（光学工程专业论文）中低速短距无线图像传送系统.pdf

浙江人学硕上论义 y 8 7 7 1 8 7摘要 摘要 本课题主要设计并调试了基于零中频技术的无线图像传送系统，并探索性地 提出了基于u w b ( u l t r a w i d eb a n d ) 的高速无线图像传送方案，对数字式无线 图像传送系统设计和性能测试进行了较深入的研究。论文在介绍当今短距无线领 域主要技术的基础上，完成了以下工作： 一方面设计并且实现了中低速无线数字图像传送系统。该系统主要基于零中 频技术原理，在主芯片w e 9 0 5 的基础上，结合自动频率控制电路、滤波电路、 信号放大电路等功能电路实现无线通信。具体由计算机通过串口r s 2 3 2 将压缩 好的图像数据送入图像传送系统，利用零中频技术将其耦合到9 0 0 m h z 频率的载 波上，经由双工器送入天线，最终进入无线信道，接收端功能类似。在完成设计 的基础上，通过系列实验对系统参数进行验证调试，对相关数据和实验波形进行 分析，进一步完善系统功能。 另一方面，为了进一步提高数据传送率，满足多媒体数据流传送要求，在课 题的后期探索性地提出高速无线图像传送系统设计方案，拉近与当今无线图像传 输前沿技术的距离。该方案主要基于u w b 技术原理，在飞斯卡尔的x s l l 0 芯片 组实验板上实现软硬件设计，以期达到短距离范围内高速率的无线通讯。 相对于传统的模拟图像传送系统，基于零中频技术的中低速无线图像传送系 统具有体积小、成本低、抗干扰能力强、信息不易泄漏的优势。基于u w b 技术 的系统设计方案在数据传送率上有较大突破，有望满足多媒体数据的传送要求。 关键词：无线图像传输、零中频、超宽带 浙江大学硕士论文 a b 砒翔c t a b s t r a c t aw i r e l e s si m a g et r a i l s m i t t i n gs y s t e mb a s e do nz e r o i fi sd e s i g n e d an e wi d e a r c a l j z e db yu l t r a w i d eb a l l dt c c l l n o l o g yi sa l s op u tf o n v a r d 1 1 l ed e s i 印a 1 1 dt e s t i n g i d e a so fd i g i t a lw i r e l e s si m a g et r 蛐s m “虹n gs y s t e ma r es t u d i e d 0 1 1t l l eb a s i so f i n 订o d u c t i o no fm a i nt e c l l n o l o g i e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e a ，t 、oa s p e c t sh a s b e e nf i n i s h e d ： al o ws p e e d 埘r e l e s si m a g et r a n s m i t t i n gs y s t e mi ns h o r td i s t a n c ei sd e s i g n e da 1 1 d r e a l i z e d t h es y s t e mb a s e do nt l l ep r i n c i p l eo fz e r o i fi sr e a l i z e db yw e 9 0 5c h i p c o m b i n e d “t ha f c ( a u t o m a t i cf 1 e q u e n c yc o m r 0 1 ) c i r c l l i t 、p o w e ra r n p l i 母c i r c u “ a n ds oo nt oc o m m u n i c a t e t h ep r o c e s si sd e s c r i b e di nd e t a i l s ：s i 印a l sf 如mp c 唧 t r a n s m i t t e dt o 晰r e l e s ss y s t e m ，c o u p l e di n 也ec a i c ro f9 0 0 m h z 舶q u e n c y ，a i l dr c a c h t 量l ew 王r e l e s sc h a n n e l sv i aa i l t e l l n a b e s i d e s ，s o m ee x p 甜m e n t sa r ed e s i 辨e dt oa n a l y z e a i l dv e r i f yt h ep e r f o n a n c eo fc i r c u i t ，细曲e ri m p r o v e m e m sb e i n gm a d ea c c o r d i n gt o t h er e s u h s o nt h eo t h e ra s p e c t ，an e wi d e aw l 正d li sr e