无线半双工多路数据传输系统（本科C 题）18组 尚勇 郭小虎 陈文辉摘 要：无线半双工多路数据传输系统分发射和接收两大部分。发射部分采用锁相环式频率合成器技术， MC145152和MC12022芯片组成锁相环，将载波频率精确锁定在35MHz，输出载波的稳定度达到410-5，准确度达到310-5，由变容二极管V149和集成压控振荡器芯片MC1648实现对载波的调频调制；末级功放选用三极管2SC1970，使其工作在丙类放大状态，提高了放大器的效率，输出功率达到设计要求。接收部分以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片CXA1238S为主体，灵敏度、镜像抑制、信噪比等各项性能指标均达到设计要求。采用PT2262/2272编码/解码电路实现了数据传输业务等功能； AT89S52作为整个系统的控制部分，程序设计采用C语言在KEIL51的编译器上编程实现；显示采用16位液晶显示。关键词： 锁相环、压控振荡器、灵敏度、编码/解码目 录1、系统设计 1 1.1 设计要求1 1.1.1 任务1 1.1.2 要求1 1.1.3 说明1 1.2 总体设计方案2 1.2.1 设计思路2 1.2.2 方案论证与比较2 1.2.3 系统组成102、单元硬件电路设计 11 2.1 发射部分电路的设计11 2.1.1 压控振荡器的设计11 2.1.2 锁相环电路设计13 2.1.3 功率放大电路设计15 2.1.4 阻抗变换电路设计16 2.2 接收部分电路的设计17 2.2.1 CXA1238S芯片17 2.2.2 天线输入网络19 2.2.3 高放选频回路19 2.2.4 本机振荡器19 2.2.5 中频窄带滤波器20 2.3 PT2262/2272编码/解码电路设计20 2.3.1 PT2262/2272芯片介绍20 2.3.2 PT2262/2272编码/解码电路21 2.4 抗干扰措施223、 软件设计22 3.1 软件设计和硬件设计的关键23 3.2 发射部分程序设计23 3.3 接收部分程序设计244、 系统测试24 4.1 测试使用的仪器24 4.2 指标测试和测试结果24 4.2.1 发射部分的指标测试和测试结果24 4.3 波形观察及距离测试25 4.4 结果分析26参考文献26附录1 电路原理图26附录 2 程序清单291.系统设计1.1 设计要求1.1.1 任务设计并制作一个无线半双工多路数据传输系统，实现主站至从站间的数据传输业务。1.1.2 要求（1）基本要求 系统按照1 个主站，31 个从站的规模进行设计（实际制作2 个从站），主站以轮询方式收集从站的数据（见说明1），轮询每个从站的次数不低于1 次秒，每次传送一组仿真数据； 从站的仿真数据是人为生成的两组数字信号（见说明2）；从站传输哪一组数据由主站决定； 设计制作无线半双工收发单元，其工作频率在（3040）MHz 中自行选择，各收4单元工作频率的相对准确性（以主站工作频率为基准）优于10，所有收发单元的发射功率不大于10mW（在75 欧姆假负载上测定）； 主、从站收发天线采用长度小于等于1 米的拉杆天线，垂直放置，馈线部分自行设计；在比特误码率（见说明3）不大于10条件下，主从站通信距离不小于8 米； 主站能实时显示发送数据的从站号及其数据； 从站能实时显示本站发送给主站的数据；从站采用电池供电。（2）发挥部分 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（见说明4），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； 主站具有对所有从站数据进行存储和回放的功能，并能按站号显示此前30 秒的历史数据； 在保持发射功率不变且比特误码率不大于10条件下，尽量增大通信距离； 特色与创新。1.1.3 说明（1）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；（2）为方便测试，要求从站的仿真数据是对以下 正弦波：s(t)=2.5+2sin(2t)V 直 流： 2.5V 两个模拟信号进行人为处理而生成的数字信号，即假定用一个参考电压为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，由此生成的两组数据（每组10 个数据）即为对应上述两个模拟信号的仿真数据；（3）比特误码率的测定可以使用专门仪器，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；（4）“从站主动申请报告数据”是指由从站发出报告数据的申请。当某从站发出申请时，主站临时停止轮询，向该从站发出传输数据呼叫，再由从站应答上报；（5）收发单元不能使用成品收发模块，但允许选用数字调制解调、射频发射、射频接收等有关集成电路芯片。1.2 总体设计方案1.2.1 设计思路题目要求设计一个无线半双工多路数据传输系统，实现主站至从站间的数据传输业务。设计分发射和接收两大模块，方框图如图1.2.1所示。发射部分采用数字频率合成技术，由变容二极管和集成压控振荡器芯片实现振荡频率的电压控制及对载波的调频调制；加入由频率合成芯片、高速分频器、运算放大器和晶体振荡器等组成的数字锁相环路，使输出频率稳定度达到与参考晶振同等水平；收音电路以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片为主体，用一个固定的电压值控制振荡器的振荡频率，使其接收频率与发射频率对应。