（测试计量技术及仪器专业论文）无线通信技术及其在流速仪检定系统中的应用研究.pdf

摘要 摘要 随着通信技术和计算机技术的不断发展，人们对通信的要求越来越高，作为目前非常流行的无 线通信技术得到了广泛的关注。在许多= 业领域中，利用无线技术来实现通信的功能将会是未来的 一个发展方向。本人研究的是无线通信技术及其在流速仪检定系统中的应用。通过对无线通信技术 进行研究，实现。j i 业控制检测中对不同传输速率和通信距离的无线数据传输，并且结合具体的工程 实践项目米对无线通信技术在实际工程中应心中的可靠性和实时性进行研究，使系统能满足具体一l 业控制的通信要求。 论文对短距离无线通信技术进行了研究。包括系统的组成、性能指标以及影响无线传输的主要 冈素；另外对数字调制技术、差错控制和通信协议等无线数据传输的关键技术进行了讨论。然后从 蓝牙技术入手，分析了蓝牙的核心协议与串行电缆替代方案。采用英国c s r 公司的b l u e c o r e 2 芯片 模块与a t 8 9 s 5 2 设计了蓝牙数据传输系统，设计的通信系统经过实验证明能广泛的应用于替代l ：业 控制领域1 0 米范围内的串行电缆，并可以用于流速仪检定车功能模块扩展时的通信补充。 论文结合流速仪检定系统具体1 ：程需求，采用i 心9 e 5 无线微功率芯片来解决流速仪检定小乍 与控制室的通信，详细地介绍了硬件电路、软件设计和通信协议，以及如何采用跳频通信技术来抗 干扰设计。通过试验表明此设计的系统可以较好的完成通信任务，通信距离和通信速率实时性都能 够满足要求。 根据流速仪检定系统的实际工程需求，论文中介绍了为水梓 设计一套无线视频监控系统，详细 地阐述了器件的选型和安装凋试。在视频监控系统安装后对姻e 5 无线微功率通信系统造成干扰 的情况下，介窒f i 了使用串口服务器与无线网桥来实现流速仪检测数据的传输，把流速仪检定系统的 数据通信与视频监控系统完美的结合在一起，并对系统的抗干扰措施进行了说明。 经过实验证明，本论文中设计的二个无线通信系统可以根据实际工业数据传输的要求分别应j j 在不同的j ：业控制检测领域，性能可靠对丁扩腥无线通信技术在1 ：业中的戍用具有重要的意义。 关键词：无线通信技术，蓝牙技术，n r f 9 e 5 ，流速仪检定，无线视频监控，串口服务器 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，p e o p l en e e db e t t e rc o m m u n i c a t i o n t oe a c ho t h e r a sap o p u l a rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sa t t r a c t e db r o a d a t t e n t i o nn o w i n8 e v c i a lf i e l d so fi n d u s t r y ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi san e wd i r e c t i o ni nt h e f u t u r e 、枷a tt h i sp a p e rs t u d i e di st h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n di ti sa p p l i e di nc u r r e n t - m e t e rc a l i b r a t i o n s y s t e m n ep u r p o s ei sp a s s e db ya n a l y s e dt h ec r e d i b i l i t ya n dr e a l t i m e l yf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t om e e t st h ea p p l i c a t i o no ft h ed i f f e r e n tb a u dr a t ea n dd i s t a n c ei nd a t aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ew i r e l e s ss h o r td i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi ss t u d i e d t h ec o n s t r u c ta n d l 把l - f o r m a n o eo ft h i ss y s t e m ，a n dt h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tw i r e l e s st r a n s m i s s i o nh a v eb e e ns t u d i e d t h e c r i t i c a lt e c h n i q u e ss u c ha sd i g i t a lm o d u l a t em o d