a l i z e di nx s l l oc h i p s e te x p e f i m e n t b o a f di sp u tf o m 枷t h ea d v 锄t a g eo f t h i ss c h e m ei sl l i g hd a t ar a t e 、h i c hc a l ls “s f y m en e e do f c o n s u m e r s d i g h im o d eh a sm 柚ya d v 姐t a g e s ，c o m p a r e dw i m 衄d i t i o n a la i l a l o g 谢r e l e s s i m a g et r a i l s m i 札i n gs y s t e m ，s u c ha sb e i i l gs t r o n gi 1 1n o i s ye n v i r o n m c n t ，g o o ds e c u r i t y p r o p e r t i e sa n ds oo n k e yw o r d s ：w i r d 船si m a g et r a n s m i t i i n g ，z e m - i f u w _ b i i 浙江大学硕士论文 1 1 背景意义 第一章概论 随着新兴无线通讯技术、低价位无线设施、网际网路的普及化，加速了无线 网路的发展，使无线通信变得越来越普及。因此，消费大众能够以全新的方式， 在工作环境中、家里及旅途中，使用电脑及其他个人电子配备，如图1 1 1 所示。 一圈、 ， 、， 口、 、一、协窜训 l j 、一一一一一，一 图1 1 1 无线消费使用模型 无线通信技术因其免去了使用实体接线，为生活带来诸多便利。其中短距离 无线通信技术作为无线通信的一个发展趋势，一直应用于物流和消费电子产品领 域，主要实现计费和监测功能。今后，随着i p v 6 的发展，它的作用将会越来越 多地体现出来。在无所不在的网络中，短距离无线技术主要应用于无线个人局域 网和无线局域网两个方面。 浙江大学硕士论文 等等。另外由于其低功耗的特点，要求u w b 有很高的功效比，但也较大限制了 u w b 的通信距离。 三、n f c 技术 n f c 技术是由p h i l i p s ，n o k i a 和s o n y 主推的一种非接触式射频识别的短距 离无线通讯技术。它不仅满足了任何两个无线设备间的信息交换和内容访问，并 且使之更为简约只要任意两个设备靠近而不需要线缆接插，就可以实现相互 间的通信【6 l 。 n f c 具有成本低廉、方便易用和更富直观性等特点，而其技术局限性主要 体现为以下两点：( 1 ) n f c 的数据传输速率较低，不适合诸如音视频流等需要 较高带宽的应用：( 2 ) 安全性也是近距离无线通信中值得密切关注的问题 4 1 。 四、i e e e 8 0 2 1 l b 技术 i e e e 8 0 2 1 1 b 是一种无线通讯协定，属于短距离无线通讯技术。它速率最高 可达5 4 m b p s ，在电波的覆盖范围方面比“蓝牙”略胜一筹。最大传送距离可达 1 0 0 米左右，主要为移动设备接入l a n ( 局域网) 、w a n ( 广域网) ，以及互联网而 设计 7 1 。 但是i e e e 8 0 2 1 1 b 在误码严重的时候数据速率会迅速回落，使它很难突破数 据速率上的瓶颈，并且它仅与老式d s s s 系统后向兼容，却不兼容基于f h s s 的 8 0 2 1 1 网络，随着网络应用中视频、语音等关键数据传输需求越来越多，速率问 题将会成为i e e e 8 0 2 1 l b 进一步发展的主要障碍。除此以外i e e e 8 0 2 1 l b 在安全 x 浙江大学硕上论文 但是其数据传送率太低，不能满足图像传送的要求。 1 4 主要任务 由于现有的短距无线图像传送系统主要有以下几点不足：1 、高速无线图像 系统要么价格太高，普通用户无法购买；要么功耗太高，无法用普通电池供电； 2 、低速无线系统数据传送率无法满足图像传送的要求；3 、市场中的无线图像系 统大多数是模拟的，在抗干扰和保密方面有一定缺陷。所以有必要对低成本的数 字式无线图像传送系统进行研究。在定位本课题研究对象时，主要考虑两点：1 、 技术上采用无线手段实现数字式图像信息的传送；2 、必须低成本。 一、硬件系统的搭建 在主芯片w e 9 0 5 的基础上搭建系统，实现中低速的无线数字图像传送。具 体由计算机通过串口r s 2 3 2 与图像传送板进行通信，将压缩好的图像数据送给 w e 9 0 5 ，利用零中频技术将其耦合到9 0 0 m h z 频率上，通过双工器，送入天线进 入无线信道。在w e 9 0 5 基础上，配合锁相环电路、自动频率控制电路、信号放 大电路等实现硬件系统，并且通过系列实验对系统进行验证调试。 二、u w b 系统设计方案提出 在初期方案形成时，基于u w b 技术无线芯片尚未面向市场。随着技术的进 步完善，在课题的后期选用u w b 技术进一步拓展该无线图像传送系统，显著提 高了其数据传送率。