[硕士论文精品]基于前向纠错码(fec)的无线数据传输的研究

摘要微电子技术、无线电技术的发展和数字通信技术的紧密结合，逐步形成了无线数据传输技术。它的出现改变了传统的有线传输的使用现状，极大地减少了人们对有线网络的依赖，省去了铺设有线线路的麻烦，是无线通讯技术的个重要发展方向。本论文围绕着无线数据传输技术这个主题，进行了以下几个方面的研究，并得出一些相应的结论第一章首先阐述了通讯技术的发展概况，然后分析了国内外无线数据传输的发展状况及趋势，得出采用高性能的超大规模集成电路、无线数字通信技术和纠错编码技术是无线数据传输技术的发展趋势，并由此得出本论文的研究意义和主要研究内容。第二章首先分析了无线数据传输系统的工作原理，然后给出了无线数据传输系统的硬件电路设计与实现，并提出相应的硬件抗干扰设计，从而最终实现了基于超大规模集成电路和数字通信技术的无线数据传输系统的硬件设计。第三章给出了无线数据传输系统的软件设计实现，采用具有模块化和结构化程序设计、易于实现的控制算法以及灵活的C语言编写程序；并根据系统的实际需要和实验结果设计出无线通信协议，提出了用OXFF和OX00作为数据头，较好地解决了CCL000在收发时抗干扰的问题；根据划分的功能模块，给出了各子程序的程序框图。第四章首先根据天线设计的相关理论以及电路原理知识，介绍了单极天线的各个电特性指标和阻抗匹配设计，并得出单极天线传播距离的计算公式；根据实际设计参数计算得到无线数据传输系统的传播距离，并通过实验测得无线数据传输系统的实际传播距离。第五章首先阐述了BSC信道模型和GBSC信道模型的理论；然后通过实验的方法建立了BSC和GBSC信道模型，经分析得出GBSC信道模型与无线数据传输系统信道的实际模型比较相符，为下一章纠错编码提供了理论依据。第六章首先对第五章建立的GBSC信道模型进行分析，得出适合无线数据传输系统的纠错编码RS255，223循环码；通过实验验证了RS255，223码有较好的纠错性能，提高了系统的抗干扰能力。第七章对本论文所做的研究工作进行了简要总结，并得出了一些结论；然后F分析了一些有待进一步研究的内容。关键词无线数据传输射频单极天线信道模型GBSC纠错编码RS码2ABSTRACTTIGHTLYCOMBINEDWITHTHEDEVELOPMENTOFTECHNOLOGIESOFMICROELECTRONICS，RADIOENGINEERINGANDDIGITALCOMMUNICATION，THETECHNOLOGYOFWIRELESSDATATRANSMISSIONCANEINTOBEINGCOMPARETOWIRETRANSMISSION，THEWIRELESSDATATRANSMISSIONHASMANYADVANTAGESWITHTHISTECHNOLOGY，THEDEPENDENCEONWIRENETISGREATLYDECREASEDANDPEOPLELEAVEOUTTHETROUBLEOFLAYINGOUTTHEWIRETECHNOLOGYOFWIRELESSDATATRANSMISSIONISONEOFTHEIMPORTANTDEVELOPMENTTENDENCIESOFWIRELESSCOMMUNICATIONTECHNOLOGYAROUNDTHETOPICOFWIRELESSDATATRANSMISSIONTECHNOLOGY，THEMAINCONTENTSOFTHISTHEMSWITHTHERELEVANTCONCLUSIONSAREASFOLLOWSINCHAPTER1，FIRSTLYTHEDEVELOPMENTOFCOMMUNICATIONTECHNOLOGYISDISCUSSED，THENTHESTATUSANDDEVELOPMENTTENDENCYOFWIRELESSDATATRANSMISSIONTECHNOLOGYATDOMESTICANDABROADISANALYZED，ANDCOMETOACONCLUSIONTHATUSINGVI。SITECHNOLOGYOFWIRELESSDIGITALCOMMUNICATIONANDTECHNOLOGYOFERRORCORRECTINGISTHEDEVELOPINGTENDENCYOFWIRELESSDATATRANSMISSIONTECHNOLOGY，ALSOTHESIGNIFICANCEANDTHECONTENTSOFTHETHESISAREPUTFORWARDINCHAPTER2，FIRSTIYTHEBASICPRINCIPLEOFTHESYSTEMOFWIRELESSDATATRANSMISSIONISANALYZEDTHENTHEHARDWAREDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHEFUNCTIONALMODULESAREDISCUSSEDINDETAILLASTLYTHEHARDWAREMETHODSOFANTIDISTURBANCEAREGIVEN，ANDENTIRELYFINISHEDTHEHARDWAREDESIGNOFTHESYSTEMOFWIRELESSDATATRANSMISSIONBASEDONVLSIANDTECHNOLOGYOFDIGITALCOMMUNICATIONSINCHAPTER3，THESOFTWAREDESIGNOFTHESYSTEMOFWIRELESSDATATRANSMISSIONISPROVIDED；THEPROGRAMISCODEDWITHTHECLANGUAGETHATHASMANYADVANTAGESSUCHASMODULARIZATION，STRUCTURIZATION，EASILYIMPLEMENTATIONTHECONTROLALGORITHMANDGOODFLEXIBI1ITYACCORDINGTOACTUALSYSTEMREQUIREMENTSANDEXPERIMENTS，THECOMMUNICATIONPROTOCOLIS3PROVIDED，USINGOXFFANDOX00ASTHEDATAHEADISAGOODSOLUTIONTOTHEDISTURBANEEOFCCL000INSENDINGANDRECEIVINGSIGNALSLASTLYTHEFLOWCHARTSOFFUNETIONALMODULESAREGIVEN，ANDENTIRELYFINISHEDTHESOFTWAREDESIGNOFTHESYSTEMOFWIRELESSDATATRANSMISSIONINCHAPTER4，ACCORDINGTOTHERELATIRETHEORYOFTHEANTENNAANDTHECIRCUITTHEORYTHEPARAMETERSOFELECTRICCHARACTERISTICANDTHEIMPEDANCEMATCHINGOFTHESINGLEANTENNAISINTRODUCED，ALSOTHEFORMULASOFTHESINGLEANTENNASCOMMUNICATIONRANGEAREGIYEN髓THTHEACTUALPARAMETERSOFSINGLEANTENNA，THECOMMUNICATIONDISTANCEOFTHESYSTEMOFWIRELESSDATATRANSMISSIONISCALCULATED，ANDWITHEXPERIMENTS，THEACTUALCOMMUNICATIONDISTANCEOFTHESYSTEMOFWIRELESSDATATRANSMISSIONISGIVENINCHAPTER5，FIRSTLYTHETHEORYOFTHEBSCANDGBSCCHANNELMODELSAREPRESENTEDTHENWITHEXPERIMENTS，THEBSCANDGBSCMODELSOFTHESYSTEMAREESTABLISHED。ANDCOMETOACONCLUSIONTHATGBSCMODELISMORESUITABLETODESCRIBETHESYSTEMSCHANNELMODELTHEESTABLISHEDGBSCMODELGIYESADESIGNPRINCIPLEOFERRORCORRECTINGSYSTEMINTHENEXTCHAPTERINCHAPTER6，FIRSTLYACCORDINGTOTHEANALYSISRESULTSOFTHEGBSCMODELESTABLISHEDINCHAPTER5，THEREEDSOLOMONCODEISSELECTEDTHEEXPERIMENTSPROVEDTHATTHEREEDSOLOMONCODEHASVERYHIGHPERFORMANCEOFERRORCORRECTINGANDTHEANTIDISTURBANCEPERFORMANCEOFTHESYSTEMISGREATLYIMPROVEDINCHAPTER7，ABRIEFSUMMARYONTHEFIVEMAINTOPICSINTHISTHESISISPROVIDED，ANDSOMECONCLUSIONSAREDRAWN；ALSOSOMERESEARCHESTHATNEEDTODOBYNEXTSTEPAREANALYZEDKEYWORDSWIRELESSDATATRANSMISSION，GBSC，ERRORCORRECTING，REEDSOLOMONRF，SINGLEANTENNA，CHANNELMODELCODE4第一章绪论II通讯技术的发展概述“S120世纪是通讯技术高速发展和成熟的时代，随着现代科学技术的飞速发展，通讯技术经历了古代、近代、早期现代、现代通讯技术的发展历程，通讯技术已不仅仅是一种通讯方式，而更多的是已经溶入人们生活当中去的生活方式。随者现代通讯技术的高速发展，整个世界乃至整个地球变得越来越小，它架构起了人与人之阃相互联系的桥梁，成为现代科学技术不可或缺的重要技术手段和环节，是科学技术发展的必然趋势。【1说到通讯，其实要从人类起源的时候说起。那时人们还没有语言，类人之间沟通全靠互相的吆喝，比如说A叫B就发出“笃茑”的声音，B叫A就发出“噜噜”的声音，久而久之长此以往人类的语言就这样的产生了。叫声就成为了人类最早的数据通讯，而声音的频率与波长就成为了最早的数据元。然后就是文字的产生，这时人们就能够通过书信与远方的亲朋好友联系。当然那时人们互相联络的方法不止这些。烽火台的熊熊火焰，岩壁上的石刻都是通讯的方式。这也就说明，人类的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉，都能够成为数据的接收体接收不同方式的数据。以上说的通讯都是19世纪以前的通讯技术。