（通信与信息系统专业论文）低功率无线跳频电台及同步技术研究.pdf

摘要 跳频通信技术具有抗干扰能力强、频谱利用率高、保密性好、抗多径、抗衰 落、易于组网等特点。目前跳频技术主要应用于军事通信领域，也广泛应用于民 用领域，如移动通信、雷达、导航、电力线通信、无线局域网等。 本文主要完成了低功率无线跳频电台的分析、设计和实现工作。首先，详细 介绍了低功率无线跳频电台各硬件模块的功能及其实现技术，同步控制硬件平台 为基于a t 9 1 s a m 7 s 2 5 6 微处理器芯片，射频平台基于低功率射频芯片c c 2 4 0 0 。 其次，通过分析跳频通信中同步的关键因素，把同步问题转化为跳频通信电台的 时间对齐。在分析、比较有关的跳频同步技术的基础上，提出了一种适合跳频通 信的同步方法，该同步方法采用同步字头法，使用t o d 作为主要同步信息实现 跳频同步，设计了跳频电台同步方案。最后，完成跳频软件的编程和调试，实现 了整个跳频同步方案，给出了测试结果，并进行了同步性能分析。 关键字：跳频a r mc c 2 4 0 0 同步控制 a b s t r a c t f r e q u e n c yh o p p i n gc o m m u n i c a t i o nh a ss t r o n g a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , h i g h s p e c t r u me f f i c i e n c y , h i g hs e c u r i t y , a n d i s a n t i m u l t i p a t h ，a n t i f a d i n g ，a n d e a s y - t o - n e t w o r k i n ge t c a tp r e s e n t ，f r e q u e n c yh o p p i n gt e c h n o l o g yi sm a i n l yu s e di n t h ef i e l do fm i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n s ，b u ta l s oi sw i d e l yu s e di nc i v i l i a na r e a s ，s u c ha s m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，r a d a r , n a v i g a t i o n ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，w i r e l e s sl a n a n ds oo n t h i st h e s i sm a i n l yc o m p l e t e dt h ea n a l y s i s ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fal o w - p o w e r w i r e l e s sf r e q u e n c yh o p p i n gr a d i o f i r s t l y , i td e t a i l e dt h el o w p o w e rw i r e l e s sf r e q u e n c y h o p p i n gr a d i o sf u n c t i o no ft h eh a r d w a r em o d u l ea n di t si m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g y , t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lw a sb a s e do nt h em i c r o p r o c e s s o r c h i pa t 9 1s a m 7 s 2 5 6a n dt h er a d i of r e q u e n c yp l a t f o r mw a sb a s e do nt h el o w - p o w e r r a d i of r e q u e n c yc h i pc c 2 4 0 0 s e c o n d l y , ak e yf a c t o rw a sa n a l y z e di nt h ef r e q u e n c y h o p p i n gc o m m u n i c a t i o ns y n c h r o n i z a t i o n ，t h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mw a sc o n v e r t e d i n t ot h et i m em i g n m e n to ft h ef r e q u e n c yh o p p i n gr a d i oc o m m u n i c a t i o n t h r o u g h a n a