在飞斯卡尔的x s l l 0 芯片组的基础上，探索性地提出新的 无线图像传送设计方案，拉近与当今无线图像传输前沿技术的距离。 浙江大学硕士论文 2 1 预期系统结构 第二章方案论证 图2 1 1 无线通信网络拓扑结构 从网络拓扑的角度来看( 如图2 1 1 所示) 无线图像传送系统能够与计算机 进行点对点通信，一台计算机对应多个相同的无线系统，这种一对多的关系构成 了散射式无线网络，其通信覆盖面锁定在楼宇范围内【1 2 1 。 图2 1 2 无线监控节点通信图 6 1 园国 国i 口 自 习囤 浙江大学硕上论文 图2 1 2 中初步设想了课题设计的无线图像传送系统通信方式。其中虚线矩 形框中即为无线图像传送系统，它正与一台计算机进行图像数据通信。该系统主 要实现两个功能：1 、对准备传送的无线图像信息进行压缩编码，使其数据量和 传送格式能够适应无线信道的恶劣环境；2 、将传送的基带信号耦合到一定波段 上，使其在无线信道中传送不至于衰减太多，控制信道的误码率。 2 2 方案对比与分析 一、零中频技术 图2 2 1 基于零中频技术的无线传送系统 基于零中频技术的无线系统框图如图2 2 1 所示，其功能模块介绍如下1 1 3 】，1 2 4 1 i1 2 9 ： 电脑眼负责图像采集和图像信号的a d 转换； 电脑眼输出的图像信号由d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 编码压缩1 4 】，【1 5 1 ，【1 9 】； t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 通过多通道缓冲串口实现与w e 9 0 4 模块的接口，实现 w e 9 0 4 模块的配置，并且将编码后的图像信号以r s 2 3 2 协议的信号格式输 送到w e 9 0 4 模块，经调制后发送出去； 接收端的w e 9 0 4 模块输出t t l 电平的信号，经过r s 2 3 2 电平接口的电平转 换后由串口输入p c 机； p c 机将收到的图像信号解码并显示出来。 1 、芯片特点 舰9 0 4 7 浙江大学硕士论文 w e 9 0 4 为新加坡w i n e d g e 公司的芯片，主要用于无线数据和图像信息的传 送。它采用f m f s k 方式接收发送，不仅外部引脚少，封装小，而且能够提供高 性能的射频发送接收解决方案。 t m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2 运算速度快，可为3 0 5 3 2m i p s ； 低功耗方式；t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 核可在3 3 v 、2 5 v 、1 8 v 甚至1 2 v 的低电 压下工作； 支持单指令循环和块循环，采用六级流水线，将指令周期降到最小 凭借这些技术特点，该款芯片可以高效地实现无线通信系统中的各项功能，适用 于无线移动设备。 2 、方案优缺点 优点：( 1 ) 适用于低速的图像传送； ( 2 ) 可实现性较高，而且可以配合实验室现有设备进行相关实验测试； ( 3 ) 成本较低，且实现内部网络的无线通信，适用于短距离 缺点：数据传送速率不是特别高，还不能像u w b 技术那样具有传送多媒体流体 的功能 二、 “蓝牙”技术 图2 2 2 基于“蓝牙”技术的无线通信网络 8 浙江大学硕士论文 图2 2 2 是一个基于“蓝牙”技术的无线监控系统，要实现该系统，必须作以下 三方面的准备工作： 选定摄像头类型和配套的图像处理芯片； 选定“蓝牙”组件或芯片：主要从技术支持的角度选定“蓝牙”组件或芯片； 选定嵌入式处理器芯片：主要衡量其性能能否实现本地图像处理控制、“蓝 牙”高层协议，以及“蓝牙”组件或芯片之间的接口等功能。 图像处理芯片主要对图像数据进行压缩编码，使其适应无线信道的传送。这 里既可以选择专用的图像处理芯片，也可以选择t i 公司的6 7 1 l 系列的d s p ，通 过设计压缩编码算法，来达到预期的目的。而嵌入式处理器芯片现在市场上有很 多选择，比如说a l t f l 、d s p 等等都能够实现图像处理控制和“蓝牙”高层协议。 其中采用p c 机通过u s b 2 0 与d s p 通信，不仅结合了压缩和控制功能，还能方 便地实现软件对系统的可视化控制。设计人员主要结合技术要求选择“蓝牙”组 件和嵌入式处理器芯片。 1 、 芯片特点 “蓝牙”芯片b c 2 1 2 0 1 5 v f b g a 封装，面积仅为5 x 5 毫米； 带有u s b 和u a r t 接口； 实现基带d s p ，无线电和片上r i s c 微控制器功能： 支持h 4 ，h 5 和b c s p h c i 传输协议； r a m3 2 k b ，程序存储器8 m b ； 工作温度4 0 1 0 5 c ：，可用在蓝牙手机的主板和非蓝牙手机的蓝牙适配器。 t m $ 3 2 0 c 6 7 1 1 它是t i 公司推出一款高性能3 2 位浮点d s p 芯片，最显著的特点就是其数 据处理功能非常强大，所以在图像处理领域有着较大的应用潜力。