从19世纪才能够说是现代通讯技术来临的时代。1875年，贝尔在自己的试验室中首先实现了电话，当时两个人如果想在家通话那么首先就要求两个人家里必须有一条直接相连的物理链路，俗话说就是两个人家里必须有一个电话线相连，这样即浪费原材料又占据了大量的物理空间。1878年，有一个美国人想到在每个人家都建立一个中转站，提供电话线的物理连接如图11所示。A如果想与B通话就在接入点将两家的电话线通过一个开关连接起来，这就是交换机的雏形。不久有人将所有的电话线开关集中，使用人工交换就成为这种交换机如图12所示。我们看到许多的战争纪录片中使用的就是这种交换机。首先打电话的人先摇铃，这时在交换台表明电话线号码的磁石后改为使用电灯闪亮就会掉下来，然后交换台的小姐将接通来电了解用户通话的对象，然后将两家的电话线物理连通，这时再通知通话对象电话来了也就是电话铃响。当然这种方法有许多缺点，它速度慢、差错率高、容量小。现代我们当然早就不使用这种老旧的设备，1892年，在美国第一台自动交换交换机它可以在电信博物馆看到的出现改变了这种需要人工处理的方法。1900年，还是在美国第一台纵横式交换机出现了，它比上一种交换机只多了两个设备1记发器，2标志器。1965年，美国贝尔公司生产出第一台程控交换机，通过使用程控交换机的电话误接率大大下降，通话质量大大提高，多种通讯方式得以整合。到了1970年法国的一家公司提出了PCM脉冲编码调制技术，电话线使用的效率得以再度提高。圈12人工交换机到了上个世纪九十年代，随着微电子技术的飞速发展，计算机技术和光纤通信技术的广泛应用，由传输、交换、终端等硬件设备与网路结构、编号计划、信令方式、网路管理等软件构成的通信网，正在迅速向数字化、综合化、智能化方向发展。INTERNET互联网技术就是基于此发展起来的，其主要是靠光纤进行通讯。光纤通讯作为现代通讯技术的一种重要组成部分，在理论上是一种单向有线数据传输方式，在实际应用中它给人的感受却是双向的。激光技术于1960年在美国被MAINAN发明的红宝石激光器引领出来，六年后英籍华人高琨博士发明了二氧化硅石英玻璃激光器。与传统数据传输技术相比光纤技术具有以下七个特点叫R1传输的频带宽2损耗低，中继距离长3抗电磁干扰4保密性强5资源丰富，节省有色金属SO6线径细，重量轻7容易均衡现在网络己逐渐成为人们生活的必需品，各式各样的网络不论是电话网络、电脑网络，甚至是GSM、CDMA网络，最终还是要靠光纤来连接，由于光纤传输的频宽是电缆传输的数百倍以上，且光纤通讯技术仍在不断的突破当中，未来光纤网络仍具有相当的成长性，因此有人说二十世纪是电的世纪，而二十一世纪则是光的世纪。12无线数据传输技术的概述当今，随着计算机的日益应用发展，计算机组网已成为一种必不可少的发展趋势。目前，国内大多数计算机网为有线方式传输数据。有线方式传输数据主要依靠电话线和数字光纤通信网。但是，由于目前计算机网络系统对有线通信线路的依赖性过强，一旦发生突发事件，将会带来巨大的经济损失。曾经在日本发生的大地震造成有线通信线路严重损坏，使金融业务、通信业务瘫痪的惨痛教训，使我们感到研究无线数据传输系统的必要性。无线数据传输系统就是不用铺设有线线路，在空中通过电磁波进行高质量、全方位信息传递的通信系统。利用无线数据传输技术可以把计算机系统或外部设备简单而灵活地联成局域网或者区域网。无线数据传输系统有着有线数据传输系统不可比拟的优点1受地理条件限制较少，省去了通信设备之间连线，特别是在不易接线或接线费用较高区域如有历史意义的建筑物、河流、山脉等障碍更具优势，甚至某些场合只能采用无线通信方式如民航飞机的导航。2设备的可移动性、安装的方便性、组网的灵活性等。93抗干扰能力强、可靠性高、安全性好。因而可广泛地用于军事、交通、地质、金融等行业。13无线数据传输的发展和应用“1最早应用无线数据传输的人是意大利人马可尼，这要追溯到十九世纪后期，马可尼发明无线电，这是无线通讯上一个伟大的发明，具有划时代的历史意义。1894年，即赫兹去世的那年，年仅20岁的马可尼，在电气杂志上读到了赫兹的实验和洛奇的报告，从小就喜欢摆弄线圈、电铃的他，便一头钻进了电磁波的研究中。他想既然赫兹能在几米外测出电磁波，那么只要有足够灵敏的检波器，就一定能在更远的地方测出电磁波。经过多次的失败，他终于在第二年的夏天取得了很大的进步，他的助手在距离自己27公里的地方发送信号，马可尼可以完整的接收到信号，这就是最早期的无线通讯。进入二十世纪以后，以马可尼、波波夫为首的一大批无线电领域的科学家不断致力于无线电技术的研究，使导无线电技术逐渐成熟。到了70年代后，随着大规模集成电路及专用微处理器的出现，无线数据传输的可靠性得到了提高。后来，随着数字处理技术的快速发展，利用数字通信技术的抗干扰能力强、易于对数字信号进行各种处理等等的优点，与此同时，模拟集成电路设计的迅速发展，各种高精度的模拟数字转换器AD和数字模拟转换器DA的研制成功，使得无线数据传输的可靠性、安全性日趋成熟。由于无线数据传输有着有线数据传输不可比拟的优点，因此它有着极其广泛的应用，主要应用在以下各领域当中车辆监控、无线遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485422数据通信、数字音频、数字图像传输等等。无线数据传输正在不断地发展，其应用已遍及工业控制的各个领域。