l y z i n g ，c o m p a r i s o no ft h eb a s i s o ft h e f r e q u e n c yh o p p i n g s y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g y , as u i t a b l em e t h o df o rf r e q u e n c yh o p p i n gc o m m u n i c a t i o ns y n c h r o n i z a t i o n w a sg i v e n ，w eu s e dt h em e t h o dt h a tp r e f i x e st h es y n c h r o n i z a t i o ni n f o r m a t i o nw o r df o r t h es y n c h r o n i z a t i o n ，a n du s et o da sm a j o rs y n c h r o n i z a t i o ni n f o r m a t i o nt or e a l i z e f r e q u e n c yh o p p i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，d e s i g n e d t h e s y n c h r o n i z a t i o np r o g r a m o f f r e q u e n c yh o p p i n gr a d i o f i n a l l y , w ec o m p l e t e dt h ef r e q u e n c yh o p p i n gs o f t w a r e p r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n g ，r e a l i z e dt h ee n t k e 矗e q u e n c yh o p p i n gs y n c h r o n i z a t i o n p r o g r a m ，g i v e nt h e t e s tr e s u l t s ，a n dc a r r i e do u tt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h e s y n c h r o n o u s k e y w o r d s ：f r e q ue n c yh o p p i n g a r mc c 2 4 0 0 s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的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中所罗列的内 容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：蔓丛2 南日期z ! 墨：；，2 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名 单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属王促奄，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：茎兰! 查日期望13 。3 1 ) 导师签名：_ 擀日期。峭 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 跳频技术在通信系统中的应用与发展 通信是从一个地方向另一个地方传递和交换信息。实现信息传递所需的一切 技术设备和传输媒介的总和称为通信系统。基于点对点之间的通信系统的模型可 用图1 1 来描述。 图1 1 通信系统的一般模型 信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息 信号或基带信号。 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变 换成适合在信道中传输的信号。 信道是指传输信号的物理媒介。 噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的， 并且是人们所不期望的。 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换。它的作用是从带有干扰的接 收信号中正确恢复出相应的原始基带信号。 信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。 图1 1 概括地描述了一个通信系统的组成，它反映了通信系统的共性，因此称 之为通信系统的一般模型。根据研究的对象以及所关注的问题不同，图1 1 模型 中的各小方框的内容和作用将有所不同，因而相应有不同形式的更具体的通信模 型 4 。 