其时钟速度为 1 5 0 m ，处理性能可达9 0 0 m f l o p s ，操作灵活，可使用c 或c + + 语言来编译，但 是该款芯片的i o 功能要求有限。 2 、 方案优缺点 优点：技术已经成熟，开发工具和手段完善 9 浙江大学硕士论文 缺点：( 1 ) “蓝牙”价格较高，每片“蓝牙”技术芯片约2 0 美元，使得在控制成 本上有较大的缺陷，而且不易于提高消费者对产品接受度； ( 2 ) 在相同传送距离的条件下，“蓝牙”技术的功耗是三个方案中最高的； ( 3 ) 从长远的发展趋势来看，蓝牙极有可能被u w b 或者o f d m 等技术 替代，而且其数据传送率也不利于进一步提高 三、u w b 1卜 下 h o s t 寸影 m a c p h y p 珏y b a s e b a n d r f n p p l j c a t i o n c h i pc h i p 1 卜 有删莎 图2 2 3 基t - u w b 无线发送模块结构 图2 2 au b l i n k 模块：芯片与天线 图2 2 3 显示的是以色列w i s a i r 公司u b 系列两片实现u w b 数据传送的解 决方案。组成该芯片组的两片芯片分别为：1 、m a c p h y 混合功能芯片：2 、p h y 射频发送芯片。图2 2 4 则是w i s a i r 公司的设计模块成品，除了在这两片芯片的 基础上进行相关设计，还有天线设计、m a c 软件设计、控制和管理应用接口的 设计等其它工作。该款芯片组符合i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准。支持同步接收发送音频 或视频信号、宽带多媒体和双向实时信道通信。不仅可以提供高比特速率，而且 1 0 浙江大学硕士论文 能够很好的平衡数据传送量和范围之间的关系，从而达到高水平性能指标。除此 以外，该款芯片还支持不同的拓扑结构，例如点对点、点对多点、主从网络等， 因此能够支持很大范围的娱乐和数据计算应用。当外围设备添加或移除时，该芯 片组都能自动进行相关配置，不会因此报错。 1 、芯片特点 u b l i n k 模块 比特率：5 5 4 8 0 m b p s ( 未来可达到1 g b p s ) ： 根据选择的比特率不同，通信距离在1 0 米到3 0 米的范围内变化； 功耗约为2 0 0 m w ( 根据具体选择的比特率定) ； 与一般使用环境和条件下的其他无线系统和服务相兼容； 系统工作时低功耗，休眠立即进入节电状态； 自动配置功能； 2 、方案优缺点 优点：( 1 ) 传送的数据率高，能够满足多媒体图像数据实时传送的要求： ( 2 ) u w b 技术能够兼容以前的无线技术，不至于产生资源浪费； ( 3 ) 芯片本身的功耗低，能够在电池供电情况下长久使用 缺点：u w b 技术还存在一个国际标准统一的过程，现在还无法确定哪种会成为 工业界的最终选择； 2 3 系统总体结构 p c 机 夺 无线模块 争岭 天线 图2 3 1 系统方案总体结构 经过对三种方案的比较分析，最终确定的系统总体结构如图2 3 1 所示，它 浙江大学硕士论文 由三部分构成，其中p c 机主要实现对图像的压缩编码；无线模块将基带信号耦 合到高频载波信号；天线用来发送或接收无线信号。考虑到“蓝牙”技术的发展 限制和价格劣势，无线模块采用零中频实现，结合u w b 技术方案改进系统功能， 这样不仅能够实现预期的中低速无线通讯，而且为数据传送率的进一步提高做好 准备。 最终方案简要介绍如下：图像数据由p c 机进行处理，使之能够适应无线信 道的恶劣环境，降低信息的误码率，提高准确率；经过处理后的图像信息经过 p c 机的串口传送到无线收发模块，耦合到9 0 0 m h z 频段的载波上，通过天线发 送到空间。与此同理，对空间中图像信息的接收，可以是上面过程的逆过程。在 该中低速短距无线图像传送系统中，研究工作重点主要是：数字式无线收发模块 的设计和调试；结合u w b 技术设计另一种实现方案，进一步提高无线通信的数 据传送率，其中第一项为课题的主要任务。在后面的章节里，将详细阐述其实现 原理和设计过程。 1 2 浙江火学硕士论文 第三章中低速短距无线图像传送系统设计 3 1 系统设计原理 图3 1 1 系统连接原理图 图3 1 1 所示为数字式无线图像传送系统与p c 机之间的连接关系。具体通 过并行口对无线图像板的主芯片进行参数设置编程，然后用串行口来传送压缩后 的图像信息。由于本系统定位为中低速范围内的短距图像传送系统，故串口的传 送速度能够满足需求， 根据前面的分析，确定系统总体电路主要在w e 9 0 5 芯片的基础上搭建相应 的外围电路和天线收发系统，故在设计时主要考虑以下几个方面： ( 1 )由于天线接收到的信号已被衰减，在将信号接入w e 9 0 5 时，必须对信号 进行放大，这样可以尽可能避免误判； ( 2 ) 由计算机串口送出的图像信息怎样被锁相环锁住，顺利发送； ( 3 ) 如何对w e 9 0 5 芯片进行控制，实现所需功能。 3 2r s 2 3 2 标准接口 所谓标准接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通用化。不 浙江大学硕士论文 同类型的数据通信设备通过借助串行通信标准接口，可以很容易实现相互之间的 串行通信连接。