e ，c t r o rc o n t r o l ，a n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa r ea l s o d i s c u s s e d a f t e rt h a t ，t h eb l u e t o o t hc o r ep r o t o c o l si sa n a l y s e d ad a t aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t o m ， w h i c hu s e df o rs u b s t i t u t i n gt h es e r i a lc a b l el e s st h a n1 0m e t e r s ，h a sb e e nd e s i g n e db yu s i n gc s r s b l u e c o r e 2c h i pa n da r 8 9 s 5 2 i tc a nb eu s e df o rt h ec o m m u n i c a t i o ns u p p l e m e n tw h e nt h ec u r r e n t - m e t e r c a l i b r a t i o nc a r sf u n c t i o nm o d u l ee x p a n d f r o ma n a y l y s e dt h er e q u i r e m e n to ft h ec u r r e n t m e t e rc a l i b r a t i o ns y s t e m ，aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e md e s i g n e db yu s i n gs o cc h i pn r f 9 e 5 t os o l v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc u r r e n t - m e t e r c a l i b r a t i o n so a ra n dc o n t r o l - r o o m i nt h i sp a p e r ，t h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h es o f t w a r ed e s i g na n dt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa r cd e t a i l e di n t r o d u c e d t os o l v eh i g hb i tc i t e rr a t ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， t h ef r e q u e n c yh o p p i n gt e c h n o l o g yi su s e df o ra n t i i n t e r f e r e n c e 1 n h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h i ss y s t e mi s e f f i c i e n t ，t h ed i s t a n c ea n dt h es p e e do fc o m m u n i c a t i o nc a ns a t i s f yt h ed e m a n do ft h i sw i r e l e s ss y s t e m 1 1 l et h e s i si n t r o d u c e dt h ew i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m sd e s i g n ，w h i c hu s e di nc u r r e n t - m e t e r c a l i b r a t i o ns y s t e m t h ea p p a r a t u ss e l e c t i o na n di n s t a l l a t i o n ，t h es y s t e md e b u g g i n ga l ep r e s e n t e di nd e t a i li n t h i sp a p e r a f t e rt h ew i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi n s t a l l e d i tw a si n t e r f e r e e dt h ew i r e l e s sd a t a c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nu r f 9 e s w eu s e ds e r i a l s e r v e ra n dw i r e l e s sn