由于无线数据传输系统的种种优点，因此其组建临时局域网有着很大的优势，主要省去布线的麻烦，非常简便、灵活。无线组网方式主要分为两种类型I点对点无线计算机网该种方式适用于较少单位相互联接，进行数据交10换。两点传输距离根据选取的MODEM芯片和电路的不同可长可短。一般可达到几百米到几公里。两点分别为主机或终端。2点对多点无线计算机网该种方式适用于某一地域内较多单位相互联接，进行数据交换，由网络中心计算机主机与远地PC机群组成。时至今日，已经出现了多种无线网绍接入技术，比如INFRARED红外线、HOMERF家庭无线网、LAN一无线局域网8021LA，8021LB，8021LG、WAP、JETSEND1997年HP公司提出的计划最高速率为4MBPS，支持TCPIP协议、HAVI家庭无线互连的通讯方法、HAPI微软提出的、无线框架、WLAN、BLUETOOTH蓝牙技术等等。”114无线数据传输的研究趋势随着数字通信技术和超大规模集成电路的高速发展，把数字通信技术和高性能、高集成度的集成电路应用到无线数据传输技术中，使得无线数据传输系统的性能更加完善，可靠性更加高。它们都在推动着无线数据传输技术的发展，具体表现在以下几个方面1超大规模集成电路的飞速发展使无线数据传输系统的硬件电路的可靠性提高，同时为实现更强大的功能提供了可能性。早期的无线数据传输系统大都采用分立元器件搭建起来的，功耗大，发热、损耗严重，而且可靠性比较差；在超大规模集成电路飞速发展的今天，功能越来越强大、体积小而功耗越来越低的元器件层出不穷，为设计者带来了更多的便利和选择余地，设计者可以设计出功能更加强大，而且可靠性又高的硬件电路。2数字通信技术提高了无线数据传输系统的性能。N”“蝴数字通信技术的主要优点抗干扰能力强，便于加密，易于集成化，易于对数字信号进行各种处理。70年代，由于大规模集成电路和数字信号处理技术的发展，给数字通信技术实用化创造了有利的条件。信息理论中指出的在一定的信道条件下有效和可靠地传输信息的功能，已经能在数字通信系统上实现。首先，调制方式从传统的模拟调制包括调幅AM、调频FM和调相PM转为数字调制包括幅值键控ASK，频率键控FSK，相位键控PSK，发挥数字通信的11优势。ASK系统的结构最简单，但抗噪声性能最差，FSK系统的频率利用率和抗噪声性能都不及PSK。其次，数字频率合成技术的成熟和完善，采用DDS直接数字合成和PLL锁相环回路频率合成技术，使得合成的频率稳定，具有较强的抗干扰能力。频率合成的方法很多，大致可分为直接合成法和间接合成法两种。直接合成法是通过倍频器、分频器、混频器对频率进行加、减、乘、除运算，得到各种所需频率。其优点是频率转换时间短，并能产生任意小的频率增量。但它也存在一些不可克服的缺点，例如，用这种方法合成的频率范围将受到限制，更重要的是由于大量的倍频、混频等电路，就要有不少的滤波电路，使合成器的设备十分复杂，而且输出端的滤波、噪声及寄生频率难以抑制。而间接合成法就是利用锁相环路的窄带跟踪特性来得到不同的频率。数字锁相环频率合成器又分为直接式锁相环频率合成器和吞食脉冲式锁相环频率合成器。图1_3所示是一个典型的直接式锁相环频率合成器的原理图。它由参考振荡源、参考分频器、锁相环三部分组成。3纠错编码技术提高了无线数据传输系统的抗干扰能力。“钉由于信号传播的开放性、发射接收地理环境的复杂惶与多样性、发射源与目标系统可能存在的相对移动，通信信道受到外界许多信号的干扰，同时又由于无线通信自身的多径衰落等因素，使得无线信道表现出很大的复杂性和随机性，因此传播的信号将产生空间、时间、频率选择性衰落等问题，故接收端在复原发送端的信息时可能会产生错误，这对无线的可靠通信造成了很大的麻烦。为了保证系统能可靠地工作，人们在采用无线方式进行信息传输时必须从技术和方法上付出更大的代价。12随着纠错编码理论的不断完善和数字电路技术的飞速发展，采用纠错编码理论对无线数据传输信道进行信道编码，提高通信信道的抗干扰能力，可以有效地保证数据传输的正确性。纠错编码的基本实现方法是在发送端将被传输的信息附上些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联约柬。接收端按照既定的规则校验信息码元与监督码元之间的关系，一旦传输发生差错，则信息码元与监督码元的关系就受到破坏，从而接收端可以发现错误乃至纠正错误。利用信道编码进行差错控制的系统基本上有三种裣错重发ARQ、前向纠错FEC和混合纠错HEC。ARQ系统的基本思想就是利用检错码，在接收端一旦发现数据出错，便反馈回去相应的信号，要求重发，这种系统的效率低，实时性差。FEC系统的基本思想是利用纠错码，在接收端发现错误时，根据接收到的码和编码规则，自动纠正传输中的错误，这种系统的实时性好，但是随着纠错能力的提高，编译码设备相对复杂。HEC系统是结合前向纠错和ARQ系统的优点，在纠错能力范围内，自动纠正错误，超出纠错范围则要求发送端重新发送，它是一种折衷的方案，实时性不是很好。综合比较以上三种信道编码方案，从系统的实时性、纠错的效率考虑，采用前向纠错码进行纠错编码控制比较合适。综上所述，在进行无线数据传输系统的设计中，首先，必须采用高性能的微控制器和射频收发芯片等超大规模集成电路，以增强其控制性。