中國868MHz頻段微功率無線電應(yīng)用射頻設(shè)備的要求

2008年中國政府為微功率（短距離）無線電應(yīng)用增加了868MHz~ 868.6MHz的工作頻率。其對無線電設(shè)備的射頻要求如下：

（1）發(fā)射功率限值：5mW（e.r.p）,；

（2）發(fā)射信號的占空比限值：1%,；

（3）載波頻率容限：100×10-6；

并把該類設(shè)備歸類于“各類民用設(shè)備的無線電控制裝置中,。

從上面的規(guī)定中可以看到,，該頻段可用帶寬為600kHz，但并沒有明確在該頻道使用的帶寬,，數(shù)據(jù)速率以及調(diào)制方式方面要求,，這就給予了應(yīng)用很大的空間。本文主要是基于868MHz頻段的要求,，設(shè)計了比較簡單通用的無線收發(fā)系統(tǒng),，該系統(tǒng)可適用于該頻段的不同的無線傳輸應(yīng)用。

SX1231介紹及性能描述

SX1231芯片是Semtech公司推出的一款高集成度,、低功耗,、多頻段的UHF RF收發(fā)器。其工作電壓為1.8V~3.6V,，24引腳QFN封裝,，工作頻率包括3155MHz、4335MHz,、 8685MHz和915MHz無許可證的ISM頻段,；內(nèi)部集成SIGMA-DELTA小數(shù)分頻鎖相環(huán)、功率放大器、喚醒定時器,、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器,、66字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO、數(shù)據(jù)包處理,、數(shù)據(jù)加密功能AES,，以及6個可配置的DIO等，所有主要的RF通信參數(shù)是可編程的,，大多數(shù)可動態(tài)設(shè)定,。采用16節(jié)的FIR通路濾波器，因而有好的選擇性,；發(fā)射功率可編程輸出,，從-18dBm到+17dBm；有多種調(diào)制解調(diào)方式：FSK,、GFSK,、MSK、GMSK和OOK等,；SX1231在使用時所需的外部元件很少,，1個32MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng),，設(shè)計簡單且成本低,。SX1231在1.2kbps時的靈敏度高達(dá)-120dBm，主要用在無線抄表（AMR）,、無線傳感器網(wǎng)絡(luò),、家庭和建筑物自動化、無線告警和安全系統(tǒng),、工業(yè)監(jiān)視和控制等領(lǐng)域,。

無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)總體方案

無線射頻收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由STM8L151K2單片機(jī)控制SX1231實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā),。發(fā)送模塊中的STM8L151K2將數(shù)據(jù)傳送給SX1231,，然后SX1231對數(shù)據(jù)進(jìn)行包格式處理，包括增加前導(dǎo)碼,、同步字,、CRC校驗碼，如果需要也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理,。最后數(shù)據(jù)包經(jīng)天線發(fā)送給接收模塊,。接收模塊對接收到的射頻信號放大、解調(diào),、解包之后,，再將數(shù)據(jù)送給主控制器STM8L151K2進(jìn)行相應(yīng)的處理,，如送顯示屏或PC數(shù)據(jù)處理中心等。該系統(tǒng)包括按鍵和液晶顯示屏等人機(jī)交互界面,，以及RS232接口,，這實現(xiàn)了與PC的通信功能。

圖1 系統(tǒng)方框圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計

主控芯片選用ST公司推出的單片機(jī)STM8L151K2,。STM8L151K2有1K bytes的RAM和8K bytes的Flash以及256bytes的EEPROM,，片上集成了包括串口、SPI,、I2C,、ADC、觸摸屏控制功能等外圍模塊接口,，完全滿足本系統(tǒng)對微控制器的要求,；有多種電源管理模式(如等待模式、低功耗運行模式,、低功耗等待模式等),。

STM8L151K2可以通過SPI接口對SX1231的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，靈活配置各項參數(shù),。通過4線SPI接口完成對SX1231的初始化配置,、讀寫數(shù)據(jù),、訪問FIFO等操作,，使SX1231正常工作在發(fā)射、接收模式,，完成數(shù)據(jù)在空中的傳播,。

SX1231是15腳~18腳的標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，DIO0~DIO5可以通過內(nèi)部寄存器來配置成不同的中斷信號,。映射關(guān)系如表1所示,，這樣可以很方便地獲取SX1231的工作狀態(tài)。如果需要了解FIFO滿,、FIFO不是完全空,，工作模式Ready，有效的數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收,、電池電壓低,、RSSI、PLL鎖定等狀態(tài),，都可以配置寄存器來把這些信號映射到DIO PIN,，然后單片機(jī)STM8L151K2通過檢測這些DIO PIN的電平來獲得或者主動通知MCU某個狀態(tài)發(fā)生?？捎?9腳（RXTX）控制射頻收發(fā)開關(guān)以進(jìn)行發(fā)射通路和接收通路的切換,，高電平時為發(fā)射狀態(tài),。圖2中采用UPG2214TB射頻開關(guān)，V1和V2分別為開關(guān)的控制腳,。由于SX1231只有一個控制腳,，因此增加一個三極管反相器就完成了開關(guān)的控制。21腳（RFIO）是發(fā)射和接收共用的PIN,，但是該PIN的最高輸出功率為13dBm,。如果需要輸出更高的功率（17dBm或20dBm），就必須把發(fā)射接至23腳（PABOOST）,，這時21腳（RFIO）只當(dāng)作接收PIN,。

