无线半双工多路数据传输系统

无线半双工多路数据传输系统第1页，共36页，2023年，2月20日，星期六《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.竞赛作品综述第2页，共36页，2023年，2月20日，星期六一、命题意图及知识要点题目解读（①任务）：从站1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第3页，共36页，2023年，2月20日，星期六一、命题意图及知识要点系统规模：按1个主站带31个从站进行设计，实际制作2个从站工作模式： ①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1次／秒 ②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题目解读（②总体）：第4页，共36页，2023年，2月20日，星期六一、命题意图及知识要点工作频率：30～40MHz自选相对准确性：以主站工作频率为基准优于10－4发射功率：在75欧姆假负载上测定不大于10mW天馈：采用长度小于等于1米的垂直放置拉杆天线通信距离：误码率不大于10－5条件下不小于8米供电：从站用电池供电题目解读（③收发单元电子制作技术指标）：第5页，共36页，2023年，2月20日，星期六一、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从站实时显示：本站发送给主站的数据主站存储并按站号显示此前30秒的历史数据题目解读（④人机界面要求）：第6页，共36页，2023年，2月20日，星期六一、命题意图及知识要点教学知识点：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：多址通信协议第7页，共36页，2023年，2月20日，星期六一、命题意图及知识要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综合性：从电路基础到通信技术、从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本题与05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-数据传输方面可以借鉴第8页，共36页，2023年，2月20日，星期六总体论证射频部分方案论证接收部分方案论证收发转换开关天线和馈线关于测试二、系统设计方案讨论第9页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论总体论证从站1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，提供了系统的总架构（要分析）第10页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论总体论证（①数据准备）信号分别是 ①正弦波：s(t)=［2.5+2sin(2πt)］V ②直流：2.5V

用一个参考电压为5V、采样频率为10Hz的单极性8位A／D转换器对上述两个模拟信号进行1秒钟采样，

可以直接做出标准数据进行调用，也便于测试误码率采样点(s)00.10.20.30.40.50.60.70.80.9样本值(V)2.503.684.404.403.682.501.320.600.61.32转换值(H)1281882242241881286731316780BCE0E0BC80431F1F43第11页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论总体论证（②通信速率）各站点每秒10次采样，每个样本8bit，即每秒数据80bit主站对从站每秒轮询1次，则轮询时每站点上传数据80bit系统按照31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 系统总数据发送数率可定为>3Kbit/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 第12页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论总体论证（③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、人机界面编码控制系统人机界面调制载波发生功率放大接收／解调电路解码天馈和收发控制第13页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论总体论证（④数字调制／解调方案）综合技术指标①ASK抗干扰能力较弱，误码率较高 ②PSK、MSK、QAM等方案实现电路较复杂 ③按照DTMF规范，其数据率不高数字调制方式①基本数字调制：ASK、FSK、PSK及其多进制 ②高效数字调制：QPSK、MSK、GMSK、QAM等 ③双音多频编码DTMF较好的采用方案为FSK第14页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论射频部分方案论证射频调制方案①数字已调信号作二次调制：AM、FM ②FM实现：VCO、PLL、专用器件芯片

③DDS直接作数字信号调频综合技术分析①AM非恒定包络对提高发射机效率不利 ②VCO方案的频率稳定度不易把握

③PLL或专用器件要采用晶体振荡器较好的方案①采用FM射频调制 ②首选专用集成发射芯片

③振荡源可采用D

DS或晶振 ④DDS直接作射频调频的电路设计第15页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论接收方案论证综合技术分析 ①上面两个方案都可以采用 ②PLL方案可以选用集成锁相环 ③测频方案可以采用FPGA实时接收解调方案：外差接收+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FSK基带信号的解调 ①用PLL进行频率跟踪

②对FSK测频解调采用专用芯片实现：选择一次变频芯片(如MC3361，MC3357，TDA7021等)或二次变频芯片(如MC3362、MC3363等)第16页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论收发转换开关作用： ①半双工通信控制发射信号和接收信号的通路 ②发射时阻断接收电路以避免接收放大器饱和 ③接收时关断发射通道以避免接收小信号短路实现：①晶体管作开关，控制相关电路的电源 ②二极管作开关切换相应通路 ③集成收发开关芯片第17页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论收发转换开关作用： ①半双工通信控制发射信号和接收信号的通路 ②发射时阻断接收电路以避免接收放大器饱和 ③接收时关断发射通道以避免接收小信号短路实现：①晶体管作开关，控制相关电路的电源 ②二极管作开关切换相应通路 ③集成收发开关芯片 如Hittite公司第18页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论天线和馈线①先回顾一些基本理论：天线可视为一个四端网络振子1/2波长1/4波长1/4波长1/2波长波长两臂长度相等的振子叫做对称振子（半波振子）第19页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论天线和馈线：②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。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 同轴电缆是不平衡传输线对于对称振子天线，就需要采用非平衡到平衡转换第20页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论天线的输入阻抗： Zin=Rin+jXin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线对信号功率的提取半波对称振子的输入阻抗为Zin=73.1＋ｊ42.5(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，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。天线和馈线：③阻抗匹配第21页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论9.5W80

ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W天线和馈线：③阻抗匹配在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波，形成驻波因此可以通过检查驻波比SWR阻抗判断是否匹配SWR值越接近1，说明匹配越好；如果VSWR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第22页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论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，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天线长度相对于发射频率短得多，短天线呈现容性可能的匹配方案：天线加感后再加阻抗变换

天线和馈线：③阻抗匹配第23页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论从站采用电池供电---排除通过供电系统的耦合主从站同时显示发送的数据---检查仿真数据测试30秒---考察误码率两个从站的测试主动上报数据的测试

关于测试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；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，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；第24页，共36页，2023年，2月20日，星期六二、系统设计方案讨论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 000：主机对从机进行轮询采集数据 001：从机对主机上传数据 010：无应答报文 011：主机向从机发送对2.5+2sin2∏t信号采集的数据 100：主机向从机发送对2.5V信号采集的数据 101：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

协议设计完成后，可在主控单片机上编制程序实现

第25页，共36页，2023年，2月20日，星期六三、竞赛作品综述方案设计与比较调制解调发信机收信机单片机控制系统方案设计较完善的部分第26页，共36页，2023年，2月20日，星期六三、竞赛作品综述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度没有真正体现（例如采用DTMF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误码的测试方案从机电池供电方案设计较弱的部分第27页，共36页，2023年，2月20日，星期六三、竞赛作品综述硬件电路实现硬件电路基本上都采用了集成功能芯片 发射部分MC2833或DDS直接产生发射信号 接收部分MC3362、MC3363、CXA1019、LA1800普遍使用DDS（作载频信号产生，直接调频等）单片机小系统（89C51、凌阳单片机）第28页，共36页，2023年，2月20日，星期六三、竞赛作品综述设计实例（1）：采用MC2833实现发射电路第29页，共36页，2023年，2月20日，星期六三、竞赛作品综述设计实例（1）：采用MC2833实现发射电路第30页，共36页，2023年，2月20日，星期六三、竞赛作品综述设计实例（2）：采用DDS实现直接射频调制电路第31页，共36页，2023年，2月20日，星期六三、竞赛