1 1 1 跳频技术简介 香农( s h a n n o n ) 定理口儿利：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输 速率( 或称信道容量) 为： c = b l g ( 1 + ) 式( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中：b 为信号带宽；s 为信号平均功率；n 为噪声功率。香农公式表明 了当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率给定时，增加信号带宽b ，理论 上c 的值会增加，也就是增加了信道容量。信道中当传输系统的信号噪声功率比 ，下降时，可以用增加信号带宽b 的办法来保持信道容量c 不变。 2 低功率无线跳频电台及同步技术研究 由香农第二定理3 知，若信源的信息速率( r ) 小于或等于信道容量( c ) ，通 过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。为使信源产生的信息 以尽可能高的信息速率通过信道，提高信道容量是人们所期望的。 扩频通信系统就是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数 字信息带宽的目的。扩频通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩展函数 扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，再利用相应手段将其压缩，从而获取 传输信息的通信系统。 扩频通信系统的物理模型啼3 ，如图1 2 所示： ( a ) 发射；( b ) 接收 图1 2 扩频系统物理模型 扩频通信系统按照调制方式不同可分为：直接序列扩频、跳频、跳时、线性 调制和混合扩频系统。 跳频系统的载频受伪随机码的控制，不断地、随机地跳变。跳频系统中的伪 随机序列用来直接选择信道。 跳频系统组成，如图1 3 所示： 频率 成器 fft p n 码产生嚣 图1 3 跳频系统组成框图 用信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号。频率合 成器产生的载频受伪随机码的控制，按一定规律跳变。 在接收端，接收到的信号与干扰经高放滤波后送至混频器。接收机的本振信 号也是一频率跳变信号，跳变规律是相同的，两个合成器产生的频率相对应。只 要收发双方的伪随机码同步，就可使收发双方的跳频源频率合成器产生的跳 变频率同步，经混频后，就可得到一个不变的中频信号，然后对此中频信号进行 解调，就可恢复出发送信息。 ， 第一章绪论 1 1 2 跳频通信系统的主要特点 1 、具有较强的抗干扰能力； 跳频系统采用躲避干扰的方法来抗干扰，只有当干扰信号频率与跳频信号频 率相同时，才能形成干扰，因而抗干扰能力较强。跳频频率数越大，跳频速率越 高，抗干扰性能越强。 2 、易于组网，实现码分多址，频谱利用率高； 不同的码字，可以得到不同的跳频图案，从而组成不同的网。 3 、宜兼容； 目前所有的跳频电台兼容性都很强，可在多种模式下工作，如定频和跳频、 数字和模拟、语音和数据等。 4 、解决了“远一近问题”； 5 、保密性好； 6 、抗衰落和多径。 1 2 跳频通信系统的应用与发展 当二十世纪7 0 年代末第一部跳频电台问世以后，就预示着其发展势头锐不可 挡。到了二十世纪8 0 年代，世界各国军队普遍装备跳频电台。二十世纪8 0 年代 是跳频电台发展速度最快的阶段。广泛使用跳频电台曾被誉为二十世纪8 0 年代 v h f 频段无线电通信发展的主要特征。二十世纪9 0 年代，跳频通信如虎添翼， 在军用跳频通信领域己相当成熟的同时，跳频通信的应用又拓宽到民用领域。进 入n - - - 十一世纪随着通信行业的快速发展，由于跳频通信频谱利用率高，跳频通 信有了新的发展机遇。业内人士指出，跳频通信是对抗无线电干扰的有效手段， 称其为无线电通信的“杀手锏”。跳频通信是如此的神奇，以至于自其问世至今 的短短几十年间，倍受世界各国，特别是几大军事强国的青睐。跳频通信技术是 在现代信息对抗日益激烈的形势下迅速发展起来的，它具有很强的抗搜索、抗截 获、抗干扰能力。目前，各国政府对这一先进技术的发展和应用十分重视阳1 0 3 。 近十几年来，在世界军事通信领域内掀起了一股跳频通信热潮。特别是美军 发展的战术级通信，主要装备了战术信息分发系统及新型的地面和机载跳频电台 系统，这些跳频通信装备都具有高度的保密性和抗干扰性能。在第一次海湾战争 中，据报道，美军平均每天有7 0 万份信息在空中信道顺畅传输，之所以畅通无阻， 并不是伊军没有施放电子干扰，而是伊军的电子侦察干扰系统在美军的跳频电台 面前无能为力。 目前，跳频通信不仅在军事通信中大展身手，较好地满足了现代战争提出的电 子对抗与反对抗要求，而且在民用通信中也展示出良好的应用前景。跳频技术将继 4 低功率无线跳频电台及同步技术研究 续向高跳频速率、高数据传输速率、低功耗的方向快速发展。各种新颖的跳频技 术实现方法也不断地推出，软件无线电概念的提出为跳频技术的发展开辟了一个 新领域。低功耗通信系统开发已经成为无线通信发展的主要方向，由于无线通信 的移动性和便携式，这些无线系统由电池供电，如何减少耗电量，增加系统的通 信时间是无线移动通信研究的一个方向。