无线半双工多路数据传输系统.ppt

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1、无线半双工多路数据传输系统方案设计与系统实现华中科技大学黄瑞光无线半双工多路数据传输系统一.命题意图及知识要点二.系统设计方案讨论三.竞赛作品综述一、命题意图及知识要点一、命题意图及知识要点1.题目解读（题目解读（任务）：任务）：从站从站1主站主站收发开关仿真数据显示数据编码与调制收发单元数据解调与译码收发开关仿真数据显示数据编码与调制收发单元数据解调与译码数据编码与调制收发单元收发开关处理显示数据解调与译码处理处理一、命题意图及知识要点一、命题意图及知识要点系统规模：按系统规模：按1个主站带个主站带31个从站进行设计，实际个从站进行设计，实际制作制作2个从站个从站工作模式：工作模式：基本要求

2、主站以轮询方式收集从站的数据，轮基本要求主站以轮询方式收集从站的数据，轮询次数不低于询次数不低于1次秒次秒发挥要求增加从站主动上报功能发挥要求增加从站主动上报功能数据要求：从站每次传送一组人为仿真数据数据要求：从站每次传送一组人为仿真数据1.题目解读（题目解读（总体）：总体）：一、命题意图及知识要点一、命题意图及知识要点工作频率：工作频率：3040MHz自选自选相对准确性：以主站工作频率为基准优于相对准确性：以主站工作频率为基准优于104发射功率：在发射功率：在75欧姆假负载上测定不大于欧姆假负载上测定不大于10mW天馈：采用长度小于等于天馈：采用长度小于等于1米的垂直放置拉杆天线米的垂直放置

3、拉杆天线通信距离：误码率不大于通信距离：误码率不大于105条件下不小于条件下不小于8米米供电：从站用电池供电供电：从站用电池供电1.题目解读（题目解读（收发单元电子收发单元电子制作技术指标制作技术指标）：）：一、命题意图及知识要点一、命题意图及知识要点主站实时显示：发送数据的从站号及其数据主站实时显示：发送数据的从站号及其数据从站实时显示：本站发送给主站的数据从站实时显示：本站发送给主站的数据主主站站存储并存储并按站号显示此前按站号显示此前30秒的历史数据秒的历史数据 1.题目解读（题目解读（人机界面要求人机界面要求）：）：一、命题意图及知识要点一、命题意图及知识要点2.教学知识点：通信相关专

4、业基础教学知识点：通信相关专业基础模拟电子技术尤其是通信电子线路：高频放大、调制与解模拟电子技术尤其是通信电子线路：高频放大、调制与解调、频率合成、滤波调、频率合成、滤波数字电子技术尤其是可编程逻辑器件应用数字电子技术尤其是可编程逻辑器件应用 微机原理或单片机原理或嵌入式系统微机原理或单片机原理或嵌入式系统通信原理：信道、基带和频带、数字调制、同步、误码率通信原理：信道、基带和频带、数字调制、同步、误码率微波与天线：收发信机、天线与馈线、阻抗匹配微波与天线：收发信机、天线与馈线、阻抗匹配数字通信系统：多址通信协议数字通信系统：多址通信协议一、命题意图及知识要点一、命题意图及知识要点3.通信类选

5、题的特点通信类选题的特点专业性：通信工程的专业核心要求如通信原理专业性：通信工程的专业核心要求如通信原理综合性：从电路基础到通信技术、从综合性：从电路基础到通信技术、从 模拟到数字到高频到模拟到数字到高频到微波、从分立元件到专用集成电路、从单元到系统微波、从分立元件到专用集成电路、从单元到系统工程性：所有的设计要组装成完整的实验样机工程性：所有的设计要组装成完整的实验样机测试手段与方法：不少指标要可以利用常规仪器进行测量测试手段与方法：不少指标要可以利用常规仪器进行测量本题与本题与0505年赛题单工无线呼叫系统有所相近，特别在年赛题单工无线呼叫系统有所相近，特别在该题的发挥部分该题的发挥部分-

6、数据传输方面可以借鉴数据传输方面可以借鉴1.总体论证总体论证2.射频部分方案论证射频部分方案论证3.接收部分方案论证接收部分方案论证 4.收发转换开关收发转换开关5.天线和馈线天线和馈线6.关于测试关于测试二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论1.总体论证总体论证从站从站1主站主站收发开关仿真数据显示数据编码与调制收发单元数据解调与译码收发开关仿真数据显示数据编码与调制收发单元数据解调与译码数据编码与调制收发单元收发开关处理显示数据解调与译码处理处理竞赛题目给出的框图，提供了系统的竞赛题目给出的框图，提供了系统的总架构（要分析）总架构（要分析）二、系统