e t - b r i d g et oi m p l e m e n tt h e c u r r e n t - m e t e r sd a t at r a n s m i s s i o n s ot h a t t h ed a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fc u r r e n t - m e t e rc a l i b r a t i o na n d w i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma r et i e di np e r f e c t l y 1 1 1 ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e m e n t sf o rs y s t e ma l e d i s c u s s e da l s oi nt h i sp a p e r t h r o u i g ht h ee x p e r i m e r i t ，t h et h r e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h i sp a p e r sd e s i g nc a na p p l yi n d if f e r e n ti n d u s t r yc o n t r o lo rd e t e c td o m a i n ，w h i c hp e r f o r m a n c ea r er e l i a b l e c a np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n e x t e n d i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi na p p l i c a t i o ni nt h ei n d u s t r y k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ，n r f 9 e 5 ，c u r r e n t - m e t e r c a l i b r a t i o n ，w i r e l e k sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，s e r i a l s e r v e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：丝盖耸导师签名： 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及现状 第1 章绪论 自从1 8 9 6 年意大利入马克尼发明无线电报以来，无线通信技术就慢慢地融入到人们生活当中， 早在8 0 年代，基于模拟信号传输的第一代模拟通信系统诞生，并投放市场，以美国的a m p s ( 高级 移动电话系统) 为代表，当时，a m p s 在全球的市场份额达到5 6 ，处于优势地位。模拟系统存在 着频谱利用率低、容量小、保密性差、难以提供非话业务、制式不统一等缺点。进入9 0 年代后，由 于第二代数字通信系统在射频调制、多址方式、语音编码、信道编码和数字信号处理、控制信道、 保密和确认等方面都采用了数字技术，有效地克服了模拟系统存在的各种缺点，增加了系统容量， 改良了信号品质，提高了通信的保密性、安全性，增加了网络中的智能性以适应人量用户的移动性， 而渐渐取代了模拟通信系统，以欧洲的g s m 为代表，目前，大多数用户用的都是g s m 系统。到了 本世纪，第三代移动通信技术得到了迅猛的发展，由于国际上目前尚无一个标准的协议，因此，只 能说还不成熟，相信在未来几年内，第三代移动通信系统将取代第二代数字通信系统【1 2 】。 无线通信技术分为短距离的无线通信和长距离的无线通信，我们把长距离的无线通信技术称为 移动通信，而常常所说的无线通信技术主要是指短距离的无线通信技术。目前，短距离无线通信技 术的实现技术主要有i r d a 、蓝牙技术、h o m e r f 、z i g b e e 、i e e e 8 0 2 1 l 、u w b 和微功率短距离无线 通信七种。 1 i r d a 技术 i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ：红外技术) 是一种利用红外线进行通信的点对点通信的技术。该 无线协议由成立于1 9 9 3 年的红外线数据标准协会制订。i r d a 经历了一段不短的发展时间，传输速率 也已经从开始的f i r ( f a s ti n f r a r e d ：快速红外协议) 的4 m b p s 上升为现在最新的v f i r ( v e r yf a s t i n f r a r e x t ：特速红外协议) 的1 6 m b p s ，接收角度也由传统的3 0 度扩展到了1 2 0 度。 i r d a 的主要优点是无需中请频率的使刚权，冈而红外通信成本低廉。