标准异步串行通信接口有以下几类：r s 2 3 2 、r s - 4 4 9 、2 0 m a 电 流环。其中r s 2 3 2 是由美国电子工业协会( e i a ) 正式公布的、在异步串行通 信中应用最广的标准总线。该标准规定了2 1 个信号和2 5 个引脚，包括一个主通 道和一个辅助通道。对于一般双工通信，仅需几条信号线就可以实现，包括一条 发送线、一条接收线和一条地线。本系统中即采用r s 一2 3 2 。 r s 2 3 2 规定的数据传输速率有5 0 、7 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、 4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 b s 。信号传输速率为2 0 k b s 时，最大传输距离为1 5 m 。传输 距离短的原因有两点：l 、受到电容负载影响：2 、r s 2 3 2 属单端信号传送，存 在共地噪声，不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于短距离通信。除此以外， 由于r s 2 3 2 的逻辑0 电平规定为+ 5 v + 1 5 v ，逻辑l 电平规定为一1 5 一5 v ， 因此在与1 v r l 电路接口时必须经过电平转换。综合以上描述，r s 2 3 2 接口主要 有以下缺点： 1 、数据传输速率慢；对某些同步系统来说，不能满足传送速率要求。 2 、传送距离短。r s 2 3 2 接口的一般装置之间电缆长度为1 5 m ，即使有较好的 线路器件、优良的信号质量，电缆长度也不会超过6 0 m 。 虽然r s 一2 3 2 有上述缺点，但是由于本设计中采用异步通信，而且其传送距 离也没有超出r s 一2 3 2 的极限，所以选用r s 一2 3 2 不会对通信构成影响。 3 3 锁相环路( p l l ) 3 3 1 锁相环的结构 p l l 由鉴相器( p d ) 、充电泵、环路滤波器( l p f ) 和压控振荡器( v c o ) 构 成。组成模块中可以包含不同数量的模拟电路和数字电路，甚至可以是全数字电 路。但不论一个p l l 是由模拟电路或数字电路组成，主要产生一个与参考时钟 频率相同的时钟信号并使其相位与参考时钟对齐。 1 4 浙江大学硕士论文 3 3 2 锁相环的工作原理 图3 3 1 锁相环结构【1 5 l 当锁相环处于锁定状态时，鉴相器的两输入端一定是两个频率完全一样但有 一定相位差的信号。如果它们的频率不同，则在压控振荡器的输入端会产生一个 控制信号使压控振荡器的振荡频率发生变化，最终使鉴相器的两输入信号( 一个 是锁相环的输入信号v i ，一个是压控振荡器的输出信号v o ) 的频率完全一样， 则环路系统处于稳定状态1 1 5 】。 在p l l 环路处于失锁状态时，参考时钟的上升沿与v c o 输出时钟的上升沿 之间存在一个相位差，这个相位差经过积分之后，反馈回来控制v c o 的输出频 率，使之向参考时钟的频率靠近，一旦p l l 进入“锁定”状态，鉴相器检测出来 的相位误差就接近0 ，此时v c o 的频率和相位都与参考时钟的频率和相位对齐。 3 3 3 锁相环的作用 锁相环除了能够锁定参考频率，还有其它作用：1 、倍频功能，由于鉴相器 只对分频后的v c o 输出信号与参考时钟进行比较，故p l l 的实际输出频率比参 考频率高n 倍，从而可以实现倍频f 1 6 1 ； 2 、p l l 可将反馈路径上存在的分布时 钟信号与参考信号对齐，这样就能够有效减小由时钟分布引起的延迟【1 7 1 【3 0 1 。 3 3 4p l l 的功能影响因子 p l l 的许多性能因素都会影响其设计，例如环路不稳定、可跟踪的频率范围 不够、锁定问题以及静态相差等，其中最重要的和最难处理的一项就是输出抖动 【l l 】。它是在噪声影响下，导致p l l 输出时钟相位与理想值不符，所产生的一个 浙江大学硕士论文 时变偏移。抖动不仅会破坏建立时间，严重影响内部定时通道的工作，而且还会 破坏片外接口的建立和保持时间，从而导致数据传输发生错误。所以为了尽可能 降低或消除抖动，必须对其影响性能因子进行分析。 输出抖动主要由电源噪声和基板噪声造成。这两种噪声与数据无关，且都可 能含有很宽范围的频率成分。一般情况下，基板噪声中所含的低频成分没有电源 噪声那么多，但在最坏的条件下，p l l 中的电源噪声和基板噪声电平分别可以达 到电源额定电压的1 0 芹n5 。并且基板噪声的确切值取决于芯片加工中所使用 的基板特性，因此许多芯片在加工过程中都采用将轻掺杂晶体用于与之同类的重 掺杂基板上的工艺，降低死锁的风险。 电源噪声和基板噪声都会引起v c o 的输出信号的频率和相位发生变化，而 这种相位变化一个周期接一个周期地累积，直到噪声脉冲变弱或p l l 将这种噪 声引起的频率误差纠正过来。但是由于p l l 纠正这种频率误差的速度受环路带 宽限制，因此当噪声信号为低频的方波时，p l l 中参考信号和输出信号之间的相 位误差也会一个周期接一个周期地累积，最终引起严重的输出抖动。