采用编码解码电路实现题目所要求的一点对多点、数据传输业务的功能；显示部分利用液晶显示模块。为了尽量增加传输距离和降低系统的波形失真，必须采取有效的措施。 图1.2.1 系统基本框图1.2.2 方案论证与比较（1）调制体制的方案论证与选择方案一：采用调幅体制。一般调幅发射机的组成框图如图1.2.2所示，其工作原理是：载波振荡器产生标准的载波信号，数据进入基带信号放大与整形电路后与载波信号进行幅度调制；调制后，功放级将调制后的信号的功率放大到所需发射的功率，再经天线发射出去。 方案二：采用调频体制。它由三部分组成，即频率合成器和FM波的缓冲放大器。频率合成器的作用是产生一个振荡频率稳定度极高的FM信号，它是调制器的核心部件；射频缓冲放大器起缓冲、放大、匹配和滤波的作用。方案选择：本系统可以采取调幅体制或调频体制。调频系统与调幅系统相比，具有较强的抗干扰能力。故本系统采用调频体制，数据收发也采用2FSK方案。（2）载波信号产生电路的设计方案论证与选择方案一：采用LC振荡电路。比如西勒振荡电路，具体电路图如图1.2.3所示。该电路较易起振，输出振荡频率和振幅也较为稳定，波形好，调谐范围也比较宽。电路的振荡频率为，式中。但其调试比较复杂。图1.2.3 西勒振荡电路方案二：采用晶体振荡器产生基准频率，再用选频网络加放大器选出它的谐波实现倍频。该方案稳定度较高，但存在35MHz的1/N频率的晶体谐振器难以获得、N太大和选频网络调节较为麻烦等缺点。具体方框图如图1.2.4所示。图1.2.4 晶振电路产生载波方框图方案三：PLL频率合成。用MC145152和VCO电路进行频率合成，采用闭环控制。故存在反馈，能得到精度和稳定度很高的频率信号，本题目要求发射频率在30MHz40MHz之间，选定35MHz作为载波信号。原理框图如图1.2.5所示。图1.2.5 频率合成原理框图方案选择：载波信号发生器是主机发射部分的重要组成部分，应能产生等幅高频正弦信号，其振荡频率应十分稳定。方案一和方案二的电路比方案三的电路简单，但是其短期频率稳定度均只能达到10-210-3；而采用频率合成法产生的高频振荡信号的频率稳定度接近晶振的频率稳定度，可达10-510-6；且失真度很小。故本设计采用方案三。（3）接收模块的设计方案论证与选择FM专业收音电路常采用大规模集成IC CXA1019、CXA1238等大规模集成芯片来实现。方案一：采用CXA1019作为接收机电路的核心IC。CXA1019是日本索尼公司研制的单片大规模接收机电路，它包含了AM/FM收音机从天线输入、高频放大、混频、本振到中频放大、检波直至低频（音频）功率放大的所有功能。除此之外，还具有调谐指示，电子音量控制等一些辅助功能。方案二：采用CXA1238作为接收机电路的核心IC。CXA1238是索尼公司在20世纪80年代后期正式推出的集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体的AM/FM立体声收音集成电路。它的电源电压适应范围宽：210V范围内电路均能正常工作，且具有立体声和调谐指示LED驱动电路以及FM静噪功能等。方案选择：上述两种方案实现的功能基本相同，但CXA1238具有耗电小、调整简单等优点；且它的宽电压适应范围和立体声指示及静噪功能也是CXA1019所力所不能及的。故选用方案二。因CXA1238内部带解调电路，可以对语音及数据调制后的信号进行解调。（4）数据传输的设计方案论证与选择无线半双工多路数据传输系统要求一点对多点传送，且主站具有轮询功能，同时增加数据传输业务；从主站输入的数据经转换后形成连串的数字信号，这就需要把这数字信号调制发射出去，并且在接收端应把调制信号解调并加以识别显示出来；发射部分预置从站号码发送或群发，接收部分则只有相应的台号接收。方案一：采用二进制振幅键控（ASK）调制与解调法。ASK有乘法器实现法和键控法两种实现方法，乘法器实现法的原理方框图如图1.2.6所示，其数字信号与载频为fc的余弦信号进行混频得到调制信号；振幅键控信号解调有两种方法，即同步解调法和包络解调法，同步解调方框原理如图1.2.7所示。图中uASK(t)信号经过带通滤波器抑制来自信道的带外干扰，相乘器进行频谱反相搬移，以恢复基带信号。低通滤波器用来抑制相乘器产生的高次谐波干扰，解调的相干载波用2cos2fct。图1.2.6 ASK调制器框图图1.2.7 ASK同步解调方框图方案二：采用微控制器和PT2262/2272组成的编码/解码电路。PT2262/2272是一对CMOS工艺制造的低功耗低价位带地址、数据编码/解码功能，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别和数据传输最常用的芯片之一。PT2262/2272发射接收电路原理框图分别如图1.2.8和图1.2.9所示。在发射端，微控制器对PT2262的地址位进行预置，同时输入数据，通过微控制器进行短信编码后产生相应的数据去预置PT2262的数据位后，再调制发射出去；接收端，把接收到的信号进行解调放大后，送至PT2272，解码后在数据位产生对应的数据，通过微控制器进行短信解码后在液晶上显