他还具有移动通信所需的 体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。由于数据传输率较高，适于传输人容量的文件和多 媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。 i r d a 的不足在于它是一种视距传输，传输距离不能太远，2 个相互通信的设备之间必须对准， 中间不能被其他物体阻隔，不能穿墙，因而该技术只能用丁2 台( 非多台) 设备之间的迮接，无法灵 活的构成网络。此外i r d a 也无法控制信息的传输进度。尽管i r d a 存在这些不足，但是由于其小型 化和低成本，也在手机和电子商务等产品中具有一定的市场。i r d a 目前的研究方向是如何解决视距 传输问题及提高数据传输掣3 4 1 。 2 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 蓝牙无线技术是在1 9 9 4 年由爱立信公司提出，1 9 9 8 年爱立信、诺基砸、东芝、i b m 、i n t e l 等公 司联合开发了蓝牙1 0 标准，于1 9 9 9 年7 月向全球公布。在短短儿年里，全球已有2 5 0 0 多家公司先后 加盟b l u e t o o t hs i g ( 特别利益集团) ，该组织采取了向产业界无偿转让该项专利的策略，以实现其全 球统一标准的目标。 监牙技术属于一种短距离、低成本的无线连接技术，是一种能够实现语音相l 数据无线传输的开 放性方案；蓝牙技术产品是采刚低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，其传输速 率最高为每秒1 m b s ，以时分方式进行全双_ f j = 通信，通信距离为1 0 米左右，配置功率放人器可以使通 信距离进一步增加。 蓝牙产品采用了跳频和短分组技术，能够抗信号衰落，有效地减少同频干扰，提高通信地安全 性；采川前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰：监牙通信采川的是2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r ys c i e n c em e d i c i n e ) 工业频段，具有全球可操作性，省去了申请专用许可证的麻 东南大学硕士学位论文 烦。目前，蓝牙设备在无线耳机、无线键盘等领域应用较多，加上蓝牙技术组网灵活，使蓝牙技术 成为现在无线通信技术的一个热点【5 一。 3 h o m e l 心 h o m e r f 主要为家庭网络设计，旨在降低语音数据成本。h o m e r f 对流业务规定了高级别的优先 权并采用了带有优先权的重发机制，这样就确保了实时性流业务所需的带宽和低干扰、低误码。 h 伽e r f 工作在2 4 g h z 频段，采用数字跳频扩频技术，跳频速率为5 0 跳秒，共有7 5 个带宽为i m h z 的 跳频信道。在2 f s k 的调制方式下，最大数据传输率为i i b p s ，在4 f s k 的调制方式下，最大数据传输 率为2 m b p s ，采用了、b f h ( w i d eb a n df r e q u e n c yh o p p i n g ) 技术后峰值数据传输率可达1 0 m b p s 。 基本可以满足未来的家庭宽带通信。 h o m e r f 把共享无线接入协议( s w a p ) 作为未来家庭联网的技术指标，基于该协议的网络是对 等网，因此该协议主要针对家庭无线局域网。其数据通信采用简化的i e e e 8 0 2 1 l 协议标准，沿用类 似与以太网技术中的冲突检测的载波监听多址技术( c s m a c a ) 。语音通信采用d e c t ( d i g i t a l e n h a n c e dc o r d l e s st e l e p h o n y ) 标准，使用t d m a 时分多址技术。 不过由于h o m e r f 技术没有公开，目前只有几十家企业支持，在抗干扰等方面相对应其他技术 而言尚有欠缺，因此注定它没有广泛的应用前景【7 ，8 9 1 。 4 z i g b e e z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝 牙之间的技术提案。它此前被称作“h o m e r fl i t e ”或“f i r e f l y ”无线技术，主要用于近距离无线连 接。z i g b e e 主要专注于低传输率的应用，它的数据传输速率只有1 0 k b p s 2 5 0 k b p s ，有效覆盖范嗣在 l o 米至7 5 米之间，每个z i g b e e i 网络最多可支持2 5 5 个设备，使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z 及 9 1 5 m h z ，均为免执照频段。 根据z i g b e e 联盟目前的设想，z i g b e e 的应用主要有p c # b 设( 鼠标、键盘、游戏操控杆) 、消费类 电子设备( t v 、v c r 、c d 、v c d 、d v d 等设备上的遥控装置) 、家庭内智能控制( 照明、煤气计量控 制及报警等) 、玩具( 电子宠物) 、医护( 监视器和传感器) 、工控( 监视器、传感器和自动控制设备) 等非常广阔的领域i l 。 