若p l l 为 欠阻尼，那么频率处于环路带宽附近的噪声所带来的抖动会更严重。另外，如果 输入参考信号发生抖动，而且这个抖动的频率也位于环路带宽附近，那么p l l 会将这个抖动放大，欠阻尼时，这种现象尤为明显，所以对其性能进行测试跟踪 很有必要。实际应用中，也从各个角度提出多种测试方案【1 8 l 。 3 4 系统电路设计 总体电路设计如图3 4 1 所示，系统在w e 9 0 5 芯片的基础上构建，主 x 浙江大学硕士论文 图3 4 1 系统总体电路图 3 4 1r s 一2 3 2 电平转换电路 图3 4 2r s 一2 3 2 接口 1 7 浙江大学硕士论文 表3 4 1r s - 2 3 2 各脚定义 管脚简写意 义 p i n lc d载波检测( c a r d e rd e t e c t ) p i n 2r x d 接收字符( r e c e i v e ) p i n 3t x d 传送字符( t r a n s m i t ) p i n 4d t r数据端就绪( d a t at e r m i n a lr e a d y ) p i n 5g n d地线( g r o u n d ) p i n 6 d s r数据就绪( d a t a s e t r e a d y ) p i n 7r t s 要求传送( r e q u e s tt os e n d ) p i n 8c t s 清除传送( c l e a r t os e n d ) p i n 9r i 响铃检测( r i n gi n d i c a t o r ) 由于在所设计电路中只用到串口的2 、3 、5 脚，所以仅对这三个引脚的功能 进行说明： r x d ：该引脚负责接收传送过来的远程信息。在接收的过程中，由于信息是以 数字形式传送的，用户可以在调制解调器的r x d 指示灯上看到明暗交错，这是 由0 、1 交替导致的结果，也就是电位高低所产生的现象； t x d ：该引脚负责传送计算机打算发送出去的信息。在传送的过程中，由于信息 是以数字形式传送的，用户可以在调制解调器的t x d 指示灯上看到明暗交错， 这是由0 、1 交替导致的结果，也就是电位高低所产生的现象； g n d ：该引脚为地线，作为计算机与调制解调器之间的准位参考。r s - - 2 3 2 信 息在传输上采用单向式的信号传送方式，信号的电压准位由参考地线准位提供， 因此两端设备的地线准位必须一样，否则会产生地回路，导致信号因准位的不同 而产生偏移，造成信息的错误。 由于r s - - 2 3 2 为负逻辑，即逻辑0 电平规定为+ 5 v + 1 5 v ，逻辑1 电平规 定为一1 5 一5 v ，因此在与t t l 电路接口时必须经过电平转换。 图3 4 3 电平转换电路 1 8 濒江大学硕士论文 由于r s - - 2 3 2 接口与w e 9 0 5 的逻辑电平值不匹配，如果要将r s - - 2 3 2 引入 的信息送给w e 9 0 5 进行处理，必须要使用一个电压转换装置使得电压匹配。系 统中采用m a x c 2 3 2 来进行电压转换。根据m a ) ( 2 3 2 的工作原理，将由r s - 2 3 2 引出的a u d i oi n i 和a u d i oo u t l 分别接在m a x 2 3 2 第8 脚和第7 脚上，将 第1 0 脚和第9 脚接在w e 9 0 5 的接收和发送的两个引脚上。 3 4 2 电源转换电路 图3 4 43 3 v 电压转换 啪 v o t r 幔 b 吐 。一 v c e li 上口7 勰i 藤鬻澍一 k c 伸 t c 单p q i t c 蝴o b ， f 1 0 u f ； l 时 图3 4 55 v 电压转换 由于系统需要3 3 v 和5 v 供电，所以必须对2 2 0 v 市电进行相应的电压转换。 图3 4 4 为 x 浙江大学硕士论文 3 4 3 缓冲保护电路 i 】_ l 姐 1 2 0 i v c c v c c 卜u 1 9c l k lc l k2 矗l 。 q t 1 8m l ej 摹 1 6 。d a nj d 砻 1 7触t a l 5 蠡奎 鼻” 7 d 季麓 辩 l i - d 彭 n 氍 】3 埘 q 董 ”9 醐 聃 1 0 二 鳓 图3 4 6 缓冲保护电路 缓冲保护电路是基于保护的目的而设计的，主要为了防止不必要的引脚短路 造成对主芯片的破坏，本系统采用7 4 h c 5 7 3 来达到缓冲目的。当电路f 常的时 候，数据传送在7 4 h c 5 7 3 只是一个缓冲，不会造成影响；但是一旦串口接线处 出现短路问题，导致电流过大，那么也只是烧坏7 4 h c 5 7 3 ，从而断开了数据传 送线路，避免对主芯片造成破坏性的影响。 3 4 4 天线收发电路 对l l b ib mj b c 5 5 。麟 _ 丑 ，r ，l| |3 鬃蘸4 黧 ? j 糊蘸 j j i 血 | | 上 飞吵 c 中 c 5 3 l 嘶f 26 i i i i 9 獯 j + 豁 | 爨 1 i i i l 9 c 撕 y。艘l 嘲 泽 t 蛳u t t ，v 、m。 | i l ，l x ； 蒸 7+ i 脚c 5 7 h f b a m | ；_ 岛i i 蠹l r 漏f e 姐 p e o1 蝴 j = c 5 8 c 细 j 却fu 卸f = _ = 图3 4 7 天线收发电路 收发两路信号，如果分开处理，使得电路板的体积增大，成本增加。所以在 浙江大学硕上论文 本系统中采用双工器将收发信号整合到一根天线上，实现相同功能。天线收发电 路中双工器采用b 4 0 6 3 ，其中2 脚是t x 的地端，5 脚和7 脚则是天线的地端，4 脚和8 脚为c a s 胡b 的地端。t x 端的中心频率是9 2 4 m h z ，r x 端的中心频率是 9 0 0 m h z 。外围电路中l 9 和c 5 9 、l 1 l 和c 5 3 均为l c 滤波器，主要为了保证前 后电路的阻抗匹配。而c 5 5 、c 5 8 、c 5 9 、c 5 6 ，c 5 7 、c 5 3 均为去耦电容，它们 分别并联相接，可以在更宽的频谱分布范围内降低电源网络产生的开关噪声。之 所以两个或两个以上电容并联，是因为多个去耦电容不仅能提供更宽的频谱范 围，而且能提供更宽的布线以减小引线自感，有效改善去耦能力。除此以外还能 提供6 d b 增益以抑制有源器件开关造成的射频电流。 双工器通过l c 滤波器与天线相连，前面已经阐述了l c 滤波器的功能，所 以在天线的选择上，必须要注意阻抗匹配。天线的技术参数包括天线的频率范围、 口径、极化、天线方向性图以及垂直面( e ) 的各向增益值和水平面( h ) 的各 向增益值等，表3 4 2 为系统选用天线的技术参数。 表3 4 2 天线技术参数 频率范围 8 9 0 m h z 9 6 0 m h z 标称阻抗 5 0 0 h m 工作带宽7 0 m h z 极化垂直极化 增益 2d b方向全向天线 3 4 5 功率放大电路 图3 4 8 功率放大电路 2 l 浙江大学硕士论文 基于w e 9 0 5 的片上射频功率放大电路有差分增益作用，能够提高发送射频 信号的功率至3 d b m 。差分输出阻抗在9 1 5 m h z 频段上接近9 0 0 欧姆o 9 p f i 上图 中的l c 网络将差分输出转换为单端输出信号。其中r 3 0 = 3 3 欧姆时，输出功率 可以增加到+ 3 d b m ，而r 3 0 = 8 2 欧姆时，能量将会降至一1 0 d b m 。 3 4 6 信号放大电路 图3 4 9 信号放大电路 由于经过了无线信道传送，天线接收到的信号不仅强度衰减很多，而且其中 混入大量杂散信号。如果不经过处理就送入主芯片，必定会产生大量判定错误。 为了控制误码率，必须对接收的有用信号进行放大滤波。图3 4 9 选频放大电路 就是为了实现这个目的。其中去耦电容c 5 l 和c 5 2 、c 4 7 和c 4 8 、c 5 0 和c 4 9 分 别两两并联相接，可以在更宽的频谱分布范围内降低电源网络产生的开关噪声： l l o 和c 4 9 、l 7 和c 4 8 、l 7 和c 4 4 构成l c 滤波器，主要为了保证前后电路的 阻抗匹配，使信号不至于反射损耗；三极管q 1 、q 2 则主要起信号放大作用，这 样使送入主芯片w e 9 0 5 的有用信号振幅足够判断要求；c 4 4 、c 4 5 、c 4 3 组成一 个滤波网络，滤除噪声信 x 浙江人学硕士论文 3 4 7 a f c 控制电路 v d d 图3 4 1 0 自动频率控制电路 在零中频接收系统的直接转换过程中，接收的射频信号与接收端l o 频率之 间的差别会产生一个拍频。如果这个拍频在工作频率范围内，它将会通过接收滤 波器，在信号的输出端造成不必要的干扰，导致有用信号衰减。a f c 的主要功 能就是通过调整参考晶振来减小射频信号与接收l o 信号之间的差异。持续的跟 踪使得r x 的l o 信号与r x 的射频信号不会相差太远，从而使得拍频的频率十 分低。基带直流偏移纠正电路和外部的滤波器可以很容易就判断出拍频信号，将 它作为噪声信号滤除。a f c 根据频率偏移量，通过v d d 和r 1 8 、r 2 0 提供直流 校正信号，其校正范围至少是晶振公差的两倍。图3 4 1 0 中的电路功能具体解释 如下： 1 、c 7 、c 8 、c 9 、c 1 0 和c 3 2 ，其中c 9 、c 1 0 和c 3 2 最后总值为c 9 ； 根据负载电容和驱动水平来确定c 7 、c 8 和c 9 。一般来说对于1 2 m h z 的晶 振期望的负载电容为1 8 p f 。而电路所能提供的负载电容，也就是c 7 、c 8 和c 9 的总电容值。所以3 4 3 表决定c 7 、c 8 、c 9 、c 1 0 和c 3 2 的值。 浙江大学硕士论文 发送端锁相环利用直接调制方法，在射频载波( 由软件通过并行总线接口设 定) 上调制基带信号，其调制电压直接作用于锁相环路滤波器。它的压控振荡控 制电压通过两个内部共极变容二极管调节压控振荡器的工作频率，对频率没有固 定的二值分配，因此发送端的压控振荡频率与发送频率相同。由图3 4 1 1 所示， 接于t v c o 两个引脚的外部存储电路由l l 和l 2 组成，用于确定压控振荡器的 中心频率：连接在t p l l 引脚的外部p l l 环路滤波网络由c 1 、c 2 、c 3 、c 4 、 r 1 和r 2 组成，主要作用是滤除v c o 控制电压的杂散干扰。 