短距離高可靠無線數據通訊裝置

1.前言

目前，0～100米內的短距離無線通訊裝置的應用非常廣泛，例如汽車遙控門匙、無線抄表、ID卡、計算機無線數據通訊等。世界各大芯片制造商如TI、 MOTOROLA、DIGITAL-WIRELESS等公司，根據需求，研制開發出了各種新式射頻芯片，使短距離無線數據通訊裝置的設計開發趨于更加容易、方便、周期短、成本低。

本文通過對常用調制模式誤碼率的計算和比較，選擇了OOK模式，并用RFM公司先進的ASH（Amplifer-Sequenced Hybrid）式接收器[1]，研制了一套短距離高可靠無線數據通訊裝置，給出了測試和應用結果。

2.FSK 、ASK、OOK三種調制模式誤碼率的計算

無線通訊常用的調制模式有FSK（Frequency-Shift-Key）、ASK（Amplitude-Shift-Key）、OOK（On-Off-Key）[2]等，評價調制模式的重要指標是誤碼率。三種模式的誤碼率理論計算公式如下：


從圖可得如下結論：三種模式中FSK模式抗干擾能力雖最強，但當信噪比大于15dB后，三種模式的誤碼率基本相同。考慮到實際應用中信噪比大的環境特點，且由于三種模式中OOK模式具有低成本、易開發、最省電等特點，本文選取OOK模式作為短距離無線數據通訊調制模式。

3.ASH接收器

在設計短距離無線通訊裝置時，必須遵守無線電管理委員會的各項規定。為免除無線信道申請，只有在發射功率受限條件下，增加通訊之間距離，RFM公司提供了一種分時放大ASH式接收器[1]， 可滿足這一要求，其原理圖見圖2。

由圖2可見，ASH式接收器由脈沖發生器、SAW帶通濾波器、兩級射頻放大器[3]、SAW延遲線等組成。脈沖發生器控制兩級射頻放大器，使它們分時工作。當接收的信號經過帶通濾波器后，脈沖發生器打開第一級放大器并關閉第二級放大器，使信號放大后送入延遲線；當信號通過延遲線后，脈沖發生器打開第二級放大器并關閉第一級放大器，使信號再次放大后輸出。

同利用分頻放大原理的Superheterodyne式接收器[2]相比較，ASH式接收器有以下特點：1）體積小，僅為10.2×7.06× 2.03mm；2）耗電量小,可使用電池供電,便于設計手持裝置[4]；3）不使用高穩定的振蕩器，完全消除了本地振蕩器的輻射；4) 完全消除了混頻器噪聲；5）外圍電路設計簡單、便于開發；6）支持高速數據通訊,波特率達100kb/s；7）成本低。

4.設計實例

根據上述計算和分析，本文選用RFM公司的無線收發器ASH式TR3001芯片[5]和OOK模式設計了一個短距離無線數據通訊裝置。

圖3為裝置原理框圖，其中TR3001主要完成無線收發接口，MAX202完成標準RS232接口轉換， 80C51CPU主要完成DC平衡編碼與解碼、無線數據收發控制、串行通訊等任務。圖4為TR3001芯片應用電路圖。本裝置主要性能指標如下：1）體積小，85×50×5mm；2）支持半雙工，波特率為9.6kb/s的串行數據通訊；3）最大通訊距離為20米；4）使用315M頻點。由于發射功率低，不需要向無線電管理委員會申請執照。

5.結果

使用5211型誤碼儀在戶外空地5至25米距離對本裝置進行了測試，測試結果見圖5，表明隨著距離的增加，信噪比變小，誤碼率增高。但在20米距離內仍能滿足使用要求。本設計已作成小型近距離通訊裝置在實際數據采集和傳送中使用，獲得了滿意結果。