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。

2 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的基础上得到进一步平滑，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。

3 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。

参考文献：

　　[1]戴连栋，王用红，刘伟等，一种湖泊浮标近距离无线调制解调器设计[J], 水利信息化，2014,39(1):39—42

　　[2]肖铎,徐洁,杜鹏英，基于USB口的无线数据收发器[J],电子技术应用,2006,32(7):80—82

　　[3]吴砚愉，潘俊峰，刘雪芳，基于CMX469开发的无线调制解调器在远程统控防灾警报系统中的应用[J]，机电工程技术，2012,41(8)：208—210

　　[4]乔国荣，孟晓明，基于C8051f340的短波无线调制解调器的研究[J]，辽宁师专学报，2012,14(4):100—102

　　[5]新华龙电子有限公司，C8051F320datasheet [EB/OL].[2010-8-25]，http://www.xhl.com.cn/CN/ProductShow/Search.aspx cont=C8051F320

　　[6]CML，FX589 datasheet [EB/OL].[2011-12-25]. http://www.alldatasheet.com

　　[7] 车保川，屈百达. 基于74HC4046新型频率跟踪电路的研究[J]，现代电子技术, 2008(3)：188—190

　　[8] 李栋，石鑫，夏丰. 应用于超宽带通信的贴片六边形单极子天线研究[J]. 科学技术与工程, 2009,9(4): 878-883