7、设计方案讨论二、系统设计方案讨论1.总体论证总体论证（数据准备）数据准备）信号分别是信号分别是 正弦波：正弦波：s(t)=2.5+2sin(2t)V 直直 流：流：用一个参考电压为用一个参考电压为5V、采样频率为、采样频率为10Hz的单极性的单极性8位位AD转换器对上述两个模拟信号进行转换器对上述两个模拟信号进行1秒钟采样，秒钟采样，可以直接做出标准数据进行调用，也便于测试误码率可以直接做出标准数据进行调用，也便于测试误码率采样点采样点(s)00.10.20.30.40.50.60.70.80.9样本值样本值(V)2.50 3.68 4.40 4.40 3.68 2.50 1.32 0.600

8、.61.32转换值转换值(H)1281882242241881286731316780BCE0E0BC80431F1F43二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论1.总体论证总体论证（通信速率）通信速率）各站点每秒各站点每秒10次采样，每个样本次采样，每个样本8bit，即每秒数据，即每秒数据80bit主站对从站每秒轮询主站对从站每秒轮询1次，则轮询时每站点上传数据次，则轮询时每站点上传数据80bit系统按照系统按照31个站点设计，每秒总上传数据个站点设计，每秒总上传数据80*31=2480bit考虑数据打包、半双工通信协议、必要的转换时间开销考虑数据打包、半双工通信协议、必要的转换时间开销 系

9、统总数据发送数率可定为系统总数据发送数率可定为 3Kbit/秒秒对于短波段数字通信，该指标可达到但有一定技术实现难度对于短波段数字通信，该指标可达到但有一定技术实现难度二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论1.总体论证总体论证（子系统划分）子系统划分）系统划分为发射、接收、天馈（收发）、控制等若干子系统系统划分为发射、接收、天馈（收发）、控制等若干子系统控制子系统需完成协议实现、收发控制方案、接收数据处理、人机界面控制子系统需完成协议实现、收发控制方案、接收数据处理、人机界面编码编码控制系统控制系统人机界面人机界面调制调制载波发生载波发生功功 率率 放放 大大接收接收解调解调 电路电路解码解

10、码天馈和收天馈和收发控制发控制二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论1.总体论证总体论证（数字调制解调方案）数字调制解调方案）综合技术指标综合技术指标 ASK 抗干扰能力较弱，误码率较高抗干扰能力较弱，误码率较高 PSK、MSK、QAM等方案实现电路较复杂等方案实现电路较复杂 按照按照DTMF规范，其数据率不高规范，其数据率不高数字调制方式数字调制方式 基本数字调制：基本数字调制：ASK、FSK、PSK及其多进制及其多进制 高效数字调制：高效数字调制：QPSK、MSK、GMSK、QAM等等 双音多频编码双音多频编码 DTMF较好的采用方案为较好的采用方案为FSK二、系统设计方案讨论二、系统设

11、计方案讨论2.射频部分方案论证射频部分方案论证射频调制方案射频调制方案 数字已调信号作二次调制：数字已调信号作二次调制：AM、FM FM实现：实现：VCO、PLL、专用器件芯片、专用器件芯片 DDS 直接作数字信号调频直接作数字信号调频 综合技术分析综合技术分析 AM 非恒定包络对提高发射机效率不利非恒定包络对提高发射机效率不利 VCO方案的频率稳定度不易把握方案的频率稳定度不易把握 PLL或专用器件要采用晶体振荡器或专用器件要采用晶体振荡器 较好的方案较好的方案 采用采用FM射频调制射频调制 首选专用集成发射芯片首选专用集成发射芯片 振荡源可采用振荡源可采用D DS或晶振或晶振 DDS直接作

12、射频调频的电路设计直接作射频调频的电路设计二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论3.接收方案论证接收方案论证综合技术分析综合技术分析 上面两个方案都可以采用上面两个方案都可以采用 PLL PLL方案可以选用集成锁相环方案可以选用集成锁相环 测频方案可以采用测频方案可以采用FPGAFPGA实时实时 接接收收解解调调方方案案：外外差差接接收收+鉴频，解调出已调基带信号鉴频，解调出已调基带信号滤 波一级混频一级中放二级混频二级中放二次变频调频接收机高 放鉴 频已调已调FSK基带信号的解调基带信号的解调 用用PLL进行频率跟踪进行频率跟踪 对对FSK测频解调测频解调采用专用芯片实现：选择一次变频芯片

13、采用专用芯片实现：选择一次变频芯片(如如MC3361MC3361，MC3357MC3357，TDA7021TDA7021等等)或二次变频芯片或二次变频芯片(如如MC3362MC3362、MC3363MC3363等等)二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论4.收发转换开关收发转换开关作用：作用：半双工通信控制发射信号和接收信号的通路半双工通信控制发射信号和接收信号的通路 发射时阻断接收电路以避免接收放大器饱和发射时阻断接收电路以避免接收放大器饱和接收时关断发射通道以避免接收小信号短路接收时关断发射通道以避免接收小信号短路 实现实现：晶体管作开关，控制相关电路的电源晶体管作开关，控制相关电路的电