其次，为了提高无线数据传输系统的抗干扰能力，适宜采用例如FSK数字调制和数字频率合成技术等数字通信技术和FEC差错控制系统。15国内外对无线数据传输的研究状况乜4。51由于无线数据传输技术有着广泛的应用场合，特别是在无线通信方面有者特殊地位，世界很多国家都非常重视对它的研究和推广应用。80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，以美国的枷PS高级移动电话系统为代表，当时，AMPS在全球的市场份额达到66，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90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、13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大量用户的移动性，而渐渐取代了模拟通信系统，以欧洲的GSM为代表，目前，大多数用户用的都是GSM系统。246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。与国外对无线数据传输技术的研究应用相比较，国内则相对比较晚，技术也相对比较落后。起初研制的无线数据传输系统，大都采用的是调频等模拟无线通信技术，因此，抗干扰能力差、通信的可靠性差、安全性差，而且使用还需要进行频段申请。其后，出现的无线数据传输系统，倒是充分利用了无线数字通信技术的优点，但没能把差错控制编码技术应用于系统当中，因此，系统的抗干扰能力还是不强。到了近几年，我国的无线数据传输技术取得了十足的进步，成功研制了非接触RF智能卡、大型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统等等，最值得骄傲和期待的是，以中国的大唐公司为首，提出了TDSCDMA标准，在3G标准的争夺战中处于有利地位。16论文的研究意义和主要研究内容161论文的研究意义无线数据传输技术有着广阔的应用市场和发展前景，但是纵观国内无线数据传输技术的发展，我们和国外的还存在很大的差距，目前国内的无线数据传输系统在传输距离、传输可靠性、传输速率、抗干扰能力等方面仍存在很大的不足，很难保证在干扰严重的恶劣的环境下稳定可靠的工作，同时，也很难跟国外同类的产品迸行竞争。因此，在认识到自己的不足之后，要努力地赶上并超过他们，力求缩短同他们之间的差距，推动中国的无线数据传输技术迈上一个新台阶。为了使我所设计的无线数据传输系统具有较强的抗干扰能力，及较远的传输14距离和较高的数据传输正确率，在我的研究中，采取以下措施在无线数据传输系统的硬件设计中，我们采用高性能的微控制器、射频收发芯片等超大规模集成电路。实现了FSK数字调制方式和PLL数字频率合成技术等无线数字通信技术，提高了无线数据传输的可靠性。在无线数据传输系统的软件设计中，我们选用FEC技术进行纠错编码控制。首先，通过实验建立无线数据传输的信道模型；然后，根据建立的信道模型选用合适的纠错编码算法实现FEC差错控制，从软件的角度提高了无线数据传输系统的可靠性。随着无线数据传输技术在军事、工业、民用中的广泛应用，无线数据传输技术将日趋完善，应用范围将越来越广泛，以无线数据传输模块为蓝本，根据实际系统的需求，对其做出一些改动，可以将其用作数据采集、信息反馈、1数据交换，无线数据传输技术必将成为未来的军事、工业、民用领域中的重要组成部分。I62论文的主要研究内容本论文主要进行了以下几个方面的研究首先，根据无线数字通信的基本原理，结合微电子技术，进行无线数据传输系统的硬件设计和软件设计。其次，设计了低成本的单端天线，并根据天线设计的原理，对单端天线进行数学建模和理论分析，通过实验测得无线数据传输系统的有效传输距离。最后，通过实验的方法，建立了能够反映无线数据通信的信道模型；再根据所建立的信道模型，选用合适的纠错编码算法，并逶过实验对所选用的算法的有效性进行验证。17本章小结首先，本章介绍了通信技术的发展情况。其次，对无线数据传输技术的优点、发展、应用范围进行了详细的说明。再次，阐述了无线数据传输技术的发展趋势，指出采用高性能的超大规模集成电路、无线数字通信技术和纠错编码技术是无线数据传输技术的发展趋势。最后，在分析了国内外无线数据传输技术的研究状况后，并结合无线数据传输技术的发展趋势，得出了本论文的研究意义以及本论文的主要研究内容采用高性能的微控制器和射频收发芯片等超大规模集成电路，采用例如FSK数字调制和PLL数字频率合成技术等数字通信技术和FEC差错控制算法，以提高其抗干扰能力。第二章无线数据传输系统的硬件设计21概述长期以来，人们对有线通信线路的依赖性过强，因此，一旦发生突发的事件造成有线通信网络瘫痪，势必给人们带来巨大的经济损失。由于工作环境的原因，比如，在高温、污染严重、对人类有害的环境内，要进行数据传输通讯的话，显然不适合采用常规的有线传输技术。无线电元件制造技术在短时间内取得了高速发展。高封闭的半导体晶片，将数千个晶体管的功能集中在一个几平方厘米的元件板上，标志着当今无线电技术在不断发展。SMD表面贴装技术使电子元件组越来越小型化，并且与承载这些小型元件组的印制板直接焊接。由于工艺可靠性提高，所有重要的元件组都可集成在一个微型芯片上。这种无止境的发展，给无线传输技术带来了更大的变化。