5.8GHz短距离无线收发系统的设计

摘要：详细介绍了一个以应答芯片CHR2244为核心的5．8GHz短距离无线收发系统的设计方案。该设计将实现上行FM，下行AM的无线数据收发功能。对天线模块、射频收发模块和数据链路控制分别进行了的阐述，同时对通信过程也进行了详细的描述。
关键字：短距离无线通信；微带天线：上行；下行：数据链路

O 引言
    近10多年来短距离无线通信技术得到了很大的发展，出现了多种新的短距离无线通信技术，已经成为无线通信技术的一个重要分支．现在比较热门的有超宽带无线通信(UWB)、蓝牙(Bluetooth)、紫蜂(Zigbee)、射频识别(RFID)等。他们被广泛的运用在短距离的无线接入、数据传输、自动识别等方面。正是在这样的背景下，本文设计了一个5．8GHz上的短距离无线收发系统。

1 电路设计
1．1 系统概述
    如图1所示是本文所设计的5．8GHz数据收发系统结构，它由三部分组成：收／发天线，收／发模块和CPU。在数据通信中，下行模式时：天线接收5．8GHz无线信号并将收到的射频信号送往接收模块恢复为基带数据；恢复后的基带数据再送往CPU进行相关的数据验证及处理。上行模式时：CPU将需要发送的数据信号传送给发送模块；发送模块将数据信号调制为5．8GHz调制信号，并传送到天线进行发送。该系统设计中天线选择一小尺寸微带型天线，收／发模块选用微波集成电路(MMIC)芯片CHR2244，CPU选用STA2051。

1．2 微带天线设计
    该收发系统的天线采用缝隙耦合的微带贴片天线实现宽带圆极化和高增益的特性。天线结构如图二所示。正方形贴片的边长为21．7mm，被印制在一个厚度为O．4mm，介电常数为2．5的聚四氟乙烯介质板上面。

    馈线印制在厚度为h2，介电常数为ε2的介质中间。地面上的两个耦合缝隙的长度分别为L1和L2，位于矩形贴片的下方，并且垂直于方形贴片的两边。已知随着缝隙尺寸的增加，天线的谐振频率会随之下降，通过适当调节两个耦合缝隙的长度，宽度和调节支线长度Lp，可以产生两个幅度相等，相差90度的正交模，实现圆极化的设计目标。两个介质板之间是空气层，厚度为h。
    图三给出了这种结构的右旋圆极化天线的回波损耗测试结果。采用FR4作为馈电介质板，聚四氟乙烯作为贴片介质板，厚度分别为1mm和0．4mm。方形贴片的尺寸为21．7mm×21．7mm。根据等功率分支线耦合器结构的设计要求，馈电网络的带状线特性阻抗分别为50欧姆和35．4欧姆，在上述介质板参数条件下，对应的宽度分别为O．44mm和0．8mm。测试结果表明，此尺寸结构的天线实现了良好的匹配，2：1的VSWR带宽超过了1．4GHz(24％，相对于5．8GHz的中心频率)。从实验结果可知，这种形式的天线采用对称的耦合缝隙，用分支线耦合器作为馈电网络，结构简单，对制作工艺要求不高，实用性强。

1．3 应答芯片描述
    微波集成电路(MMIC)CHR2244是专为5．8GHz频段设计的短距离通信应答芯片，工作频段5．725GH z到5．875GHz。它包含了双向通信所需的所有RF功能，所以外部只需要接一个天线即可使用。其接口与CMOS兼容。内部结构框图如图四所示。