14、源 二极管作开关切换相应通路二极管作开关切换相应通路 集成收发开关芯片集成收发开关芯片二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论4.收发转换开关收发转换开关作用：作用：半双工通信控制发射信号和接收信号的通路半双工通信控制发射信号和接收信号的通路 发射时阻断接收电路以避免接收放大器饱和发射时阻断接收电路以避免接收放大器饱和接收时关断发射通道以避免接收小信号短路接收时关断发射通道以避免接收小信号短路 实现实现：晶体管作开关，控制相关电路的电源晶体管作开关，控制相关电路的电源 二极管作开关切换相应通路二极管作开关切换相应通路 集成收发开关芯片集成收发开关芯片如如Hittite公司公司 二、系统设计方案

15、讨论二、系统设计方案讨论5.天线和馈线天线和馈线先回顾一些基本理论：先回顾一些基本理论：天线可视为一个四端网络天线可视为一个四端网络振子振子1/2波长波长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长波长波长两臂长度相等的振子叫做两臂长度相等的振子叫做对称振子（半波振子）对称振子（半波振子）二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论5.天线和馈线：天线和馈线：平衡转换平衡转换负载和传输线，根据其对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。负载和传输线，根据其对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。若负载两端或传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡负载或平若负载两端或传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为

16、平衡负载或平衡（馈线）传输线，否则为不平衡负载或不平衡（馈线）传输线衡（馈线）传输线，否则为不平衡负载或不平衡（馈线）传输线1/4波长波长同轴电缆是不平衡传输线同轴电缆是不平衡传输线 对于对称振子天线，就需要对于对称振子天线，就需要采用非平衡到平衡转换采用非平衡到平衡转换二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论天线的输入阻抗天线的输入阻抗：Zin=Rin+j Xin 输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关输入阻抗具有电阻分量和电抗分量，电抗分量的存在会减少天线从馈输入阻抗具有电阻分量和电抗分量，电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取线对信号

17、功率的提取半波对称振子的输入阻抗为半波对称振子的输入阻抗为 42.5(欧欧)当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。而当天线和馈线不匹配即天线阻抗不等于馈线入射波，没有反射波。而当天线和馈线不匹配即天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。5.天线和馈线：天线和馈线：阻抗匹配阻抗匹配二、系统设计方案讨论二、系统

18、设计方案讨论9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前:10W返回返回:0.5W5.天线和馈线：天线和馈线：阻抗匹配阻抗匹配在不匹配的情况下在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波，形成驻波馈线上同时存在入射波和反射波，形成驻波因此可以通过检查驻波比因此可以通过检查驻波比SWR阻抗判断是否匹配阻抗判断是否匹配SWR值越接近值越接近1，说明匹配越好；如果，说明匹配越好；如果VSWR的值过高，不仅会降低发信的值过高，不仅会降低发信系统的工作效率，严重时会给发信设备和天线馈电系统带来危害系统的工作效率，严重时会给发信设备和天线馈电系统带来危害二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论阻抗匹配

19、是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态适配，得到最大功率输出的一种工作状态当负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最当负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配相反。这种匹配条件称为共扼匹配天线长度相对于发射频率短得多，短天线呈现天线长度相对于发射频率短得多，短天线呈现容性容性可能的匹配方案：天线加感后再加阻抗变换可能的匹配方案：天线加感后再加

20、阻抗变换5.天线和馈线：天线和馈线：阻抗匹配阻抗匹配二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论从站采用电池供电从站采用电池供电-排除通排除通过供电系统的耦合过供电系统的耦合主从站同时显示发送的数据主从站同时显示发送的数据-检查仿真数据检查仿真数据测试测试30秒秒-考察误码率考察误码率两个从站的测试两个从站的测试主动上报数据的测试主动上报数据的测试6.关于测试关于测试比特误码率的测定可以比特误码率的测定可以使用专门仪器，也可以使用专门仪器，也可以在主站接收一定时长在主站接收一定时长（如（如3030秒钟）的已知数秒钟）的已知数据，通过比较出现错误据，通过比较出现错误的次数作出大致判断；的次数作出大致

21、判断；在轮询式收集的基础上在轮询式收集的基础上增加从站主动申请报告增加从站主动申请报告数据的功能，为便于测数据的功能，为便于测试该功能，可在从站上试该功能，可在从站上设置按键开关或其它启设置按键开关或其它启动方式；动方式；二、系统设计方案讨论二、系统设计方案讨论6.多点通信协议设计多点通信协议设计主机与从机的协议设计是由报文、从机地址码、数据码组成主机与从机的协议设计是由报文、从机地址码、数据码组成000000：主机对从机进行轮询采集数据：主机对从机进行轮询采集数据001001：从机对主机上传数据：从机对主机上传数据010010：无应答报文：无应答报文011011：主机向从机发送对：主机向从机

