摘要：詳細(xì)介紹了一個(gè)以應(yīng)答芯片CHR2244為核心的5．8GHz短距離無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)上行FM，下行AM的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)功能。對(duì)天線模塊、射頻收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)鏈路控制分別進(jìn)行了的闡述，同時(shí)對(duì)通信過(guò)程也進(jìn)行了詳細(xì)的描述。
關(guān)鍵字：短距離無(wú)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(lái)短距離無(wú)線通信技術(shù)得到了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了多種新的短距離無(wú)線通信技術(shù)，已經(jīng)成為無(wú)線通信技術(shù)的一個(gè)重要分支．現(xiàn)在比較熱門(mén)的有超寬帶無(wú)線通信(UWB)、藍(lán)牙(Bluetooth)、紫蜂(Zigbee)、射頻識(shí)別(RFID)等。他們被廣泛的運(yùn)用在短距離的無(wú)線接入、數(shù)據(jù)傳輸、自動(dòng)識(shí)別等方面。正是在這樣的背景下，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)5．8GHz上的短距離無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)。

1 電路設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)概述
    如圖1所示是本文所設(shè)計(jì)的5．8GHz數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(shí)：天線接收5．8GHz無(wú)線信號(hào)并將收到的射頻信號(hào)送往接收模塊恢復(fù)為基帶數(shù)據(jù)；恢復(fù)后的基帶數(shù)據(jù)再送往CPU進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證及處理。上行模式時(shí)：CPU將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給發(fā)送模塊；發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制為5．8GHz調(diào)制信號(hào)，并傳送到天線進(jìn)行發(fā)送。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
    該收發(fā)系統(tǒng)的天線采用縫隙耦合的微帶貼片天線實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化和高增益的特性。天線結(jié)構(gòu)如圖二所示。正方形貼片的邊長(zhǎng)為21．7mm，被印制在一個(gè)厚度為O．4mm，介電常數(shù)為2．5的聚四氟乙烯介質(zhì)板上面。

    饋線印制在厚度為h2，介電常數(shù)為ε2的介質(zhì)中間。地面上的兩個(gè)耦合縫隙的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1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(huì)隨之下降，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)兩個(gè)耦合縫隙的長(zhǎng)度，寬度和調(diào)節(jié)支線長(zhǎng)度Lp，可以產(chǎn)生兩個(gè)幅度相等，相差90度的正交模，實(shí)現(xiàn)圓極化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。兩個(gè)介質(zhì)板之間是空氣層，厚度為h。
    圖三給出了這種結(jié)構(gòu)的右旋圓極化天線的回波損耗測(cè)試結(jié)果。采用FR4作為饋電介質(zhì)板，聚四氟乙烯作為貼片介質(zhì)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，饋電網(wǎng)絡(luò)的帶狀線特性阻抗分別為50歐姆和35．4歐姆，在上述介質(zhì)板參數(shù)條件下，對(duì)應(yīng)的寬度分別為O．44mm和0．8mm。測(cè)試結(jié)果表明，此尺寸結(jié)構(gòu)的天線實(shí)現(xiàn)了良好的匹配，2：1的VSWR帶寬超過(guò)了1．4GHz(24％，相對(duì)于5．8GHz的中心頻率)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，這種形式的天線采用對(duì)稱的耦合縫隙，用分支線耦合器作為饋電網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)制作工藝要求不高，實(shí)用性強(qiáng)。

1．3 應(yīng)答芯片描述
    微波集成電路(MMIC)CHR2244是專為5．8GHz頻段設(shè)計(jì)的短距離通信應(yīng)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(gè)天線即可使用。其接口與CMOS兼容。內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shí)可以接收、解調(diào)碼速率為250K一500K的5．8GHz AM信號(hào)，靈敏度高于一40dBm；上行模式時(shí)可以發(fā)送100K—lOM的FM信號(hào)。
    當(dāng)芯片沒(méi)有收到喚醒信號(hào)即WK_in=O時(shí)，系統(tǒng)處于等待模式，該模式下芯片功耗非常低。當(dāng)射頻端RF_in無(wú)接收信號(hào)，等待狀態(tài)維持不變；當(dāng)RF_in收到幅度調(diào)制信號(hào)(AM)時(shí)，鏈路將檢測(cè)出其中的數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)SB_out輸出高電平信號(hào)到控制單元，控制單元由此信號(hào)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(hào)，則系統(tǒng)喚醒，否則不向WK_in輸入喚醒信號(hào)，系統(tǒng)繼續(xù)等待。
    下行模式即為接收模式。當(dāng)WK_in收到來(lái)自控制單元的喚醒信號(hào)(高電平)并且T／R=O時(shí)，系統(tǒng)將切換到接收模式。接收模式下，鏈路將對(duì)RF端收到的AM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并將解調(diào)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(dāng)WK_in收到來(lái)自控制單元的喚醒信號(hào)(高電平)并且T／R=1時(shí)，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(lái)自控制單元的基帶數(shù)據(jù)，RF_in端接收5．8GHz的載波信號(hào)(CHR2244自身不產(chǎn)生載波)，將數(shù)據(jù)調(diào)制為5．8GHz載波上的FM調(diào)頻信號(hào)，由RF_out端輸出(RF_in，RF_out時(shí)分復(fù)用RF端口)。
1．4 接口設(shè)計(jì)
    由前面的分析知，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)時(shí)可通過(guò)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(guò)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(lái)自處理器的發(fā)送數(shù)據(jù)由MOD腳進(jìn)入CHR2244。同時(shí)天線與CHR2244的RF端通過(guò)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(jí)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(duì)數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行控制，包括標(biāo)志檢測(cè)和插入；零位檢測(cè)和插入；幀校驗(yàn)序列產(chǎn)生和校驗(yàn)等。HDLC的幀格式如圖六：

    HDLC中設(shè)置數(shù)據(jù)編碼格式為FMO；設(shè)上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率是500kbps，下行為250kbps，HDLC設(shè)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(lái)的基帶信號(hào)經(jīng)FM0解碼，根據(jù)前導(dǎo)碼完成對(duì)數(shù)字信號(hào)0、1的同步，如果檢測(cè)到幀開(kāi)始和結(jié)束標(biāo)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(dòng)HDLC發(fā)送。HDLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行零位插入，添加幀標(biāo)記．計(jì)算CRC，產(chǎn)生前導(dǎo)碼和后導(dǎo)碼，最后經(jīng)FM0編碼，通過(guò)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(guò)程描述
    對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行短距離無(wú)線通信測(cè)試，整個(gè)通信過(guò)程如圖七所示。描述如下：
    一個(gè)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(hào)。這時(shí)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(shí)間間隔(如lOOms)重復(fù)發(fā)送一組250Kbps的5．8GHz AM信號(hào)。睡眠狀態(tài)下B接收到A傳來(lái)的AM信號(hào)，這時(shí)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(lái)的AM信號(hào)，解調(diào)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(zhǔn)備向A反饋數(shù)據(jù)，這時(shí)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(guò)MOD腳傳輸給CHR2244，在CHR2244內(nèi)進(jìn)行FSK調(diào)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(lái)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(jié)
    系統(tǒng)按照3中所述進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試，測(cè)試結(jié)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(chǔ)上進(jìn)行一些改進(jìn)優(yōu)化和應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)將有望運(yùn)用在一些實(shí)際的短距離無(wú)線通信領(lǐng)域中。