无线半双工多路数据传输系统.ppt

1、无线半双工多路数据传输系统方案设计与系统实现,华中科技大学 黄瑞光,无线半双工多路数据传输系统,一. 命题意图及知识要点 二.系统设计方案讨论 三. 竞赛作品综述,一、命题意图及知识要点,题目解读（任务）：,一、命题意图及知识要点,系统规模：按1个主站带31个从站进行设计，实际制作2个从站 工作模式： 基本要求主站以轮询方式收集从站的数据，轮询次数不低于1次秒 发挥要求增加从站主动上报功能 数据要求：从站每次传送一组人为仿真数据,题目解读（ 总体）：,一、命题意图及知识要点,工作频率：3040MHz自选 相对准确性：以主站工作频率为基准优于104 发射功率：在75欧姆假负载上测定不大于10mW

2、 天馈：采用长度小于等于1米的垂直放置拉杆天线 通信距离：误码率不大于105条件下不小于8米 供电：从站用电池供电,题目解读（收发单元电子制作技术指标）：,一、命题意图及知识要点,主站实时显示：发送数据的从站号及其数据 从站实时显示：本站发送给主站的数据 主站存储并按站号显示此前30秒的历史数据,题目解读（人机界面要求）：,一、命题意图及知识要点,教学知识点：通信相关专业基础,模拟电子技术尤其是通信电子线路：高频放大、调制与解调、频率合成、滤波 数字电子技术尤其是可编程逻辑器件应用 微机原理或单片机原理或嵌入式系统 通信原理：信道、基带和频带、数字调制、同步、误码率 微波与天线：收发信机、天线

3、与馈线、阻抗匹配 数字通信系统：多址通信协议,一、命题意图及知识要点,通信类选题的特点,专业性：通信工程的专业核心要求如通信原理 综合性：从电路基础到通信技术、从 模拟到数字到高频到微波、从分立元件到专用集成电路、从单元到系统 工程性：所有的设计要组装成完整的实验样机 测试手段与方法：不少指标要可以利用常规仪器进行测量,本题与05年赛题单工无线呼叫系统有所相近，特别在该题的发挥部分-数据传输方面可以借鉴,总体论证 射频部分方案论证 接收部分方案论证 收发转换开关 天线和馈线 关于测试,二、系统设计方案讨论,二、系统设计方案讨论,总体论证,竞赛题目给出的框图，提供了系统的总架构（要分析）,二、系

4、统设计方案讨论,总体论证（数据准备）,信号分别是 正弦波：s(t)=2.5+2sin(2t)V 直 流： 2.5V 用一个参考电压为5V、采样频率为10Hz的单极性8位AD转换器对上述两个模拟信号进行1秒钟采样， 可以直接做出标准数据进行调用，也便于测试误码率,二、系统设计方案讨论,总体论证（通信速率）,各站点每秒10次采样，每个样本8bit，即每秒数据80bit 主站对从站每秒轮询1次，则轮询时每站点上传数据80bit 系统按照31个站点设计，每秒总上传数据80*31=2480bit 考虑数据打包、半双工通信协议、必要的转换时间开销 系统总数据发送数率可定为 3Kbit / 秒 对于短波段数

5、字通信，该指标可达到但有一定技术实现难度,二、系统设计方案讨论,总体论证（子系统划分）,系统划分为发射、接收、天馈（收发）、控制等若干子系统 控制子系统需完成协议实现、收发控制方案、接收数据处理、人机界面,二、系统设计方案讨论,总体论证（数字调制解调方案）,综合技术指标 ASK 抗干扰能力较弱，误码率较高 PSK、MSK、QAM等方案实现电路较复杂 按照DTMF规范，其数据率不高,数字调制方式 基本数字调制：ASK、FSK、PSK及其多进制 高效数字调制：QPSK、MSK、GMSK、QAM等 双音多频编码 DTMF,较好的采用方案为FSK,二、系统设计方案讨论,射频部分方案论证,射频调制方案

6、数字已调信号作二次调制：AM、FM FM实现：VCO、PLL、专用器件芯片 DDS 直接作数字信号调频,综合技术分析 AM 非恒定包络对提高发射机效率不利 VCO方案的频率稳定度不易把握 PLL或专用器件要采用晶体振荡器,较好的方案 采用FM射频调制 首选专用集成发射芯片 振荡源可采用D DS或晶振 DDS直接作射频调频的电路设计,二、系统设计方案讨论,接收方案论证,综合技术分析 上面两个方案都可以采用 PLL方案可以选用集成锁相环 测频方案可以采用FPGA实时,接收解调方案 ：外差接收+鉴频，解调出已调基带信号,已调FSK基带信号的解调 用PLL进行频率跟踪 对FSK测频解调,采用专用芯片实