5 i e e e 8 0 2 1 l 作为全球公认的局域网权威，正e e8 0 2 t 作组建立的标准在过去2 0 年内在局域网领域独领风骚。 i e e e ( 电气和电子- t 程师协会) 于1 9 9 7 年发布了8 0 2 。l l 协议，主要片j 于解决办公室局域网和校岗网 中的用户与月j 户终端之间的无线接入。i e e e 8 0 2 1 l 业务主要限于数据存取，传输速率最高只能达到 2 m b l m 。由于i e e e 8 0 2 1 l 在速率上的不足，i e e e 义相继推出了i e e e 8 0 2 1 i b 和i e e e 8 0 2 1 i a 这两个新的 标准。 i e e e 8 0 2 1 i b 在8 0 2 1 l 的i m b p s 和2 m b p s 速率下又增加了5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两个新的网络吞 吐速率。它使用动态速率转换，当射频r j ：作条件恶化时，可将数据传输速率降至5 5 m b p s 、2 m b i 硌 和1 m b p s 。此外，它工作在2 m b p s 和1 m b p s 速率时可兼容i e e e 8 0 2 1l 。i e e e 8 0 2 1 i b 的使用范围在 室外为3 0 0 米，在办公环境中则最长为1 0 0 米。使用与以太网类似的连接协议和数据包确认，米提 供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。i e e e 8 0 2 1 l a ，也称作高速8 0 2 1 l ，工作在5 g h z 频段， 它不采用扩频技术，而是采用正交频分多路技术，数据速率高达5 4 m b s i 1 2 1 。 6 u w b 超宽带技术u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利h j 纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所 的频谱范围很宽。u w b 可在非常宽的带宽上传输信 号，美国f c c ( 美国联邦通信委员会) 对u w b 的规定为：在3 1 1 0 6 g h z 频段中| i i 片j5 0 0 m h z 以上 的带宽。由- 1 - u w b 可以利刚低功耗、低复杂度发射接收机实现高速数据传输，在近年米得到了迅 速发展。由于u w b 使用许多专用频段，需要特别申请，并且只有l o 米的传输距离阻碍了它的发展 步伐1 3 ，1 4 , 1 5 】o 7 微功率短距离无线通信技术 该技术股采用单片数字信号收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专朋或通h j 无线通 2 第1 章绪论 信模块。一般射频芯片采用f s k 调制方式，工作于i s m 频段，一些必要的外围模块都已经集成在芯 片内部，并且提供了简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和 工作机制有较深的了解，只要依据芯片提供的操作接口进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。 由于其功率小、价格低廉、开发简单快速因而在工业、民用领域得到了广泛的应用。但数据传输速 度、流量都较小，因此比较适合搭建对数据传输速度要求不高的小型网络。目前，很多公司推出了 这种类型的单片无线收发芯片，其中比较典型的是n o r d i c 公司推出的n r f 系列芯片。 在上述无线数据通信技术中，各种不同的短距离无线通信标准都是根据不同的使用场合，不同 的用户需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的是考虑移动性和经济性，使用者应视 实际需求考虑采用性价比最高的解决方案。在对短距离无线通信的研究方面，目前国外除了继续完 善和提高短距离无线通信技术以外，对由短距离的无线通信设备构成的无线网络进行了较多的理论 研究，国内高校对短距离无线通信在生活和商业上的应用研究较多，但对无线通信技术在工业控制 检测领域的应用则相对较少。 1 2 论文研究意义 在工业应用中，现阶段基本上都是以有线的方式进行连接，实现各种控制或检测功能。采用有 线方式传输速度快，数据流量大，可靠性强，对于基本同定的设备来说无疑是比较理想的选择。但 随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度也越来越快， 并且逐渐达到可以和有线相媲美的水平。无线数据传输相比有线传输有更多的优点：一是成本低， 省去了大量的布线；二是建网快捷，只需在每个终端连接无线数传模块和架设适当高度的天线即可； 三是适应性好，可以在一些特殊的应j h j 环境中使用；四是扩展性好，采用有线传输方式，不能随意 移动，设备重新布局就要重新布线，但采用无线数据传输，只需要将设备与无线数传模块相连就可 以了：五是设备维护容易，有线通信链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故 障点，而采用无线数据传输方式只需要维护数传模块，出现故障时则能快速找出原因1 6 1 6 j 。 