft HFSS建模仿真，图6是Sll回波损耗曲线图，可 以看出天线两个频段的中心频率为：2.53G和5.38GHz，对应的回波损耗值分别是 -34.15dB和-38.35dB。
如图7所示可以看出：微带双频单极子天线在Phi=0度的辐射性较好，在 Theta=0度和-180度方向性较好，增益达到1.5dB，其中H面具有一定的全向特性。
二、调制与解调测试波形图 使用数字存储示波器(TDS1000)对GMSK调制与解调器进行测试。图8(a)是随 机存储的一段对数字信号进行调制的输出波形;图8(b)是FX589将锁相环的FM模 拟解调信号进行GMSK数字解调后的一段波形。可以看出：波形相位路径在MSK的 基础上得刭进一步平滑，它把相位路径的尖角平滑掉了，因此频谱特性相比FSK、 MSK方式更佳。
三、结束语 本文设计的无线调制解调器确保了无线测量控制系统的性能，其频谱特性相 比FSK等其它方式更佳，最高数据传输速率可达64kbps，远高于其它文献所描述 设计的无线调制解调器，且平面化印刷天线结构也使得系统在价格成本和集成度 上具有一定优势。