图3 4 1 2 接收信号锁存电路 接收端锁相环的压控振荡器与发送端锁相环类似，也是通过两个内部共极变 容二极管调节v c o 的工作频率，并且其载波频率亦由软件通过并行总线接口设 定。但与发送端不同的是：它在一个平衡模式下工作，其工作频率为接收端本地 晶振频率的两倍，即工作频率除以系数2 ，为9 0 度相移下变频混频器提供本地 晶振。由图3 4 1 2 所示，l 3 和l 4 组成的外部的存储电路决定接收端压控振荡器 的中心频率：连接在r p l l 引脚的c 1 7 、c 6 9 和r 9 组成的外部p l l 环路滤波网 络，可以滤除影响压控振荡器控制电压的干扰因素：连接在a f c c 脚的电容c 6 3 和c 6 4 为解耦电容，配合a f c 脚的r c 网络决定了a f c 集成环路的响应时间； i 3 l 用来确定主芯片中频滤波器的上边沿频率( 下边沿频率固定在8 k h z ) ，由于 该滤波器的主要作用是通过中频信号，滤除上变频混频器中由本地晶振带入的谐 波分量，所以可以通过改变r 3 1 的值，进一步改变带宽。 锁存电路中的c 7 1 和r 3 6 、c 7 0 和r 3 5 分别构成判定接收和发送端频率锁 定的测试点，在第四章中的实验中会涉及到其具体应用。 浙江人学碗十论文 2 、频率定量计算和实际调整 由上可知，连接在t v c o 和r v c o 脚，由两个电感组成的外部存储电路， 决定了发射端v c o 中心频率。具体计算公式如下： 册o ：三m2 1 ，【( 2 矾) 2 c r 卜三一一三” ( 公式3 4 1 ) 丘p c - o ：三r w d = l ( 4 巧厶) 2 c 月卜三p 一三肿 其中：办，厶分别为发送和接收频率； c ，= 5 1 妒，c r = 2 2 矿，分别为t v c o 和r v c o 的总的内部电容； 三。= 2 6 n h ，为t q f p 一4 8 封装的寄生电容； 三。，表示连接i c 芯片引脚和电感之间连线的电感值，若连线宽度为 o 2 m 聊，在9 0 0 正比频率下导线的电感值约为：o 7 柑m 研。 根据公式计算，初步确定电感值为l 1 = l 2 = 3 9 n h ；l 3 = l 4 = 1 9 n h 。实际中，可 以选用相应大小的电感或者采用微带线的方法实现所需电感大小。一般来说，前 者比较简单易行，但是由于布线会产生误差，所以在实际实现时，必须通过实验 进一步确定实际电路频率。后者由于在布线时已经考虑到导线本身的电感效应， 所以要比前者精度更高，但是计算过程十分复杂。考虑到主芯片能在一个较宽的 频率带上工作，选用第一种方法确定电路 x 浙江人学硕士论文 3 4 1 0 其它 图3 4 1 5 基带低通滤波电路 基带低通滤波电路( ( i q ) f i l ( i ”电路如图3 4 1 5 所示，其中i 取值1 、2 、3 ， 分别代表一阶、二阶和三阶基带低通滤波器。一阶基带低通滤波器由s a l l e n k e y 滤波器构成，提供低噪声模型和增益以及宽的动态输入范围，目的是滤除超出通 信频段的干扰。电路图中连接在( i q ) f i l l 脚外的r 1 4 和c 2 7 、r 1 2 和c 2 8 等r c 电路用来设置转脚频率。二阶和三阶基带低通滤波器由有效的传导型滤波器构 成，与一阶基带低通滤波器结合，提供所需的信道灵敏度，并且减小所需信号带 宽外的噪声和信道连接干扰。 图3 4 1 6 直流偏移校正环路 如图3 4 1 6 所示，接在引脚d c i 和d c q 外的两个3 3 0 n f 外部电容主要用于 直流偏移校正。高通滤波器的闽值可以通过调整电容的大小改变，两者呈反比关 2 8 浙江大学顾士论文 系。但是，高通滤波器的阈值不能低于1 0 0 h z ，那样会导致自动增益控制模式的 不稳定。 3 5 芯片介绍 1 b 4 0 6 3 引脚图： 等电, 7 5 锅堍 塑。予驴 图3 5 2 引脚功能图 引脚描述 6 天线 1 发送 3 接收 5 ，7 天线地 2 发送端地 4 ，8 可选，接收端地 特点 用于无线电话的射频集成双工器； 在5 0 欧姆条件下，工作不需要匹配网络： 浙江大学硕士论文 采用陶瓷表面封装； 引脚镀有n i 和金。 功能图 图3 5 3 发送频率响应 2 劓峭2 3 2 特点：单5 v 电压工作； 3 0 v 输入电平： 低电源电流：典型值是8 m a ； c m o s 技术； 图3 5 4 接收频率响应 浙江大学硕士论文 接收滤除噪声： 2 个驱动器和2 个接收器； 符合甚至优于a n s i 标准e i a t i a 一2 3 2 e 及i t u 推荐标准v 2 8 。 引脚图： 功能图： 6 船 i l o l j t 扪融 辩1 0 l f r t 撕 了2 斟 昭斯 应用： 电池供电系统； 终端； 调制解调器； 计算机： 陬：未*珏妊浙 浙江大学硕士论文 麟豢 潼鬻鬻黼至刻黔割引荆簌 娄鲤辏雪单而拼：霉蕈驯型毋司誊舅氨i 免掣 罨 轮篓鄹畦秭酗镑，l ”羞一；目；。薹 茎j 粪翮l i 百 匐争 定篱粲g 萋蛸l l 酬嚣