本课题米源丁江苏省东部水文仪检中心的流速仪检定系统研制项目。目前在流速仪检定的行业 中，全国1 3 个流速仪检定中心的检定系统绝大多数都是上世纪七八十年代建立的，流速仪检定采用， 的水槽检定法，以前的检定系统都是由人工在检定小车上完成流速仪检定操作，采集的流速仪信号 通过有线电缆直接传送到车上的微机进行分析处理，智能自动化水平低，并且随着设备老化和对检 定标准要求越来越高，老一代流速仪检定系统根本满足不了现代检测的要求，迫切的需要开发新一 代流速仪检定系统。在为江苏省水利厅研发的新一代流速仪检定系统中，要求检定小车能在控制室 的一t ：作人员的操作下能自动完成流速仪检定的整个过程，实现操作的集中化管理。如果采用传统的 有线方式进行数据传输时，需要使用划线装置，传输电缆布置困难，并且测试的参数很多导致需求 的电缆龄大，不仅降低了系统的可靠性，增加了调试难度同时也造成成本很高，在恶劣的环境下， 使刚电缆传输信号时还会受剑很大的干扰，需要额外的抗干扰措施。 基于上述的原冈，本人的论文题目选择了无线通信技术及其在流速仪检定系统中的廊用研究。 希望通过对无线通信技术进行研究，实现t 业控制检测中对不同传输速率和通信距离的无线数据传 输，并且通过具体的：j ：程实践项目来对无线通信技术在实际j ：程中应刚中的可靠性和实时性进行研 究，使系统能满足具体工业控制的通信要求。 1 3 论文研究的内容及创新点 本论文分别对监牙通信技术、微功率无线通信技术以及基于无线视频监控系统的数据传输技术 进行了研究，特别是对人数据量长距离的数据通信进行了研究，完成每个通信系统的硬件设计和软 件设计，并对系统的实时性和可靠性进行分析。 对于蓝牙技术，主要是对蓝牙通信协议进行分析，利用a t 8 9 s 5 2 与c s r 的b l u e c o r e 2 芯片模块 3 东南人学硕一i ：学位论文 进行通信系统设计，通过实验对系统的性能进行分析，并研究提高通信距离的方法；对丁微功率无 线通信技术，结合江苏省水利厅的流速仪检定系统的研发项目，把无线通信技术应用到流速仪检定 行业中来，对流速仪检定系统的通信子系统进行了设计研究，包括器件的选型、方案的确定、硬件 电路的设计、软件程序的设计、通信协议的制定以及系统的调试等，并对系统的实时性和抗干扰性 进行研究：基于无线视频的数据传输技术主要是研究结合已有的无线视频监控系统，把测鲑的数据 通过无线视频监控系统进行传输。本文的创新点在于以下几点： ( 1 ) 对三个无线通信系统分别进行了研究和设计，特别是对艮距离人数据鼙的数据传输技术 迸行了研究。并做了三个通信系统，对系统的实时性和可靠性进行了分析。 ( 2 ) 对于蓝牙数据通信系统，通过实验验证了在l o 米范围内可以实现可靠的通信，冈此把 蓝牙通信作为流速仪检定系统数据通信的补充，在流速仪检定车上需要增加功能模块 时，用蓝牙通信来解决数据通信的问题。 ( 3 )针对以往的流速仪检定操作复杂，自动化水平低等缺点，为流速仪检定系统设计一套无 线微波视频监控系统，帮助操作员无需在检定小车上操作就能进行流速仪检定的整个过 程，这在流速仪检定行业中属于首例。 ( 4 ) 研究了基于无线微波视频监控通道的数据传输系统，利用串口服务器将串口的数据格式 转换成可通过网络进行传输的t c p ，i p 数据包格式，再通过无线网桥进行传送。这种基 于无线微波的数据传输串口组网技术可以应用于对数据传输距离要求远、数据越人的j i ： 业场合。 1 4 论文的结构安排 针对本文的研究内容，全文和组织结构安排如下： 第一章：绪论。介绍课题的研究背景和意义，概述了论文研究的内容及创新点，最后对本文的 结构做简要的介绍。 第二章：短距离无线通信技术。主要介绍无线通信原理和无线通信关键技术，分析研究了各种 调制技术、无线通信性能指标、传输过程中的干扰冈素和著错控制。 第三章：蓝牙通信技术及其应用研究。分析研究了监牙技术的核心协议，对监牙点对点数据通 信进行了软硬件设计，最后对蓝牙技术的实际上程应川进行了分析。 第四章：基于n r f 9 e 5 的流速仪检定通信系统设计。主要介纠了在无线视频监控系统没有安装 前，利用n r f 9 e 5 模块来实现流速仪检定系统的数据传输，包括系统的软硬件设计、通信协议的设 计以及利用跳频技术实现抗干扰设计，并对系统的可靠性和实时性进行了分析。 第五章：无线微波视频监控及数传系统设计。介绍了结合流速仪检定系统实际：i ：程需要进行无 线微波视频监控系统的设计及器件选型，并且设计出基于微波视频监控通道的数据传输系统。最后 对系统的抗干扰性进行了研究。 第人章：结论与展望。总结论文所做的工作，并对今后的i ：作进行展望。 4 第2 章短距离无线通信技术 第2 章短距离无线通信技术 2 1 无线通信系统组成 一个无线通信系统必须包含发射机、传输介质和接收机，如图2 1 所示。发射机是将原始信源 转换成更适合于在给定传输介质上传输信号的一个或多个电子设备或电路的集合。