因此，所有的这一切都在暗示着无线数据传输技术发展的必然性，组建无线数据传输局域网的便利性。2。2无线数据传输系统的基本组成及工作原理无线数据传输系统的基本组成如图21所示形圈怔困区丑图2I中，各个节点都是相同的，接收方各节点按地址标识进行区分，根据实际需要，组网可大可小，我们可以用16位的二进制数或者8位的二进制数来表示地址标识，相应的LQ最大取值为65536或者256，这在一般的场合都是足够的，如果还不够的话，我们可以加长地址标识，直至满足我们的要求。其中，各个节点的框图如图22所示圈22节点框圈图22所示的接口可以做成各种接口，如232、485、USB等等。微控制器、RF收发芯片的选择将在下面的内容中详细介绍。本论文所设计的无线数据传输系统的工作原理如下上位机一般是PC机将要发送的数据通过串行口传给微控制器，经过编码后，通过射频芯片以无线电波的形式发射出去；接收方通过地址标识来确定哪一个节点应该做出响应，做出响应的节点将数据接收下来，经过解码处理，将其中的错误信息纠正过来，然后传给下面的功能模块，功能模块可以是PC机、手持PBA设备、传感器、执行器等等。同理，接收方可以将数据传回给主发送方。各个从节点之间不能直接进行通讯，需经过主节点作为中继，从而达到通讯的目的。以上所说的通讯方式主要是采用询检方式，这也正是本论文所研究的内容。在这里，顺便提一下此系统的用途，可以应用在工业控制、数据采集等方面。比如说，在一个工厂车间里，要临时组建一个局域网，如果采用有线传输的话，就要铺设线路，在车间里布线可能是一件极其不方便的事情，而且成本高、耗时LR多，而如果采用此无线数据传输系统的话，其便利性就不必多说了。23无线数据传输系统的硬件设计231微控制器的选择无线数据传输系统的核心微控制器选用TI公司的MSP430F161L，该芯片主要有以下特点1低电源电压范围L。836V。2超低功耗。35种节电模式。4从等待方式唤醒时间6IS。516位RISC结构，125NS指令周期。612位200KBPS的AD转换器，自带采样保持。712位DA转换器。8具有3个捕获比较寄存器的16位定时器TIMER_A，TIMER8。9两通道串行通信接口可用于异步或同步软件选择UARTSPI模式。10硬件乘法器1I多达48KB256BFLASHMEMORY和10EBRAM。12串行在系统编程。13安全熔丝的程序代码保护。核心控制器选用MSP430F1611有很多优点芯片内部有AD转换器，简化了外部电路；通过芯片的双工异步串行口UART，方便地与上位机或下位机进行数据交换；MSP430F1611有5种节电模式，并且功耗很低，特别适合手持设备设计；芯片内部是FLASHMEMORY，可以在线编程、烧写程序；芯片内部有足够的存储空间，因此无需外扩ROM和RAM。”1232系统的供电电路的设计系统的供电电路图如图23所示。圈23系统供电电路圈由于本系统中的微控制器、RF射频芯片的工作电压都是33V，因此，选用TI公司的DCDC转换芯片TPS7333Q，该芯片的输入电压范围为377V一10V，输出电压为33V。输入端和输出端各接一个O1PF并,LOPF的电容诞据TPS7333Q的DATASHEET建议，作为滤波电容。RESET管脚需上拉一个220K的电阻，接到微控制器的RESET管脚，起到复位作用。本系统采用5V的供电电压作为输入电压，经过TPS7333Q后，输出稳定的33V电压。为了便于携带，做成手持设备，本系统可以采用电池供电，只要保证33V的输出电压即可。233接口电路设计接口电路设计主要是考虑与上下位机及功能模块进行通讯。本系统的接口电路只设计了与上位机PC机通讯的RS一2325行口。作为扩展，也可以设计成RS485、USB等接口形式。由于微控制器的通用串行口传输的是TTL电平的信号，而PC机的串行口传输的是RS一232电平的信号，因此，必须实现TTL电平与RS一232电平之间的转换。在20这里，选用了MXIM公司的MAX3221型芯片。该芯片的引脚说明如表21所示。衰2I姒黯22L引JL谴明管脚名称动能1【曼I使能稍低电平有效5IAJ电容正端6巳划电容负端7V一电源负端8RNRS232电平信号的输入端13TOUTRS一232电平信号的输出端11TMTTLC0S电平信号的输入端9R0UTTTLCOS电平信号的输出端10F庙，“IDF有效信号检涮输出端16F19RU_强OFFI低电平共掉转换器电源12FORCEON高电平使能自动电路保持转换器工作4幽壁L蜜鱼端14GND接地端15VEE30V一55V的外部电源供电3V电源正端2FAI电容正端其具体外围电路如图24所示圈24M船船L外一电路21图中所示的像D和RXD管脚分别接微控制器的串行发送口和串行接收口。234射频收发模块的硬件设计2341概述随着微电子技术的高速发展，高性能、集成度高RFIC射频芯片层出不穷，它们的出现标志着用分立元件常常还是些恼人的有源和无源元件来装配RF连接的时代已经结束。目前，国外RF芯片有XEMIES的XEL20IA，NORDIC的NRF401，RFMD的RF2915，BLUECHIP的BCC418，CHIPCON的CC400、CCL000等。这些用IC做的RF收发芯片，功耗都很低，特别适合于手持设备的设计，同时它们工作的频带为不要申请的ISMINDUSTRIAL，SCIENTIFIEANDMEDICAL频段工业、科学及医药设备频段，还不需要具体的专利特许，也几乎没有什么现存的规定。