    CHR2244具备三种工作模式，分别是：STANDBY(等待)模式，DOWNLINK(下行)模式和UPLINK(上行)模式。下行模式时可以接收、解调码速率为250K一500K的5．8GHz AM信号，灵敏度高于一40dBm；上行模式时可以发送100K—lOM的FM信号。
    当芯片没有收到唤醒信号即WK_in=O时，系统处于等待模式，该模式下芯片功耗非常低。当射频端RF_in无接收信号，等待状态维持不变；当RF_in收到幅度调制信号(AM)时，链路将检测出其中的数据信息，并通过SB_out输出高电平信号到控制单元，控制单元由此信号并根据通信协议判断是否需要唤醒CHR2244，如果需要，则控制单元向CHR2244的WK_in端输入唤醒信号，则系统唤醒，否则不向WK_in输入唤醒信号，系统继续等待。
    下行模式即为接收模式。当WK_in收到来自控制单元的唤醒信号(高电平)并且T／R=O时，系统将切换到接收模式。接收模式下，链路将对RF端收到的AM信号进行解调，并将解调后的基带数据由DATA_out端输送至控制单元。上行模式即为发送模式。当WK_in收到来自控制单元的唤醒信号(高电平)并且T／R=1时，系统将切换到发送模式。发送模式下，链路MOD端接收来自控制单元的基带数据，RF_in端接收5．8GHz的载波信号(CHR2244自身不产生载波)，将数据调制为5．8GHz载波上的FM调频信号，由RF_out端输出(RF_in，RF_out时分复用RF端口)。
1．4 接口设计
    由前面的分析知，设计数据通信系统时可通过微处理器控制CHR2244的WK_in脚，使其处于激活或者睡眠状态；通过控制T／R脚，使其处于发送或接收状态；CHR2244接收到的数据由DATA_ou脚输出至处理器；来自处理器的发送数据由MOD脚进入CHR2244。同时天线与CHR2244的RF端通过微带传输线相连，系统原理图如图五所示。

2 数据链路控制
    图五中，DATA_out和MOD端分别与处理器的高级数据链路控制器(HDLC)的传输数据输入端(HRXD)和传输数据输出端(HTXD)相连。HDLC主要有两部分组成：接收部分(HDLC接收器)和发送部分(HDLC发送器)。它在数据通信中将对数据链路层进行控制，包括标志检测和插入；零位检测和插入；帧校验序列产生和校验等。HDLC的帧格式如图六：

    HDLC中设置数据编码格式为FMO；设上行链路数据传输速率是500kbps，下行为250kbps，HDLC设备所挂载的总线频率为32MHz，发送通道分频值为64，接收通道分频值为128。
    HDLC的接收：HDLC将CHR2244传来的基带信号经FM0解码，根据前导码完成对数字信号0、1的同步，如果检测到帧开始和结束标志并且CRC正确，则把接收到的帧拷贝到接收缓冲区，然后产生接收中断通知CPU。
    HDLC的发送：CPU把数据填充到HDLC的发送缓冲区后，启动HDLC发送。HDLC对数据进行零位插入，添加帧标记．计算CRC，产生前导码和后导码，最后经FM0编码，通过HTXD递交给CHR2244，HDLC发送完毕后，产生发送中断通知CPU。

3 通信过程描述
    对系统进行短距离无线通信测试，整个通信过程如图七所示。描述如下：
    一个已有收发系统作为基站A，本系统作为终端B。
    1)初始状态WK_in=O，T／R=O，MOD=0。
    2)基站A不发送信号。这时系统B的SB_out=0，WK_in=O，系统处于睡眠状态；
    3)基站A以一定的时间间隔(如lOOms)重复发送一组250Kbps的5．8GHz AM信号。睡眠状态下B接收到A传来的AM信号，这时SB_out=1，CPU收到SB_out后，向WK_in输出高电平，唤醒B，并置TR=0，系统处于接收状态；接收状态下B接收A传来的AM信号，解调并由DATA_out输出。CPU收到数据后检查是否接收正确，如果接收正确，则准备向A反馈数据，这时置TR=l，系统处于发送状态。CPU将需要发送的数据通过MOD脚传输给CHR2244，在CHR2244内进行FSK调制后由天线发出传给基站A。数据发送完成后，CPU置TR=O，系统重新切换到接收状态。
    4)基站A收到来自B的数据，检查是否正确，正确则表明通信成功。完成一次双向通信。

4 总结
    系统按照3中所述进行室内测试，测试结果表明上下链路均能正常工作，可以完成短距离数据交互。若在此基础上进行一些改进优化和应用程序的开发，系统将有望运用在一些实际的短距离无线通信领域中。