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多点无线数据传输系统

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：郭晨雨贾可杨钰张佳伟刘凯毅

[导读] 摘要：本系统分三个模块构成：一主接收机，两个发射机。

        (中北大学朔州校区山西省朔州市朔城区中北大学朔州校区)
        摘要：本系统分三个模块构成：一主接收机，两个发射机。主要以89S52为控制及数据编码，以FSK为调制方式，利用无线传输文字和语音数据，采用LCD显示、单片机数据存储器存储，具有多功能传输与存储功能。
        关键词： 89S52   FSK调制   LCD显示
        一方案比较
        1、载波生成比较
        题目要求载波稳定度高，真正实现到可以有以下方法
        方案一：也可利用混频技术，使用较高频率用MC1496模拟乘法器与从同一晶振产生的两个不太高的频率混频选出上限频率。频率稳定度也能达到。但是给选用接收方案带来困难。
        方案二：用RC压控振荡产生高稳定载波，集成芯片有CD4046和NE564，CD4046频率太低，上限频率最高才1.2MHZ，不利于发送，且传输数据慢。NE564可以达到几十MHZ足可以满足要求。
        最后选用RC压空振荡为下一步直接FSK调制用。
        2、数据发生器设计比较
        方案一：专用编码
        可用专用编码芯片进行文字，语音和图象编码，但是同时处理这些数据给单片机带来负担过重，单片机还要处理别的数据。所以不采用此方案。
        方案二：简单4*4键盘与单片机组成数据编码
        4*4键盘简单可实行，在有限时间内完成题目要求，进而改善发挥部分。
        3、调制方法比较
        对于大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，而实际的通信信道又具有带通特性，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量，这种把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制，反之，称为数字解调。我们把数字调制与解调合起来称为数字调制，把包括调制和解调过程的传输系统叫做数字信号的频带传输系统或数字调制系统。数字调制可分为二进制调制和多进制调制。在二进制时有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、移相键控（PSK）调制方式。
        FSK调制原理
        2FSK信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化，即载频为f0代表传0，载频为f1时代表传1。显然，2FSK信号完全可以看成两个分别以f0 和f1为载频、以an和为被传二进制序列的两种2ASK信号的合成。2FSK信号的典型时域数学表达式为：

        2FSK信号的产生通常有两种方式：（1）频率选择法；（2）载波调频法。由于频率选择法产生的2FSK信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换时刻，2FSK信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器中产生2FSK信号，即用数字基带矩形脉冲控制一个振荡器的某些参数，直接改变振荡频率，输出不同频率的信号，这时的已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内，在这里，我们采用的是载波调频法。
        4、高校功率放大比较
        方案一：一般功率三极管放大：
        采用一般三极管采用丙类高频功率放大电路或者采用D类高频功率放大电路将载波发射出去，电路简单并且一般的无线电发射机都采用此方式，但无论丙类高频功率放大还是D类高频功率放大电路都采用了谐振选频网络，要做到带宽很宽、并且频率在50MHZ以内时很难做到，并且效率不高；如果减小带宽——即减小FSK信号的两个频率之差，将减小传输过程的抗干扰能力，提高传输的误码率；
        方案二：高频功率合成：
        高频功率合成利用传输线原理来达到功率分配和合成的目的，它的带宽很宽。但高频功率合成电路电路复杂难调、效率不是太高，我们不采用此电路。
        c upc1651功率放大：
        1651用在高频放大，可用在几百兆，对与此设计可以说足够实现，线路简单效率高。
        5 显示方案的选择与论证
        方案一：采用传统的8位数码管（LED）动态扫描显示传输的数据信息。
        方案二：采用16位字符型液晶（LCD）显示各种相关数据和信息，充分利用4行液晶显示的大容量特性。
        以上两种方案中，方案一软件驱动简单，硬件电路调试方便，但显示信息量少，功耗较大；而方案二采用的16位字符型液晶（LCD）显示属于低功耗器件，使得系统更具智能化、人性化。经过比较选用方案二。
        二模块实现
        1、高稳定载波产生
        a NE564相关参数介绍
        1、在本设计中，所使用的锁相环为NE564（国产型号为L564）是一种工作频率可高达50MHz 的超高频集成锁相环。
        2、NE564 基本应用电路
        其中IC71 及其外围器件组成FM 锁相解调电路，在锁相解调电路中，信号从第6 脚经交流耦合输入，2 脚作为压控振荡器增益控制端，12 脚和13 脚外接定时电容，通过组合使分别振荡在5MHz 和20.945MHz 上，从14 脚输出调制信号
        NE564 的12 脚和13 脚跨接定时电容C。
        则当 f0 =1MHz 时 C≈625pF
        f0 =2MHz 时 C≈312pF
        f0 =4MHz 时 C≈156pF
        f0 =5MHz 时 C≈125pF
        f0 =8MHz 时 C≈78pF
        f0 =16MHz 时 C≈39pF
        f0 =20.945MHz 时 C≈29pF
        f0 =32MHz 时 C≈20pF
        在实际电路中，由于分布电容的存在应比计算值偏小。
        2、采集数据实现
        数据采集利用键盘采集，通过单片机89S52编码之后传输；键盘采集数据采用一次按键技术，让按键按下的一次只产生一次动作；并且这次动作是在按键弹起的是候产生，防止按键的误动作。
        3、数据编码实现
        从键盘采集数据，经单片机处理，给数据加上数据地址和校验位，降低收发数据误码，提高数据准确度。
        4、FSK调制设计
        带通滤波器为了接受扩展至37-48MHZ，同时由于上下截止频率之比为48MHZ/37MHZ=1.30，因此必须在输入端设计一个带通滤波器，这个滤波器性能的好坏将影响接收信号，为了有效地减少频谱混叠失真和提高信噪比，本带通滤波器采用切比雪夫滤波器。该滤波器的特点是：其逼近误差峰值在一个规定的频段上为最小，而且是等波纹的，即误差在极大值和极小值之间摆动。在设计过程中，滤波器各元件值都采取归一化值除以MHZ为单位的截止频率（边界频率）fc的值。设计时，我们确定了低通滤波器的谐波频率衰减值以及高通滤波器的次谐波频率衰减值，同时还确定了该滤波器的最大容许通频带波纹值和驻波比（SWR）。在计算电容值很接近电容器的标准化值时，我们选用标准化值的电容器。当计算值与标准化值相差较大时，我们用固定值的云母银电容器和云母压缩微调电容器并联使用。
        5、接受处理数据
        89S52处理单片机89S52从FSK解调端接收到发射端经编码的数据后，利用软件将数据头地址和校验位去掉，得到原数据。
        三　前景展望
        在现今时代已经进入数字时代，数字传输的数据抗干扰能力强、准确率高；可以用来传输各种信号，如果进一步改进加上编码译吗芯片完全可以用来传递文字信号、视频信号、声音信号。
        参考文献：
        1、《高频电路设计与制作》科学出版社     [日]   铃木宪次
        2、《LC滤波器设计与制作》科学出版社     [日] 森荣二