接收机是从传输 介质接收发射的信号并将其转换回原始形式的电子设备和电路的集合。在无线通信系统中传输的介 质就是无线信道，即由射频电波传播的自由空间，而信息就是在自由空间传播的电磁无线电波。 发射机 1 臣一 无线信道 接收机 图2 1 无线通信系统方框图 图中，从信源出来的信号称为基带信号( b a s e b a n d ) ，它一般是低频的。调制器就是要将基带信 号变换成频带适合在信道中有效传播的信号形式，最后才由发射端将调制后的信号送入无线信道中。 在接收端，接收机从信道中选取欲接收的已调波并将其转换为基带信号，此过程称为解调。最后将 解调后的基带信号处理所需的信息。 在无线通信中必须把基带信号变成射频已调信号的原因主要有三点： 1 )为了有效地把电磁波辐射出去。在无线通信系统中，只有当天线尺寸与信号波长可比拟( 至少 十分之一) 时才能有效地辐射射频功率。而基带信号一般是低频的，冈此就要求天线很长，这 是不可能达到的。所以必须将基带信号调制到高频的载波上去，才能有效地将信号发射出去。 2 )为了有效地利用频带，国际上都对无线频谱资源有严格地管理和分配。在频谱拥挤地情况下， 无线电高频可以提供较大的通信信道容量。 3 ) 利用调制解调技术可以提供有效的方法来克服信道缺陷，比如信道的加性噪声、火真羁l 衰落等。 一般要传送的基带信号的频率都差不多，例如广播电台的音乐1 ，目的频率范同人约都集中在 1 0 0 h z 1 0 k h z ，如果每个电台都发射这些信号，就会互相干扰，令接收方无法区分。冈此只有 将不同电台的节目调制剑该电台对应的不同频率的载波上，变成中心频率不同的频带信号，接 收方才能任意选择所需的电台信号而抑制其他的干扰。 因此衡鼍调制解调器好坏的主要性能指标有： 1 ) 抗噪声抗干扰能力良好的调制解调器应该对噪声、干扰和信道失真有较高的容限，这样可 以使通信系统在较低的输入信噪比、较大的干扰和信道火真_ 卜得剑较好的输出信号质鼙，实际 上也就是延长了通信的距离。 2 )调制方式的频带利用率由t 射频资源有限，所以在保证传输速率和服务质量的条件下，使 用的带宽越小越好，这就是调制方式的频谱有效性。 3 )调制方式的功率有效性 对于发射机来说，不同的调制方式要求不同的高频功率放人器放大 已调射频信号。有些已调射频信号可以允许用j 线性放人器放大，不会造成传输信息损失。但 5 东南大学硕士学位论文 有些已调射频信号必须h j 线性放人器放火，而非线性放人器的效率远比线性放大器高。所以调 制方式的功率有效性是极其重要的一个性能指标。 因此，发射机射频部分的任务是完成基带信号对载波的调制，将其变为通带信号并搬移到所需 的频段上，并且用功率放大器对己调信号进行高频功率放大，使发射出去的信号能够传输相当的距 离，以便接收机接收。其结构框图如下图所示： 图2 - 2 发射机方框图 发射机发射的信号是处于某一信道内的高频放大功率信号，应尽量减少它对其它相邻信道的干 扰，姐卜图所示： 相邻信道 图2 3 发射机信道示意图 发射机的主要指标是频谱、功率和效率。 接收机的射频部分与发射机相反，它要从众多的无线电波中选出有用信号，并放大到解调器所 要求的电平值后再有解调器解调，将频带信号变为基带信号。由于传输路径上的损耗和多径效应， 接收机接收的信号是微弱且有变化的，并伴随着许多干扰，这些干扰信号强度往往大于有用信号， 冈此接收机的主要指标是灵敏度和选择性。接收机的射频方框图和信道选择示意图如下所示： 图2 4 接收机射频方框图 6 第2 章短距离无线通信技术 图2 - 5 信道选择示意图 接收机中，低噪声放大器在尽量少增加噪声功率的前提下，放大由天线接收到的高频微弱信号， 使其能达到解调器所要求的电平。接收机中的下变频是将高频已调波的频谱转移到适合解调或进行 模数变换的频段。 2 2 无线通信系统的性能指标 通信的任务是能快速、准确的传递信息，从研究消息的传输来说，通信的有效性和可靠性是通 信系统最主要的性能指标。有效性是指在给定的信道内传输的信息内容的多少，主要指消息传输的 “速度”问题，而可靠性是指接收信息的准确程度，主要指消息传输的“质量”问题。这两者是相 互矛盾而义相互联系的。衡莓数字通信系统的有效性的主要性能指标是传输速率，可靠性指标主要 是指差错率【1 8 1 。 ( i ) 传输速率 码元速率( r b ) ：每秒钟传输的码元数，单位为比特，记为b a u d 或b 。码元速率与所传的码元 进制无关。 信息速率( r b ) ：义称比特率，即每秒传输的比特数，单位是比特秒，记为b i 以。 信息速率与码元速率的关系：r b = m x l o gz ( 其中，n 表示传输的是n 进制码元) 。 ( 2 ) 差错率 误码率：p c = 错误接收的码元数传输的总码元数。 误比特率：p b = 错误接收的比特数传输的总比特数。 在二二进制时，显然有p b = p e 。 2 3 影响无线传输的因素 无线数据传输系统是基丁二电磁波在空中传播来实现数据传输的。由于系统的开发性，信号在空 中自由传播，受到外界影响很大。主要有下列一些冈素：传播损耗、衰落和噪卢等。 2 3 1 传播损耗 电磁波在空间传播时，由于电波的弥散特性会造成一定的损耗。此损耗可按照电波在自由空间 传播时的公式计算。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散 射。