22、发送对2.5+2sin2t 2.5+2sin2t 信号采集的数据信号采集的数据100100：主机向从机发送对信号采集的数据：主机向从机发送对信号采集的数据101101：从机向主机申请报送数据：从机向主机申请报送数据协议设计中要充分考虑容错性，例如发送命令或申请后的超时机制等协议设计中要充分考虑容错性，例如发送命令或申请后的超时机制等 协议设计完成后，可在主控单片机上编制程序实现协议设计完成后，可在主控单片机上编制程序实现三、竞赛作品综述三、竞赛作品综述1.方案设计与比较方案设计与比较调制解调调制解调发信机发信机收信机收信机单片机控制系统单片机控制系统方案设计较完善的部分方案设计较完善的部分三、

23、竞赛作品综述三、竞赛作品综述1.方案设计与比较方案设计与比较整个系统的通信速率几乎没有参赛队关注，由此引起的技术实现难整个系统的通信速率几乎没有参赛队关注，由此引起的技术实现难度没有真正体现（例如采用度没有真正体现（例如采用DTMF方案并用专用芯片实现）方案并用专用芯片实现）多址通信的报文设计除个别队，也是几乎空白；特别是没有考虑容多址通信的报文设计除个别队，也是几乎空白；特别是没有考虑容错性（如从站应答超时的处理）错性（如从站应答超时的处理）射频传输部分收发转换、阻抗匹配几乎没有队真的做设计射频传输部分收发转换、阻抗匹配几乎没有队真的做设计误码的测试方案误码的测试方案从机电池供电从机电池供电

24、方案设计较弱的部分方案设计较弱的部分三、竞赛作品综述三、竞赛作品综述2.硬件电路实现硬件电路实现硬件电路基本上都采用了集成功能芯片硬件电路基本上都采用了集成功能芯片发射部分发射部分MC2833或或DDS直接产生发射信号直接产生发射信号接收部分接收部分MC3362、MC3363、CXA1019、LA1800普遍使用普遍使用DDS（作载频信号产生，直接调频等）（作载频信号产生，直接调频等）单片机小系统（单片机小系统（89C51、凌阳单片机）、凌阳单片机）三、竞赛作品综述三、竞赛作品综述3.设计实例（设计实例（1）：采用）：采用MC2833实现发射电路实现发射电路三、竞赛作品综述三、竞赛作品综述3.

25、设计实例（设计实例（1）：采用）：采用MC2833实现发射电路实现发射电路三、竞赛作品综述三、竞赛作品综述3.设计实例（设计实例（2）：采用）：采用DDS实现直接射频调制电路实现直接射频调制电路三、竞赛作品综述三、竞赛作品综述3.设计实例（设计实例（3）：采用）：采用MC3362+MC145151实现接收电路实现接收电路三、竞赛作品综述三、竞赛作品综述3.设计实例（设计实例（3）：采用）：采用MC3362+MC145151实现接收电路实现接收电路三、竞赛作品综述三、竞赛作品综述 主站以轮询方式收集从站的数据，即由主站指定从站站号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

26、据的呼叫，从站收到主站呼叫后，应答上报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，询问频率为本站的一组数据，询问频率为1Hz1Hz。当主站接收到从站的申请信。当主站接收到从站的申请信号时，主站会产生中断程序，立即查询接收申请的从站的传输号时，主站会产生中断程序，立即查询接收申请的从站的传输数据。在接收完毕后，会继续执行轮询的程序。数据。在接收完毕后，会继续执行轮询的程序。从站在接收到主站的命令之后，向主站发送数据。从站内从站在接收到主站的命令之后，向主站发送数据。从站内部存有两组数据，根据主站发送来的命令进行选择发送。在未部存有两组数据，根据主站发送来的命令进行选择发

27、送。在未接收到主站的命令时，从站有两种工作状态，等待命令与发送接收到主站的命令时，从站有两种工作状态，等待命令与发送申请，申请未得到响应时，从站继续等待，得到响应后，从站申请，申请未得到响应时，从站继续等待，得到响应后，从站报上站名，并传送数据。传送完毕后，继续等待。如果没有得报上站名，并传送数据。传送完毕后，继续等待。如果没有得到响应，从站将在等待到响应，从站将在等待5 5毫秒后自动再发送申请。毫秒后自动再发送申请。3.设计实例（设计实例（4）：主从站程序流程）：主从站程序流程三、竞赛作品综述三、竞赛作品综述3.设计实例（设计实例（4）：主从站程序流程）：主从站程序流程初始化站地址设置键盘开始工作发送申请等待命令间隔5ms发送数据无回应有回应谢谢！不当之处敬请指出