7、现：选择一次变频芯片(如MC3361，MC3357，TDA7021等)或二次变频芯片(如MC3362、MC3363等),二、系统设计方案讨论,收发转换开关,作用： 半双工通信控制发射信号和接收信号的通路 发射时阻断接收电路以避免接收放大器饱和 接收时关断发射通道以避免接收小信号短路,实现 ： 晶体管作开关，控制相关电路的电源 二极管作开关切换相应通路 集成收发开关芯片,二、系统设计方案讨论,收发转换开关,作用： 半双工通信控制发射信号和接收信号的通路 发射时阻断接收电路以避免接收放大器饱和 接收时关断发射通道以避免接收小信号短路,实现 ： 晶体管作开关，控制相关电路的电源 二极管作开关切换相应

8、通路 集成收发开关芯片 如Hittite公司,二、系统设计方案讨论,天线和馈线,先回顾一些基本理论： 天线可视为一个四端网络,两臂长度相等的振子叫做对称振子（半波振子）,二、系统设计方案讨论,天线和馈线：平衡转换,负载和传输线，根据其对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。若负载两端或传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡负载或平衡（馈线）传输线，否则为不平衡负载或不平衡（馈线）传输线,同轴电缆是不平衡传输线 对于对称振子天线，就需要采用非平衡到平衡转换,二、系统设计方案讨论,天线的输入阻抗： Zin = Rin + j Xin 输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关 输入阻抗具有电阻分

9、量和电抗分量，电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取 半波对称振子的输入阻抗为 Zin = 73.142.5 (欧),当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。而当天线和馈线不匹配即天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。,天线和馈线：阻抗匹配,二、系统设计方案讨论,天线和馈线：阻抗匹配,在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波，形成驻波 因此可以通过检查驻波比SWR阻抗判断是否匹配 SWR值越接近1，说明匹配越好；如果VSWR的值过高，不仅会降低发信系统的工

10、作效率，严重时会给发信设备和天线馈电系统带来危害,二、系统设计方案讨论,阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态 当负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配 天线长度相对于发射频率短得多，短天线呈现容性 可能的匹配方案：天线加感后再加阻抗变换,天线和馈线：阻抗匹配,二、系统设计方案讨论,从站采用电池供电-排除通过供电系统的耦合 主从站同时显示发送的数据-检查仿真数据 测试30秒-考察误码率 两个从站的测试 主动上报数据的测试,关于测试,比特误码率的测定

11、可以使用专门仪器，也可以在主站接收一定时长（如30秒钟）的已知数据，通过比较出现错误的次数作出大致判断；,在轮询式收集的基础上增加从站主动申请报告数据的功能，为便于测试该功能，可在从站上设置按键开关或其它启动方式；,二、系统设计方案讨论,多点通信协议设计,主机与从机的协议设计是由报文、从机地址码、数据码组成 000：主机对从机进行轮询采集数据 001：从机对主机上传数据 010：无应答报文 011：主机向从机发送对2.5+2sin2t 信号采集的数据 100：主机向从机发送对2.5V信号采集的数据 101：从机向主机申请报送数据 协议设计中要充分考虑容错性，例如发送命令或申请后的超时机制等 协

12、议设计完成后，可在主控单片机上编制程序实现,三、竞赛作品综述,方案设计与比较,调制解调 发信机 收信机 单片机控制系统,方案设计较完善的部分,三、竞赛作品综述,方案设计与比较,整个系统的通信速率几乎没有参赛队关注，由此引起的技术实现难度没有真正体现（例如采用DTMF方案并用专用芯片实现） 多址通信的报文设计除个别队，也是几乎空白；特别是没有考虑容错性（如从站应答超时的处理） 射频传输部分收发转换、阻抗匹配几乎没有队真的做设计 误码的测试方案 从机电池供电,方案设计较弱的部分,三、竞赛作品综述,硬件电路实现,硬件电路基本上都采用了集成功能芯片 发射部分MC2833或DDS直接产生发射信号 接收部

13、分MC3362、MC3363、CXA1019、LA1800 普遍使用DDS（作载频信号产生，直接调频等） 单片机小系统（89C51、凌阳单片机）,三、竞赛作品综述,设计实例（1）：采用MC2833实现发射电路,三、竞赛作品综述,设计实例（1）：采用MC2833实现发射电路,三、竞赛作品综述,设计实例（2）：采用DDS实现直接射频调制电路,三、竞赛作品综述,设计实例（3）：采用MC3362+MC145151实现接收电路,三、竞赛作品综述,设计实例（3）：采用MC3362+MC145151实现接收电路,三、竞赛作品综述,主站以轮询方式收集从站的数据，即由主站指定从站站号并发出要求传输数据的呼叫，从站收到主站呼叫后，应答上报本站的一组数据，询问频率为1Hz。当主站接收到从站的申请信号时，主站会产生中断程序，立即查询接收申请的从站的传输数据。在接收完毕后，会继续执行轮询的程序。,