但是。当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。 所谓自由空间传捕是指大线周同为无限久真空时的电波传播，是理想传播条件。 7 东南大学硕士学位论文 自由空间下电波传播的损耗l 丘为： 厶】( 扭) = 3 2 4 4 + 2 0 l g d ( c m ) + 2 0 l g f ( m - z ) ( 2 1 ) 其中，d 为传输距离：f 为工作频率【1 9 】。 由上式可见，自由空间中电波传输损耗只与工作频率和传播距离有关。 2 3 2 衰落 电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现 象叫作衰落。衰落按其变化速率可分为快、慢两类衰落。快衰落：它是由多径效应( 指无线电波由 于反射等冈素影响，造成信号剑达目的地时间不同，接收到的信号实际上是多次迭加而产生的信号， 如果不能区分这些迭加的信号，会影响接收效果) 引起的，其变化速率一般在零点儿秒到几十秒之 间。慢衰落：它仅与气象条件有关( 如温度、压力、湿度等) ，也就是与昼夜、季节有密切关系，是 衰落式的，且一般指的是- - d 时以上的变化规律【2 0 j 。 2 3 3 噪声 无线信道对信号传输的影响除了损耗和衰落之外，另一个重要的影响因素是噪声与干扰【2 。 无线信道中的噪声的来源是多方面的，一般可分为：内部噪声、自然噪声和人为噪声。内部噪 声是系统设备本身产生的各种噪声，例如，电子器件中由电子热运动所引起的热噪声。自然噪声主 要是人气噪声和宇宙噪声。人为噪声是指各种电气装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐 射，诸如电动机、电气开关等所产生的火花放电形成的电磁辐射。 干扰是指无线电台间的相互干扰。如邻道干扰、互调干扰等。所谓邻道干扰是相邻的或邻近频 道的信号相互干扰。互调干扰是由传输信道中的非线性电路产生的，当两个或多个不同频率的信号 同时输入剑1 卜线性电路时，由于非线性器什的作用，会产生许多谐波和组合频率分量，其中与所需 信号频率相近的组合频率分量会顺利通过接收机而形成干扰，这就是互调干扰。 2 4 数字调制技术 对于人多数的数字传输系统来说，由于数字基带信号往往具有丰富的低频成分，而实际的通信 信道义具有带通的特性，有不少信道都不能直接传送基带信号，而必须用基带信号来控制高频载波 的某些参苗，这种把基带信号变换为频带信号的过程称为数字调制，反之，称为数字解调。数字基 带信号分别单独控制载波的幅度、频率和相位，从而构成幅度键控( a s k ) 、移频键控( f s k ) 和移 相键控( p s k ) 三种基本的数字调制方式。数字基带信号可以是二进制的，也可以是多进制的，从 而分为_ 二进制数字调制和多进制数字调制。对数字调制技术的主要要求是： a )已凋信号的频谱窄，带外衰减快。冈为发射频谱窄，才能有效地防止对相邻信道的干扰。 b )易r 采刖相干或1 卜相干解调，抗噪声和抗干扰能力强。 c )适宜在衰落信道中传输。在信道衰落的条件下，误码率尽可能低。 d )高效率的解调，以降低移动设备的功耗，进一步缩小体积和成本。 e 1能提供较高的传输速率。 0 易丁集成。 2 4 i 幅度键控( a s k ) 振幅键控( a s k ) 是简单的双边带、全载波幅度调制，其中输入调制信号是一个二进制波形信 8 第2 章短距离无线通信技术 号。二进制信号的数字幅度调制的数字表达式为： 玩m ( f ) = 1 + ( f ) 】 彳2c o s ( c f ) 】( 2 2 ) 其中，尹，舯( f ) ：数字幅度调制波 彳2 ：未调载波幅度 ( f ) ：调制二进制信号 ， c ；载波角频率( t a d s ) 公式中，调制信号( f ) 是一个二进制波形，+ i v 等于逻辑l 、1 v 等于逻辑o 。因此，对于逻辑 i 的输入，则有虼( f ) = l ，公式简化为： ( f ) = 【l + 1 】 彳2c o s ( o d c f ) 】- c o s ( c f )( 2 3 ) 对于逻辑0 的输入，则有玩( f ) = 一l ，公式简化为： ( f ) = 【l - 1 a 2 c o s ( t o r f ) 】= 0 ( 2 4 ) 这样，对于1 0 0 的幅度调制，( f ) 就是等于a c o s ( c f ) 或是o ，载波就处于“开”或“关” 的状态。 使用幅度调制的模拟载波传输信息是一种低质量、低成本的数字无线电类型，因此很少使用在 高容量、高性能的通信系统中。 2 4 2 移频键控( f s k ) 二进制f s k 是恒定幅度的角度调制，除调制信号是在两个电压值之间变化的二进制信号，而非 连续改变的模拟波形外，类似于传统的频率调制。二进制f s k 的基本表达式为： l ( f ) = v rc o s 2 n 【乒+ v m ( t ) v 】f ( 2 5 ) 其中， ( f ) ：二进制f s k 波形 k ：载波幅度峰值( v ) 乒：载波中心频率( h z ) 厂：频率偏移量峰值( h z ) ( f ) ：二进制输入调制信号( + l 、1 ) 公式中，载波频率的