5.8GHz短距離無線收發(fā)系統(tǒng)的設計

摘要：詳細介紹了一個以應答芯片CHR2244為核心的5．8GHz短距離無線收發(fā)系統(tǒng)的設計方案。該設計將實現(xiàn)上行FM，下行AM的無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能。對天線模塊、射頻收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)鏈路控制分別進行了的闡述，同時對通信過程也進行了詳細的描述。
關鍵字：短距離無線通信；微帶天線：上行；下行：數(shù)據(jù)鏈路

O 引言
    近10多年來短距離無線通信技術得到了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了多種新的短距離無線通信技術，已經(jīng)成為無線通信技術的一個重要分支．現(xiàn)在比較熱門的有超寬帶無線通信(UWB)、藍牙(Bluetooth)、紫蜂(Zigbee)、射頻識別(RFID)等。他們被廣泛的運用在短距離的無線接入、數(shù)據(jù)傳輸、自動識別等方面。正是在這樣的背景下，本文設計了一個5．8GHz上的短距離無線收發(fā)系統(tǒng)。

1 電路設計
1．1 系統(tǒng)概述
    如圖1所示是本文所設計的5．8GHz數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)結構，它由三部分組成：收／發(fā)天線，收／發(fā)模塊和CPU。在數(shù)據(jù)通信中，下行模式時：天線接收5．8GHz無線信號并將收到的射頻信號送往接收模塊恢復為基帶數(shù)據(jù)；恢復后的基帶數(shù)據(jù)再送往CPU進行相關的數(shù)據(jù)驗證及處理。上行模式時：CPU將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號傳送給發(fā)送模塊；發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)信號調制為5．8GHz調制信號，并傳送到天線進行發(fā)送。該系統(tǒng)設計中天線選擇一小尺寸微帶型天線，收／發(fā)模塊選用微波集成電路(MMIC)芯片CHR2244，CPU選用STA2051。

1．2 微帶天線設計
    該收發(fā)系統(tǒng)的天線采用縫隙耦合的微帶貼片天線實現(xiàn)寬帶圓極化和高增益的特性。天線結構如圖二所示。正方形貼片的邊長為21．7mm，被印制在一個厚度為O．4mm，介電常數(shù)為2．5的聚四氟乙烯介質板上面。

    饋線印制在厚度為h2，介電常數(shù)為ε2的介質中間。地面上的兩個耦合縫隙的長度分別為L1和L2，位于矩形貼片的下方，并且垂直于方形貼片的兩邊。已知隨著縫隙尺寸的增加，天線的諧振頻率會隨之下降，通過適當調節(jié)兩個耦合縫隙的長度，寬度和調節(jié)支線長度Lp，可以產(chǎn)生兩個幅度相等，相差90度的正交模，實現(xiàn)圓極化的設計目標。兩個介質板之間是空氣層，厚度為h。
    圖三給出了這種結構的右旋圓極化天線的回波損耗測試結果。采用FR4作為饋電介質板，聚四氟乙烯作為貼片介質板，厚度分別為1mm和0．4mm。方形貼片的尺寸為21．7mm×21．7mm。根據(jù)等功率分支線耦合器結構的設計要求，饋電網(wǎng)絡的帶狀線特性阻抗分別為50歐姆和35．4歐姆，在上述介質板參數(shù)條件下，對應的寬度分別為O．44mm和0．8mm。測試結果表明，此尺寸結構的天線實現(xiàn)了良好的匹配，2：1的VSWR帶寬超過了1．4GHz(24％，相對于5．8GHz的中心頻率)。從實驗結果可知，這種形式的天線采用對稱的耦合縫隙，用分支線耦合器作為饋電網(wǎng)絡，結構簡單，對制作工藝要求不高，實用性強。

1．3 應答芯片描述
    微波集成電路(MMIC)CHR2244是專為5．8GHz頻段設計的短距離通信應答芯片，工作頻段5．725GH z到5．875GHz。它包含了雙向通信所需的所有RF功能，所以外部只需要接一個天線即可使用。其接口與CMOS兼容。內部結構框圖如圖四所示。