而低功耗与跳频技术相结合，是近几年 来人们研究无线移动通信中普遍关注的热点n 3 | 。 1 3 本文主要内容 本文将从以下方面对作者所做的工作进行阐述： 第一章介绍了基本跳频通信系统的构成、特点及跳频通信系统的应用与发展。 第二章介绍了低功率跳频电台硬件设计，a t 9 1 s a m 7 s 2 5 6 微处理器芯片和射 频c c 2 4 0 0 芯片简介，给出了控制模块和射频模块设计电路。 第三章分析了跳频同步的技术分类，跳频同步性能要求；介绍了时间信息在 同步中的作用，同步频率计算方法；设计了初始同步帧和迟入网勤务同步帧，及 同步扫描、捕获、判断等。 第四章根据前章的设计，实现了跳频电台初始同步、迟入网勤务同步发送和 接收，及同步频率计算。分析了数传同步的重要性，并给出了实现过程。最后对 跳频同步性能进行了分析。 第五章总结了本文的主要工作，并对其中需要进一步研究的内容进行了介绍。 第二章低功率跳频电台硬件设计与实现 第二章低功率跳频电台硬件设计与实现 2 1 1 硬件设计原则 2 1 硬件平台总体设计 跳频电台设计首先要考虑的是硬件平台，一个好的硬件平台是实现通信的前 提，硬件平台设计应遵循以下原则： 1 ) 具有高速、实时处理能力； 2 ) 能提供高精度实时时钟； 3 ) 有较大的存储容量； 4 ) 集成度高、工作稳定、可靠、功耗小。 2 1 2 硬件组成及功能 跳频控制与调制解调和网络等功能电路的硬件采取了一体化综合设计，为 软件提供稳定、高速的运行平台。其组成主要有微处理器、射频芯片、存储 器和网络层等。图2 1 是跳频电台硬件框图。 i 上层接 口 i 跳频参i 。 射频模块 i 数注入f ， a r m 微处理器 ( 跳频控制) r t cf j p r g i 存储器 图2 1 跳频电台硬件框图 1 ) a r m 微处理器单元：微处理器单元是跳频单元的核心，控制其它各分单 元的工作，并参与电台的相关控制和管理。 2 ) r t c ( r e a lt i m ec l o c k ) 单元：提供实时时钟以产生t o d ( t i m eo f d a t e ) ， 用于计算同步频率。 3 ) 存储器单元：存储预制的频率表和临时数据。 4 ) p r g ( p s e u d o 。r a n d o mg e n e r a t o r ) 发生器：结合t o d 和p k ( p r i m ek e y ) ， 在微处理器控制下，产生跳频图案。 6 低功率无线跳频电台及同步技术研究 2 2 1 控制模块设计 2 2 跳频电台硬件平台设计 1 、a t 9 1 s a m 7 s 系列微处理器简介 a t 9 1 s a m 7 s 系列微处理器是由a t m e l 开发的3 2 位a r mr s i c 微处理器。其突 出特点是强调低功耗，非常适用于各种低功率要求的应用。它有多个系列和型号， 分别由一些基本的功能模块按照不同的应用目标组合而成。由于其具有较高的性 价比，在无线、网络、消费娱乐、影像、汽车电子、安全应用、存储装置、智能 家庭仪表、医疗设备等领域己经取得广泛的应用。这一系列微处理器具有f l a s h 存 储器，在系统设计，开发调试及实际应用上都表现出比较明显的特点。 超低功耗： 强大的处理能力； 丰富的片上外设模块； 方便高效的开发方式； 通用性强； 独特的电源输出设计，提供片上1 8 v 电压调节器，可以为内核及外部元件 提供高达1 0 0m a 的电流。 考虑到系统以后性能扩展和程序存贮的要求，在设计的时候选用a t 9 1 s a m 7 s 系列微处理器中的a t 9 1 s a m 7 s 2 5 6 型号。a t 9 1 s a m 7 s 2 5 6 微处理器，它具有2 5 6 k 字节的内部高速f l a s h 存储器和6 4 k 字节的内部高速s r a m ，丰富的外设资源， 使外部器件数目减至最低的完整系统功能集n 6 儿2 7 1 。 2 、微处理器控制平台设计 在该控制平台设计中，a t 9 1 s a m 7 s 2 5 6 微处理器实现的功能和外围模块可以 分为以下4 部分： 一匕 仿真模块 无线模块 数据 _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ a t 91s a m 7 s 2 5 6 i 电源模块 l 预留 图2 2 控制平台硬件组成 1 ) 控制无线模块收发，给无线模块传递控制信息； 2 ) 与无线模块进行收发数据传递； 第二章低功率跳频电台硬件设计与实现 3 ) 通过j t a g 接口进行在线编程( 程序调试) ； 4 ) 预留接口。 整个系统的平台由上述模块组成，它的实际硬件平台构架可由圈2 2 来表示。 基于a t 9 1 s a m 7 s 2 5 6 微控制器的跳频电台控制模块电路如图2 3 所示： 图2 3 控制模块电路原理圈 3 、微处理器开发环境 1 ) a d s ( a r m d e v e l o p e rs u i t e ) 是a r m 公司的集成开发环境软件，它的功 能非常强大。它的前身是s d t ，s d t 是a r m 公司几年前的开发环境软件，目前 s d t 早已经不再升级。a d s 包括了四个模块分别是：s i m u l a t o r tc 编译器： 实时调试器；应用函数库。