这些RF芯片为RF电路设计者带来了很多方便，但是要从市场上这么多RF芯片中选出来合适的，还需要设计者分析设计目标系统的功能、要求，然后对各个厂家提供的相关参数的数据资料进行比较分析，最终选用对设计者来说性价比最高的RF芯片。2342射频RF芯片的选择由于RF射频无线收发芯片的种类和数量比较多，如何在设计中选择所需要的芯片是非常关键的，正确的选择可以使设计少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。选择无线收发芯片时应考虑以下几点因素功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、传输距离、数据传输速率等等。现在我们对目前常用的一些RF射频无线收发芯片的些主要性能进行比较，具体见表22。对于无线数据传输系统，我们以下几点为选择芯片应主要考虑的方面“1功耗大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗非常重要，应该根22型号CCLON耶如1I哦915工作电压幺31一361271F一5聊24V一5OV量大功事10DB皿十LO妇10DH量大遗率768KBPS20KBP896KBP8外圈教量约20个L阶约50个所需天垅1根L根1根工作舞率300LO砌姚43跚Z3一1叫IIZ接收爱敏度LONLH105蕊玛7D陆据实际需要选择综合功耗较小的芯片。CCL000的稳定工作电压在3OV左右，而且其电流损耗极低。2发射功率在同等条件下，为了保证有效而可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。但是也应该注意，有些产品号称的发射功率虽然较高，但是由于外围元件多，调试复杂，往往实际的发射功率远远达不到标称值。CCL000的发射功率是可编程的，范围在一20至LODBM之间，可以根据需要编程设定。3接收灵敏度接收灵敏度是芯片接收信号能力强弱的反映，在相同的发射功率和传输距离的条件下，接收灵敏度高可以保证芯片更容易接收到信号。从这一点看，CCL000的接收灵敏度最高，可以达到一109DBM。4收发芯片所需的外围元件数量芯片外围元件的数量直接决定产品的成本，应该选择外围元件尽量少的收发芯片。有些芯片似乎比较便宜，可是外围元件使用很多昂贵的元件如变容管以及声表滤波器等，使成本反而加大。这些方面，CCL000做的比较好，外围元件约20，而且不需要声表滤波器、变容管等昂贵的元件，收发天线合一，成本较低。5数据传输速率设计者们在设计无线通信产品时，总希望其速率越高越好，这样可以使通信23效率提高。CCL000的数据传输率可以通过编程设定，范围在06768KBPS之间，根据实际需要来设定不同的速率。6收发芯片的封装和管脚数较少的管脚以及较小的封装，有利于减少PCB板的面积，降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。CCL000仅28个管脚，而且是TSSOP封装，芯片的体积相当小。从表22以及各种芯片上述六个主要方面内容的比较后，经过综合考虑，C01000最符合我们的要求。2343CCL000芯片的特点、工作原理以及软件设计中的关键2343ICCL000芯片的特点CCL000是一个工作频段在3001000旧Z之间真正单片UHF无线收发芯片，它采用FSK调制解调技术，不需要外接RF开关和IF滤波，具有RSSI输出功能，可以直接与MCU进行数据通信，其最高通信速率可达768KBPS；该芯片采用TPLL锁相环回路频率合成技术，频率稳定，具有较强的抗干扰能力；发射功率可编程设定，最大发射功率达LODBM；具有极高的接收灵敏度，一般可达一LOGDBM；其外围元件非常少，可以采用多种频率的晶振作为基准频率源，同时外接一个单端天线；CCL000具有待机模式，这样可以更省电和高效。CCL000的工作电压范围可以从23V一36V，具有极低的电流损耗，250HZ步长可编程频率，能在无TCXO下对晶体温度漂移进行补偿，适用于跳频协议。它广泛应用于报警和安全系统，自动测试系统，家庭自动化控制，遥控装置，车辆安全系统，工业控制，无线通信，电信终端等应用领域。该芯片的引脚说明如表23所示。23432CCLOOO芯片的工作原理M1CCL000芯片的功能框图如图25所示。24工作原理如下CCL000有发射和接收两种工作状态。在接收模式下CCL000可看成是一个传统的超外差接收器，射频RF输入信号经低噪声放大嚣LNA放大后翻转进入混频器MIXER，通过混频器混频产生中频IF信号。在中频处理阶段IFSTAGE，该信号在送入解调器DEMOD之前被放大和滤波。可选的RSSI信号或IF信号也可通过混频产生于管脚RSSIIF。解调后CCL000从管脚D10输出解调数字信号，解调信号的同步性由芯片上的DCLK提供的时钟信号完成。裹幺3CCL000苍片引脚说明脚号名称类型说明1A、，DD屯源A对模拟模块混额器和。