基于單片機的簡易軟件無線電FSK的程序設計和電路設計

張更民 高云 王云隆

摘要：現(xiàn)代微控制器（MCU）內部資源豐富，工作速度快，例如STM32F103系列單片機有11個內部定時器，工作時鐘可達72 MHz或更高，只有1-2美元的低價。在許多低速、近距離的無線應用環(huán)境中，我們傾向于使用軟件無線電而不是無線通信硬件來實現(xiàn)通信。一種更自由、方便和經濟的方式，特別適用于ASK和FSK通信方式。

關鍵詞：微控制單元（MCU）;軟件無線電;振幅移位鍵控（ASK）;頻移鍵控（FSK）

現(xiàn)代手持設備的一般尺寸為3-10厘米，藍寶石和大多數(shù)無線網絡的工作頻率在2.4GHz左右。從公式λ=C/f我們可以看到波長接近12.5cm。根據等效天線的原理l=1/4λ，大多數(shù)設備的天線尺寸約為3cm。這也就是說，它可以很容易地固定在手持設備的外殼中。因此，近幾年來，這種頻率的射頻器件得到了迅速的發(fā)展，并在市場上得到了廣泛的應用，其次是相應的通信模塊。另一方面，額外的通信模塊不可避免地會增加硬件成本和設備功耗，外部固定的模塊不能滿足改變通信環(huán)境和通信質量的靈活要求。相反，現(xiàn)代MCU具有計算速度快、工作時鐘頻率高、內部資源相對豐富等優(yōu)點，使其可以完成具有較高的計算速度、高工作時鐘頻率和相對豐富的內部資源的簡單的軟件RADI 修改后的任務。這就是為什么我們做這個實驗的原因。

1.由豐富的內部定時器和高速IO支持的STM32F103的軟件無線電優(yōu)勢

在2001年STM32F103是一種以ARM的Crotex-M3為核心的32位單片機。基本配置包括ADC的常規(guī)接口、多級中斷處理、I2C、UART、CAN總線等。最吸引人的設計是它眾多的定時器。有3個一般16位定時器，其中一個用于PWM控制，另兩個定時器是看門狗定時器，盡管在許多應用情況下，我們實際上不使用它們中的每一個。此外，還包括24位自還原計數(shù)器。引腳周轉率高達50 MHz，接近射頻.由單片機軟件無線電控制的輸出波形為方波，其傅里葉級數(shù)包含有效的高階諧波頻率。假設我們使用7次或13次諧波作為有效載波頻率，然后，從公式λ=C/f我們可以獲得85.71cm或46.2cm的波長，有效的天線長度為21.4cm或11.5cm，這保證了我們可以直接連接IO接口和微帶PCB天線。從而大大簡化了射頻通信電路，大大降低了成本。

2.標準ASK/FSK信號與單片機產生信號在時域和頻域上的差異

ASK是一種振幅鍵控調制方式，在時域上，它可以看作是存在或不存在的正弦振蕩信號，對應于無線信號“1”和“0”。但單片機不產生正弦信號，而是產生正方形信號，也對應于“1”和“0”。如上所述，方波信號包含高次諧波頻率，接收機接收不同諧波頻率的標準ASK信號的組合。我們可以看到，在時域，引腳的輸出仍然是問號信號：振蕩的存在或不存在表示‘1和‘0。同時，振動的實現(xiàn)變得更加容易，只需檢測方波的存在。對于FSK，唯一的區(qū)別是符號變化時方波輸出頻率的變化。首先，單片機內部定時器產生方波，然后根據所需頻率進行信號傳輸?shù)能浖刂?。如果通過低速單片機開關將輸出信號簡單地連接到不同頻率的振蕩器上，就會產生問題。外部振蕩器在振蕩開始和結束時存在時間延遲，時間延遲長度不確定，導致符號寬度‘1和‘0不同。同時，由于時間延遲，在符號切換時，波形的相位不能連續(xù)變化，從而導致波形失真，產生額外的頻率分量。相位的兩倍微分是頻率的變化率，這意味著相位的不連續(xù)性會帶來很大的頻率變化，這將給我們帶來很大的麻煩。濾波電路設計和后端天線設計的可行性。

3.軟件設計思想

在功率譜分析中，為了簡化前向濾波電路和天線設計，必須大大集中輸出信號的功率。這要求輸出信號在時域上接近具有相對穩(wěn)定頻率的周期信號。另一方面，這類信號的信息量相對較小。為了解決這一矛盾，我們必須在交換載波時進行編程上的調整。

4.基本電路設計

作為近場通信實驗，我們選擇了一種相對簡單的環(huán)形天線與電容器并行的方案，因為它經常用于RFID環(huán)境中。在我們連接到PCB板之后，可以調節(jié)電容并聯(lián)固定。一個高速開關晶體管連接到單片機的IO端，以增加流向天線的電流。在接收機上，設計了一個類似的天線來完成頻率選擇，然后通過高頻三極管放大、開關二極管檢測和比較器塑料放大倍數(shù)，可產生標準電平的信號。當信號被發(fā)送到MCU時，完成了軟件無線電數(shù)字通信的基本通信系統(tǒng)。在該電路中，天線設計和頻率選擇/識別模塊可以同時完成。

5.單片機產生的波形特征

單片機管腳信號的高低，即三極管工作在高頻開關狀態(tài)，方波在天線上流動。如果軟件無線電FSK中符號“1/0”的載波頻率彼此接近，相鄰的符號可以通過高電平或低電平連接，相位將是連續(xù)的，諧振頻率點將相當接近。因此，信號的頻譜帶寬很窄，很容易在環(huán)形天線和并聯(lián)可調電容形成的電感上進行調諧。

6.概要

在實際制作通信驗證電路后，進行了以下實驗。參數(shù)如下：FSK的載波頻率為1.1MHz/1.05MHz，對應于“1”/“0”。我們用30圈的天線和0.8mm的漆線代替PCB板天線。在光譜計的調諧校準中，需要并聯(lián)的可調電容。數(shù)字信號的傳輸距離為1.5m，傳輸速率為19200 bps。效果好，符號錯誤率小于5%。結果表明，前文討論過的近場低速通信效果較好。原因包括兩個方面：首先，“0”/“1”的頻率是相近的。第二，采用軟件無線電開關振蕩后，載波的相位是連續(xù)的。因此，產生了一種新的頻譜分量，使得頻率選擇電路和天線的設計實現(xiàn)了簡單的設計。

參考文獻：

[1]M.Adrat，G.Ascheid關于無線軟件無線電系統(tǒng)最新創(chuàng)新的專題-J信號處理系統(tǒng)

[2]J.BONOR，Z.Hu，T.N.郭，R.C.邱榮寧，J.P.Browning，M.C.WicksSoftware-定義-基于無線電的無線層析成像

[3]C.E.ShanNona數(shù)學理論

作者簡介：張更民（1999-）男，漢族，河北保定人，本科。