本系统使用的a d s 是i2 版本。 a d s l2 特点： 提供完整的w i n d o w s 界面开发环境； c 编译器效率极高；支持c 以及c 上+ ； 提供软件模拟仿真功能： 配合f f t - i c e 使用，a d s l2 提供强大的实时调试跟踪功能； a d s l2 需要硬件支持才能发挥强大功能，目前支持的硬件调试器有m u l t i i c e 以及兼容m u l t i i c e 的调试工具如f f t o l c e 等。 2 ) j t a g 仿真器 低功率无线跳频电台及同步技术研究 j t a g ( j o i n tt e s ta c c e s sg r o u p ) ，是一种边界扫描技术标准，即i e e e11 4 9 1 ； 是为了在线测试的需要发展起来的针对芯片和线路板测试的接口技术。现在大部 分的运算处理芯片都支持j t a g 协议，如a r m 、d s p 、f p g a 器件等。j t a g 协 议利用串行移位输入及输出的方式对芯片的输入端加载特定的代码序列，并获得 输出端给出的响应序列。标准的j t a g 接口是4 线，分别是模式选择( t m s ) 、时 钟( t c k ) 、数据输入( t d i ) 和数据输出( t d o ) 线。 a t 9 1 s a m 7 s 2 5 6 微处理器的j t a g 接口和p c 的打印机接口连接，在a d s l 2 开发工具的c 编译环境下，完成对微处理器的f l a s h 存储器控制，实现程序的 在线编写、下载、调试和仿真功能等。使整个系统的开发过程更加简单、容易和 高效 1 5 1 6 1 7 】。 2 2 2 低功率射频模块设计 随着无线通信技术的飞速发展，以及手持式、移动设备的大量出现，无线收发 器的传输距离以及系统功耗越来越成为人们所关心的问题。各大芯片厂商相继推 出了低功耗、高接收灵敏度的工作在2 4 g h zi s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ， 工业、科技和医疗) 频段的射频( r f ) 收发芯片，其中具有代表性的主要有m a x i m 公司的m a x 系列、n o r d i c 公司的n r f 系列与t i 公司的c c 系列。 为了降低开发成本，缩短开发周期，减少开发难度，尽快将完成产品开发， 选择合适的r f 芯片非常重要。选择无线收发芯片需要注意以下方面： 1 ) r f 芯片功耗，无线收发芯片一般用在移动便携式设备上，而这些设备主 要由电池供电，电池供电时间是有限的，无线收发芯片功耗越小，其它模块 功耗不变的情况下，设备使用的时间越长。 2 ) r f 芯片外围电路和外围元器件，外围器件的多少决定产品的开发成本， 芯片外围电路越简单，需要器件越少。有些r f 芯片比较便宜，但是需要的外 围器件较多，而且有些外围器件是昂贵的元件，整体来说增加了设备的开发 成本。 3 ) r f 芯片控制难易度，选择较容易控制的芯片，控制复杂的芯片，增加了 软件开发周期。 4 ) r f 芯片的发送功率和接收灵敏度，这个指标直接关系到通信是否可靠， 应选用发射功率、接收灵敏度都较高的芯片。 5 ) r f 芯片的封装，较少的管脚以及较小的封装，可以减少p c b ( p r i n t e dc i r c u i t b o a r d ，印刷电路板) 面积，降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发 和生产1 8 3 。 根据以上需要注意的方面，综合比较r f 芯片厂家的产品，最终选择了t i 公 第二章低功率跳频电台硬件设计与实现 9 司的c c 2 4 0 0 无线收发芯片。 1 、c c 2 4 0 0 芯片关键特性 c c 2 4 0 0 芯片是工作在2 4 g h z 频率的低功耗r f 传输芯片，该芯片是一个低成 本、高集成度工作在无需认证的i s m 频带的无线通信芯片，工作频带宽度是2 4 0 0 2 4 8 3 m h z 。它支持f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 和g f s k ( g a u s s i a nf r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ) 两种调制方式，最高传输速率是1 m b p s ，还支持2 5 0 k b p s 矛 il o k b p s 两种速 率。它不需要外部r f 开关和滤波器，只需要很少的外部器件。c c 2 4 0 0 支持1 m h z 中频，支持两种数据接口缓存模式和非缓存模式。它的发送功率可以调整，最大 发射功率可达0 d b m ，接收灵敏度也可以通过编程调整，灵敏度高达一1 0 1 d b m 。 由于c c 2 4 0 0 芯片采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计，可满足无线管制 要求，使用无需许可证，是目前低功率无线数据传输的理想选择。