H频提供电源3V2AGNI地A模拟模块混额器和中撷接地3RFLNRF输入来自天线的RF信号输入4RFOURRF输出RF信号输出给天线5AVDD电源A对模掇模块LNA和PA提供电源3V6AGND地A模拟模块LNA和PA接地7AGND地A模拟模块PA接地8AGND地A模拟模块VCO和预分器接地9AVDD电源A对模拟模块VCO和预分器提供电源3V10LI模拟输入与外部VCO电感脚I丰H连ILL2梗拟输入与外部VCO电感脚2棚连12CHPUOT模拟输出充电电流输出LOCK该管脚也可用于PLL锁定时输出高电II13RBTAS模拟输出连接外阐预选偏置电阳82KQ，J14AGND地A模拟模块接地底扳15AVND电源A对模拟模块供电3V营通16AGND地A模拟模块接地一般17XOSCQ2模拟输出晶体第2脚18XOSCQ1模拟输入晶体第L脚，或外部时钟输入19AGND地A模拟模块接地保护20DGND地D数字模块接地地层2LDVDD电源D埘数字模块供电3V22DGND地CD数字模块接地23DIO数宇信号数据输入艨出。发送时输入，接收时输出输入，蠹出24DCLK数字信号输出接收和发送3扶态下传输时钟信号25PCLK数字信号输入三总线编程时钟信号26PDAIA数字信号三总线编程数据，写状态下编襁数据输入，输八糯出读状态下编程数据输出27TJLB数字信号输入三总线编程地址锁存使能211RSSLIF模拟输出该管脚可用怍RSSI或107MHZIF输出端到可选的外围IF和解调器。若未使用，该管脚必须悬空。A；模拟，D4J字在发射模式下，压控振荡器VCO输出信号直接送入功率放大器PA。射频输出是通过加在D10脚上的数据进行控制的，称为频移键控FSK。这种内部TR切换电路使天线的连接和匹配设计更容易。频率合成器产生的本振信号，在接收状态下送入功放。频率合成器是由晶振XOSC、鉴相器PD、充电脉冲CHARGEPUMP、VCO以及分频器R和U构成，外接的晶体必须与XOSC管脚相连，只有外围电感需要与VCO相连。CCL000芯片含有三条串行数据线接口PDATA，PCLK，PALE，用于配置寄存器。RFL附RFC置几L】L2C_L妒OTRT圈25CCLOOO芯R的功能框圈23433CCL000芯片软件设计中的关键M1DIODLEPDAT凡PCLRBISXOSC_Q2CCL000对于不同的应用场合能通过编程配置出最佳性能，通过可编程配置寄存器可以改变以下主要参数1接收发送模式。2射频输出功率。3频率合成主要参数射频输出频率、FSK分频、晶振参考频率。4低电位高电位模式。5晶体振荡开关模式。6传输率和数据格式NRZ、曼彻斯特码或UART接口。7频率合成锁定指示模式。8可选的RSSI或外部IF。9窄带系统的调制频谱重整。凡使用CCL000的客户，CHIPCON公司将提供WINDOWS界面下使用的SMARTRFSTUDIO软件见图26所示，它将根据用户输入的各项参数给出所有必需的CCL000配置信息。这些16进制数作为CCL000的配置信息将被输入到微控制器里，另外该软件还肉用户提供输入输出匹配电路和VCO电感所需的元件参数值。CCL000可通过简单的三串行接口PDATA、PCLK和PALE进行编程，有3627个8位配置寄存器，每个由7位地址寻址，读写位初始化读或写的操作。CCL000一个完接的配箕要求发送29个数据帧，每个16位7个地址位，1个读写位和8个数据位。PCLK频率决定了完全配置所需时间，在IOMHZPCLK频率工作下，完成整个配置所需时间少于60工TS。在低电位模式下设置时仅需发射一个帧，所需时间少于2S。所有寄存器都可读，在每次写循环中，16位字节送入PDATA通道，每个数据帧中7个最重要的位A60是地址位，A6是MSB最高位，首先被发送，下个发送的位是读写位高电平写，低电平读，在传输地址和读写位期间，PALE编程地址锁存使能必须保持低电平，接着传输8个数据位D7O。其写、读寄存器的时序图如图27和28所示。PCLKPDATAPALEKKK_TCHNT乱M一台。TUOI；O叫卜一叫|一几N几R几几N一删川C噩砭臣F础魈蛰弼1，圈27CCL000写寄存器的时序明一乱X几NN几几NN厂几几NN几几N厂一PDATAPLE如图27所示，PDATA在PCLK的下降沿有效。当8位数据位中的最后一位D0装入后，楚个数据字才被装入内部寄存器中。如图28所示，微控制器通过相同的接口也能读出配置寄存器，首先发送7位地址位，然后读写位设为低电平用来初始化读回的数据，CCL000接着从寻址寄存器中返回数据。此时，PDATA用作输出口，在读回数据期间D7O，微控制器必须把它设成三态或者在管脚开路时设为高电平。CCL000内部共有36个8位配置寄存器，如表24所示。衰24CCLD寄存器一览衰地址字节名称说明0011MAINMAIN寄存器啪HFREQ2A额率寄存器7A02HFREQIA频率寄存器IA03HFREQ0A频率寄存嚣0A04HVXEQ2A频率寄存嚣2B05HFREQ_M黼帛寄存器1B06HRREQ0B攒攀寄存器0B07HFSEPL分颇寄存器109HFSEP0分频寄存器009HCURRENT电流损耗控制寄存器0AHFRONIEND前端控制寄存器0BHPAPOW功放输出功率控制寄存器OCBJLLPH控制寄存器ODHLOCKLOCK状态寄存器并将怡号选择到CBP_OU。RLOCK脚OEHEALVCO校准控制和状态寄存器O_FHMOD到M2调粼解调控制寄存穰210HMODEML调制解调控铜寄存器1L忡MOD卧调削解调控制寄存嚣012HH“LTH接收时的匹配电容阵列控制寄存甓和发射时的阻抗