一种应用于无线测量与控制系统的调制解调器

摘要：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USB2.0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GMSK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。

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[1-2]，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[3]，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[4] ，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FT245AM，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。



1 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[5]。

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[6]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(1 脚)：片内晶振输出端;
Xtal/Clock(2 脚)：外接晶体或时钟输入端;
ClkDivA、ClkDivB(3、4 脚)：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(11 脚)：接收信号输入端;
Vss(12 脚)：电源电压输入端;
BT (15 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(l9 脚)：发送数据输入端;
Rx Dala(20 脚)：接收数据输出端;
Rx CLK(2l 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[7]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+Ao*Txo;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[8]。如图5所示的微带双频单极子天线结构中，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：5.15G—5.82GHz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S11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。