可构建用于便 携及手持产品的无线传输通信平台，并可广泛用于遥控、遥测、无线传感器网络、 无线抄表、无线数字语音、数字图像传输、无线音响、p c 外设、高级玩具等方面。 2 、c c 2 4 0 0 芯片工作原理 c c 2 4 0 0 芯片内部结构图如图2 4 所示，该芯片包括射频信号接收通道和发送通 道。射频信号接收通道功能是把接收到的射频信号转换为基带数字信号，接收电 路包括：低噪放大器( l n a ，l o wn o i s e a m p l i f i e r ) 、频率同步器、混频器、中频 滤波器、中频放大器、模数转换器( a d c ，a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ) 和数字解 调器。射频信号发送通道功能是把数字基带信号转换为射频信号，发送电路包括： 数字调制器、数模转换器( d a c ，d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r ) 低通滤波器、频率 同步器、混频器、加法器和功率放大器( p a ，p o w e r a m p l i f i e r ) 图2 4c c 2 4 0 0 模块结构图 低功率无线跳频电台及同步技术研究 c c 2 4 0 0 芯片具有低中频接收特征，中频频率( i f ，i n t e r m e d i a t ef r e q u 曲c y ) 值 是1 m h z 。它接收到的信号经l n a 放大，由本地正交载波( i ，q ) 下变频到正。q 两路中频信号经带通滤波器、放大器和模数转换器由模拟信号转换为数字信号。 数字调制信号经自动增益控制、最终信道滤波器、数字解调器和位同步器完成数 字信号解调，得到数字基带信号。c c 2 4 0 0 芯片在发送时，正交基带信号通过数模 转换器和低通滤波器，由本地载波直接上变频到发射频率，送给功率放大器。 3 、p c b 天线设计 根据电磁场理论，一根有限长的导体放在一定的辐射场内，在电磁场的作用下， 导体上便感应出电势，产生高频电流。若将此导体与接收机相连，则此电流被送 到接收机的回路，就能接收到无线电波所载的信息。天线在无线信道中的接口作 用在于它具有能量转换的功能，它能把发射设备产生的高频电流形态的能量转换 成电磁波能量，同时又能把电磁波能量变换成高频电流形态的能量。因此，天线 是一种具有特殊功能的能量转换器，其转换能量的作用具有可逆的性质，即同一 副天线可以用作发射，也可以用作接收，发射天线和接收天线之间具有互易的特 性。 。之2 图| | 鬻 嚣露嘲壶 ! ! 孟 = 业：l 图2 5p c b 天线圈 设计天线时天线的长度和宽度的和应满足大约等于波长的四分之一啪3 。一 第二章低功率跳频电台硬件设计与实现 般减少天线的高度值，天线的接收信号宽度也会降低。c c 2 4 0 0 芯片使用的p c b 天线像一个倒立的f ，该天线是单极天线，天线顶部被折弯与地线平行。图2 5 是p c b 天线的模型图。 天线的高度( h ，h e i g h t ) 是地平面到平行截面的距离，长度( l ，l e n g t h ) 是平行截面的底部到发射点的距离。 长度：l = ( 2 6 1 9 m m 一9 1 9 m m + 1 2 2 m m 均= 1 76 1 m m 高度：h = i7 m m + 09 7 衄n ii 9 1 3 1 1 = 65 5 咖 由天线长度和高度计算得到的四分之一波长： 丑4 = f l + h l = 1 76 1a i m + 65 5 m m = 2 4 1 6 m m 。 式( 2 1 ) p c b 天线实际工作在24 5 g h z 的理论上的四分之一波长： 4 = c ( 4 ，) = 3 l o 吼4 24 5 1 0 9 ) = 3 0 6 1m m 式( 2 。2 ) 4 、基于c c 2 4 0 0 芯片的射频模块设计 采用倒立的f 式天线设计的射频模块外围电路及与微处理器接口的连接原理 图如图2 6 所示。 图2 6 射频模块电路原理匿 1 2 低功率无线跳频电台及同步技术研究 射频模块留出c c 2 4 0 0 芯片的所有连接端口，不管使用什么类型的微处理器， 只要接口类型匹配都可以控制该射频模块。该射频模块没有设计电源模块，因为 c c 2 4 0 0 芯片只需要1 8 v 和3 3 v 供电，所以留出1 8 v 和3 3 v 电源接口，直接由 控制模块供电。 5 、射频p c b 电路板设计 设计高频电路用电路板有许多注意事项，尤其是g h z 等级的高频电路，更需 要注意各电子组件与印刷电路的长度对电路特性所造成的影响。 基于c c 2 4 0 0 芯片的射频p c b 电路板要求4 层，第一层用了放置元器件和布 信号线，第二层为接地层，第三层是电源层，第四层是布线层，第一层与第二层 间的厚度为0 2 4 m m ，四层p c b 电路板的厚度应为l m m 。在射频p c b 板子上放 置c c 2 4 0 0 芯片的区域要覆铜，并多打过孔与地层连接，第一层上高频部分，没 有布线的区域也要覆铜，并多打过孔与地层连接。芯片接地引脚应通过过孔接地 层，过孔距引脚越近越好，滤波电容放置在距电源引脚尽可能进的地方，滤波电 容是必须的，可以提供稳定的电源。