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

　　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(lèi)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：

　?。?）首先每次發(fā)送應(yīng)該有一個(gè)前置碼，通?？刹捎?01010101010……，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(kāi)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(kāi)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(jiàn)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1為nRF401在采用高增益天線時(shí)的典型應(yīng)用電路