    CHR2244具備三種工作模式，分別是：STANDBY(等待)模式，DOWNLINK(下行)模式和UPLINK(上行)模式。下行模式時可以接收、解調碼速率為250K一500K的5．8GHz AM信號，靈敏度高于一40dBm；上行模式時可以發(fā)送100K—lOM的FM信號。
    當芯片沒有收到喚醒信號即WK_in=O時，系統(tǒng)處于等待模式，該模式下芯片功耗非常低。當射頻端RF_in無接收信號，等待狀態(tài)維持不變；當RF_in收到幅度調制信號(AM)時，鏈路將檢測出其中的數(shù)據(jù)信息，并通過SB_out輸出高電平信號到控制單元，控制單元由此信號并根據(jù)通信協(xié)議判斷是否需要喚醒CHR2244，如果需要，則控制單元向CHR2244的WK_in端輸入喚醒信號，則系統(tǒng)喚醒，否則不向WK_in輸入喚醒信號，系統(tǒng)繼續(xù)等待。
    下行模式即為接收模式。當WK_in收到來自控制單元的喚醒信號(高電平)并且T／R=O時，系統(tǒng)將切換到接收模式。接收模式下，鏈路將對RF端收到的AM信號進行解調，并將解調后的基帶數(shù)據(jù)由DATA_out端輸送至控制單元。上行模式即為發(fā)送模式。當WK_in收到來自控制單元的喚醒信號(高電平)并且T／R=1時，系統(tǒng)將切換到發(fā)送模式。發(fā)送模式下，鏈路MOD端接收來自控制單元的基帶數(shù)據(jù)，RF_in端接收5．8GHz的載波信號(CHR2244自身不產(chǎn)生載波)，將數(shù)據(jù)調制為5．8GHz載波上的FM調頻信號，由RF_out端輸出(RF_in，RF_out時分復用RF端口)。
1．4 接口設計
    由前面的分析知，設計數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)時可通過微處理器控制CHR2244的WK_in腳，使其處于激活或者睡眠狀態(tài)；通過控制T／R腳，使其處于發(fā)送或接收狀態(tài)；CHR2244接收到的數(shù)據(jù)由DATA_ou腳輸出至處理器；來自處理器的發(fā)送數(shù)據(jù)由MOD腳進入CHR2244。同時天線與CHR2244的RF端通過微帶傳輸線相連，系統(tǒng)原理圖如圖五所示。

2 數(shù)據(jù)鏈路控制
    圖五中，DATA_out和MOD端分別與處理器的高級數(shù)據(jù)鏈路控制器(HDLC)的傳輸數(shù)據(jù)輸入端(HRXD)和傳輸數(shù)據(jù)輸出端(HTXD)相連。HDLC主要有兩部分組成：接收部分(HDLC接收器)和發(fā)送部分(HDLC發(fā)送器)。它在數(shù)據(jù)通信中將對數(shù)據(jù)鏈路層進行控制，包括標志檢測和插入；零位檢測和插入；幀校驗序列產(chǎn)生和校驗等。HDLC的幀格式如圖六：

    HDLC中設置數(shù)據(jù)編碼格式為FMO；設上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率是500kbps，下行為250kbps，HDLC設備所掛載的總線頻率為32MHz，發(fā)送通道分頻值為64，接收通道分頻值為128。
    HDLC的接收：HDLC將CHR2244傳來的基帶信號經(jīng)FM0解碼，根據(jù)前導碼完成對數(shù)字信號0、1的同步，如果檢測到幀開始和結束標志并且CRC正確，則把接收到的幀拷貝到接收緩沖區(qū)，然后產(chǎn)生接收中斷通知CPU。
    HDLC的發(fā)送：CPU把數(shù)據(jù)填充到HDLC的發(fā)送緩沖區(qū)后，啟動HDLC發(fā)送。HDLC對數(shù)據(jù)進行零位插入，添加幀標記．計算CRC，產(chǎn)生前導碼和后導碼，最后經(jīng)FM0編碼，通過HTXD遞交給CHR2244，HDLC發(fā)送完畢后，產(chǎn)生發(fā)送中斷通知CPU。

3 通信過程描述
    對系統(tǒng)進行短距離無線通信測試，整個通信過程如圖七所示。描述如下：
    一個已有收發(fā)系統(tǒng)作為基站A，本系統(tǒng)作為終端B。
    1)初始狀態(tài)WK_in=O，T／R=O，MOD=0。
    2)基站A不發(fā)送信號。這時系統(tǒng)B的SB_out=0，WK_in=O，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)；
    3)基站A以一定的時間間隔(如lOOms)重復發(fā)送一組250Kbps的5．8GHz AM信號。睡眠狀態(tài)下B接收到A傳來的AM信號，這時SB_out=1，CPU收到SB_out后，向WK_in輸出高電平，喚醒B，并置TR=0，系統(tǒng)處于接收狀態(tài)；接收狀態(tài)下B接收A傳來的AM信號，解調并由DATA_out輸出。CPU收到數(shù)據(jù)后檢查是否接收正確，如果接收正確，則準備向A反饋數(shù)據(jù)，這時置TR=l，系統(tǒng)處于發(fā)送狀態(tài)。CPU將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過MOD腳傳輸給CHR2244，在CHR2244內進行FSK調制后由天線發(fā)出傳給基站A。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，CPU置TR=O，系統(tǒng)重新切換到接收狀態(tài)。
    4)基站A收到來自B的數(shù)據(jù)，檢查是否正確，正確則表明通信成功。完成一次雙向通信。

4 總結
    系統(tǒng)按照3中所述進行室內測試，測試結果表明上下鏈路均能正常工作，可以完成短距離數(shù)據(jù)交互。若在此基礎上進行一些改進優(yōu)化和應用程序的開發(fā)，系統(tǒng)將有望運用在一些實際的短距離無線通信領域中。