外部器件特别是射频匹配网络器件要选择贴 片元器件，元器件封装尽量小，可选用0 4 0 2 封装的电容、电感和电阻，因为封装 不同的元器件，它们之间的特性也会有差别瞳6 1 。 2 3 1 硬件系统结构 2 3 跳频电台硬件平台 1 、c c 2 4 0 0 芯片的微控制器接口 c c 2 4 0 0 芯片接口充分考虑了用户编程和使用的方便，外围元器件很少，可以 直接与微处理器的i o 接口连接并进行发送和接收数据，这些数据是基带数据， 不需用户进行曼彻斯特编码。 c c 2 4 0 0 芯片的微处理器接口有控制接口、数据接口和状态接口，微处理器通 过这些接口完成对该芯片的控制和数据收发。 通过c c 2 4 0 0 的串行外设接口( s p i ，s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 完成该芯片的 寄存器配置，配置工作频率、数据速率、调制方式、数据收发模式等。通过芯片 上的r x ( o ：关闭接收，1 ：设置接收) 和t x ( o ：关闭发送，1 ：设置发送) 接 口配置芯片的工作状态空闲、接收或发送，芯片的工作状态也可以通过s p i 接口 写芯片的寄存器实现，在用s p i 接口实现芯片的工作状态控制时，引脚r x 和t x 应接地，否则通过s p i 接口写入寄存器的值无效。 c c 2 4 0 0 芯片与微处理器间数据传输有两种方式b u f f e r 模式和u n b u f f e r 模式。 b u f f e r 模式下，从芯片中读取数据和往芯片中写入数据通过s p i 接口，数据存放 在c c 2 4 0 0 芯片的寄存器中。u n b u f f e r 模式下，芯片通过d i o 和d c l k 引脚与 第二章低功率跳频电台硬件设计与实现 1 3 微处理器进行数据通信，d i o 引脚是双向同步数据引脚，在该模式下，数据时钟 由c c 2 4 0 0 芯片的d c l k 引脚提供，d c l k 引脚是输出引脚。 状态接口有p 1 0 1 、p 1 0 6 、f i f o 和p k t 。p 1 0 1 和p 1 0 6 接口只作为输出，与 微控制器相应的i o 接口连接，微控制器可以通过这两个接口读取c c 2 4 0 0 相应的 状态信息。f i f o 和p k t 引脚作为状态接口，给微处理器指示c c 2 4 0 0 芯片的数 据状态信号，只有在b u f f e r 模式下，这两个引脚才起作用，因为d i o 与p k t 、 d c l k 与f i f o 引脚是复用的。 2 、射频模块与微控制器连接 图2 7 给出了系统结构图，该系统主要有两个模块组成，射频模块和控制模块。 该系统设计时，微控制器与c c 2 4 0 0 芯片间数据传输模式使用的是u n b u f f e r 模式， 这样数据通过c c 2 4 0 0 芯片的双向接口d i o 与a t 9 1 s a m 7 s 2 5 6 微控制器的同步 串行控制器( s s c ，s y n c h r o n o u ss e r i a lc o n t r o l l e r ) 接口的t d 和r d 接口连接， 数据收发时的时钟信号由c c 2 4 0 0 芯片的d l c k 引脚提供，该引脚与 a t 9 1 s a m 7 s 2 5 6 微控制器的s s c 接口的t k 和r k 连接。 射频模块控制模块 m o s i 天 m i s o 一 一 c s n s c l k c c 2 4 0 0 a t 91s a m 7 s 2 5 6 d i o d c l k tx 习 图2 7 射频模块与控制模块连接示意图 微处理器通过4 线s p i ( m o s i 、m i s o 、c s n 和s c l k ) 接口对c c 2 4 0 0 芯片 进行配置，c c 2 4 0 0 芯片作为从设备。该芯片的寄存器有7 b i t 的地址值，配置该 芯片时，每个写周期有2 4 b i t 数据通过m o s i 引脚写入c c 2 4 0 0 相应寄存器中。第 一个b i t 数据是读写( 刚w ，0 ：写，1 ：读) 位，接着是7 b i t ( a 6 ：0 ) 数据地址 位，地址值高位在前，最后1 6 b i t ( d 1 5 ：0 ) 是数据信息。在读写周期中，c s n 引脚应保持低位；读写操作完成后，c s n 引脚应置高电平。在读c c 2 4 0 0 芯片寄 存器时，s p i 接口的m o s i 引脚写入值，r w 位置高电平，接着是7 b i t 数据地址 位，数据写完后，在芯片的m i s o 引脚返回对应地址寄存器的数据。图2 8 给出 了通过s p i 接口配置c c 2 4 0 0 芯片的时序图。在m o s i 引脚写入读写位和寄存器 地址值时，m i s o 引脚返回相应的状态值，可根据返回的状态值，查表找出对应 1 4 低功率无线跳频电台及同步技术研究 的信息。 s c l k 厂 厂1 几厂 厂 几nn厂1 厂 几厂 r 广 广 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 n 厂1 csri。【。厂 宦主蔑腮 m o s iq x 圃医粥固雹阮四医巫圆匦箍d 伍梵四面m 皿孤团x 豆躯固殛孤四 姗皿 m i s o 一僵匠匠珏燔歌豆面盈正= 二二二二二二二二二二二x 二二二二二二二二二二二二二二 谴寄存暴 m o s i m i s o 蓝粥匿还致豇围豇) 匝旺殛函眨d 豇托d 国粥蔑匝卫d 磷匿近函亚匝通d 面d 皿5 2 3 2 硬件平台连接测试 图2 8s p i 时序图 1 、射频c c 2 4 0 0 芯片初始化配置 c c 2 4 0 0 芯片的配置寄存器中存储有默认的数据，给芯片加电后，配置寄存器 中存放的是默认值，要根据不同的应用，更改配置寄存器的值。c c 2 4 0 0 芯片内 置有状态机，根据状态机不同的值可以知道当前芯片的工作状态，要更改芯片的 工作状态必须根据状态机的状态转移图进行，否则不能完成配置，即使往配置寄 存器中写入值也是无效的。图2 9 给出了c c 2 4 0 0 芯片状态机的流程图 图中左边部分是通过芯片的引脚r x 和t x 控制芯片收发的状态转移图，右边 部分是由s p i 接口写数据给芯片相应配置收发的寄存器的状态转移图。本系统只 使用右边部分，只要读取f s m s t a t e 寄存器的f s mc u rs t a t e 4 ：0 位的值就 可以知道芯片的状态。如，芯片处于i d l e 状态时，从配置寄存器f s m s t a t e 读 取f s mc u rs t a t e 4 ：0 位的值是“l ”：芯片处于接收状态( s r x = 1 ) 时，相 应位读取的值是1 6 ；芯片处于发送状态( s t x = 1 ) 时，相应位读取的值是1 7 第二章低功率跳频电台硬件设计与实现 图2 9c c 2 4 0 0 状态转移图 c c 2 4 0 0 芯片支持定频和跳频两种通信方式，本系统设计的是跳频通信，如何 在通信中实现频率跳变是关键，更改配置寄存器f s d i v 的值，c c 2 4 0 0 芯片工作 在相应的频率值上。c c 2 4 0 0 芯片工作频率范围从2 4 0 0 m h z 到2 4 8 3 5 m h z ， i f = i m h z ，频点数是8 4 个，频率改变值是1 m h z 的整数倍。注意，要更改f s d 寄存器的值，c c 2 4 0 0 芯片必需处于i d l e 状态，否则，p l l 锁相环不能锁定在指 定值上。 c c 2 4 0 0 芯片初始化配置过程，如图2 1 0 所示，只写出了需要配置的寄存器 名和写入的相应值，其它寄存器使用默认设置。 1 6 低功率无线跳频电台及同步技术研究 m a i n 寄存器写入 0 x 0 ，从置所有寄存器 m a i n 寄存器写入 0 x 8 0 0 0 ，软启动 ， g r m d m 寄存器写入 0 x 0 5 f 5 图2 1 0c c 2 4 0 0 芯片初始化流程 c c 2 4 0 0 芯片加电后，进行初始化时，要先给主寄存器m a i n r e s e t n 位写 入“0 值，然后置“1 ”，这样做的目的是恢复芯片的所有配置寄存器值为默认值， 若不这样做，由于以前配置的数据还可能留在寄存器中，影响芯片的正常工作， 可能出现不希望的现象。g r m d m 寄存器写入0 x 0 5 f 5 ，表示c c 2 4 0 0 芯片以 u n b u f f e r 模式与微控制器进行数据通信，前导码和同步字长度是4 个字节，数据 编码方式的曼彻斯特，调制解调方式是f s k 。s x o s c o n 、s f s o n 、s r x 、s t x 和s r f o f f 寄存器是命令寄存器，当写这些寄存器时，无论写入的是什么值，都 会给c c 2 4 0 0 芯片发出相应的控制命令，为了增加程序的可读性、易操作性，规 定在对这些命令寄存器进行操作时，统一写入0 x 0 值。给命令寄存器s x o s c o n 写入值，打开晶体，直到芯片进入i d l e ( “1 ”) 状态，才能给频率寄存器f s d i v 中写入工作频率，所以s x o s c o n 写入值后，要判断芯片是否进入i d l e 状态。 状态寄存器s f s o n 写入值，p l l 会在很短的时间( 微秒级) 内完成对f s d i v 中 第二章低功率跳颠电台硬件设计与实现 值的锁定，这时可以指示c c 2 4 0 0 芯片工作在接收或发送状态，完成无线数据收 发。定频工作时，要改变c c 2 4 0 0 芯片的接收或发送状态，只需要再次写s f s o n 状态寄存器，该芯片就关闭r ) 叽x ，进入等待置r x 或t x 状态，重新置状态寄 存嚣s r x 或s t x ，芯片就进入接收或发送状态；跳频工作时要更改c c 2 4 0 0 芯片的工作频率，需要写命令寄存器s r f o f f 关闭频率同步器( f s ，f r e q u e n c y s y n c h r o n i z e r ) 和r y j t x ，返回i d l e 状态，完成频率值更换，因为只能在i d l e 模式下修改c c 2 4 0 0 芯片的工作频率。 2 、射频模块频谱分析 使用a m i t s u 公司的m s 2 6 8 3 a 型号频谱分析仪，观察射频模块在频率 2 4 4 0 m h z 上处于发送状态的频谱图，如图21 1 所示。 图2 1 12 4 4 0 m l - l