圖2 硬件設(shè)計原理圖

SX1231接收端的輸入阻抗可設(shè)置成50Ω和200Ω，通常設(shè)成200Ω,，此時同一匹配值在全頻段仍可獲得很好的靈敏度,。

SX123節(jié)省功耗方面有一些很重要的特性：

（1）工作電壓范圍寬：從1.8V~3.6V都可以正常工作，且任何特性都保持不變,。特別是對于發(fā)射,，工作電壓低至1.8V時仍然保持相同的輸出功率，即電壓從1.8V~3.6V,，輸出功率都能到達(dá)17dBm或20dBm,，不隨電壓而變。但是其他類似的芯片,，輸出功率則隨著電壓的下降而降低,。這樣一種特性，使得該系統(tǒng)能夠使電池的利用最大化,，延長電池的使用壽命,，這對低功耗的應(yīng)用來說具有非常重大的意義。

（2）可以在sleep/standby模式下讀寫寄存器：該特性節(jié)約了寫FIFO時的功耗,。在sleep模式下的電流為0.1μA,，而在接收模式下的電流為16mA，節(jié)約了160000倍的功耗,。

表1 DIO PIN 與信號的映射關(guān)系表

系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨立的函數(shù)由主程序調(diào)用,。功能模塊包括：初始化程序（包括初始化STM8L151K2、SX1231）,、無線發(fā)送程序,、無線接收程序等。無線發(fā)送程序負(fù)責(zé)寫入數(shù)據(jù)載荷到SX1231,，并根據(jù)通信協(xié)議來配置芯片的前導(dǎo)碼,、同步字及CRC校驗碼，最后SX1231把其組裝成數(shù)據(jù)包將其發(fā)送出去,；無線接收程序負(fù)責(zé)接收并處理數(shù)據(jù),。首先,，SX1231接收到一個完整的數(shù)據(jù)包，之后逐步的把前導(dǎo)碼,、同步字以及CRC碼去除,，最后MCU從其FIFO中取出有效數(shù)據(jù)。

無線收發(fā)模塊之間的通信是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送的,，本系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)包格式如表2所示,。

表2 本文系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)包格式

其中，Preamble(前導(dǎo)碼)是一連串的10101010（0XAA）或01010101（0X55）,，其數(shù)量為0~655635字節(jié),，具體幾個字節(jié)可以根據(jù)應(yīng)用的需要來設(shè)定。前導(dǎo)碼主要用來進(jìn)行幀同步,，接收機(jī)主要依靠前導(dǎo)碼來進(jìn)行有用信號識別,，完成頻率控制，以及自動增益控制,、信號強度判斷等動作以確保用最佳的狀態(tài)接收正確的數(shù)據(jù),。SyncWord(同步字)在前導(dǎo)碼之后，通過設(shè)定好的同步字來作為同步模式的標(biāo)志碼,，也可以作為一個網(wǎng)絡(luò)的ID,，相同網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備用相同的同步碼。而接下來的地址碼（Address）可以作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個設(shè)備的ID,，如果數(shù)據(jù)包中的地址于本設(shè)備的地址相同,，則接收數(shù)據(jù)，否則不予處理,。有效載荷（Message）是真正需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù),。最后是CRC校驗碼,，由芯片自動完成,。

初始化程序

初始化程序包括STM8L151K2的初始化以及SX1231的收發(fā)頻率、工作模式,、調(diào)制方式,、數(shù)據(jù)速率以及數(shù)據(jù)包處理等寄存器的初始化配置。

系統(tǒng)上電后,，STM8L151K2處于默認(rèn)狀態(tài),，根據(jù)系統(tǒng)功能需求重新進(jìn)行初始化配置。SX1231也處于默認(rèn)狀態(tài),，需要進(jìn)行配置才能工作,。SX1231的初始化是一個重要的部分，正確的配置對系統(tǒng)最終的通信性能有很大的影響,。

數(shù)據(jù)發(fā)送程序

無線發(fā)送程序流程如圖3所示,。完成STM8L151K2,、SX1231的初始化后，配置寄存器寫入相應(yīng)的初始化RF控制字,；然后通過SPI連續(xù)寫寄存器向TX FIFO內(nèi)寫入需要發(fā)送的數(shù)據(jù),；再切換到發(fā)射模式。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完后,，PacketSent寄存器置1,，同時映射的DIO PIN會變成高電平通知MCU數(shù)據(jù)包發(fā)送完成。然后寫數(shù)據(jù)到FIFO,，發(fā)送,，如此循環(huán)。直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成,，進(jìn)入Sleep模式,。

圖3 數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

數(shù)據(jù)接收程序

程序完成STM8L151K2、SX1231的初始化后,，配置寄存器寫入相應(yīng)的初始化RF控制字,，把SX1231配置為接收狀態(tài)。檢測PayloadReady為高電平時,，表明已經(jīng)收到數(shù)據(jù),，然后MCU從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理,。如此循環(huán)直至完成接收,。

系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)測試條件及設(shè)置

該部分為本系統(tǒng)測試時的設(shè)置，根據(jù)不同的應(yīng)用需求,，部分設(shè)置可用作相應(yīng)的變動,。

•電源電壓：3.3V

•頻率：868.3MHz

•數(shù)據(jù)速率：4.8kbps

•頻偏：5.0kHz

•接收機(jī)帶寬：10kHz

•數(shù)據(jù)類型：PN15

•功率設(shè)定：4dBm

測試結(jié)果

發(fā)射功率

從圖4中可以看到，發(fā)射功率為6.86dBm,。低于5mW（7dBm）的規(guī)范要求,。

圖4 發(fā)射功率

載波頻率容限：100x10-6

從圖5中可以看出，設(shè)置為868.3MHz輸出,，實際測量的頻率為868.2960MHz,，則頻率偏差為(（868.30-868.296）MHz/868MHz)=4.6×10-6，小于規(guī)定的載波頻率容限100×10-6,。

圖5 載波頻率容限

發(fā)射信號的占空比限值：1%

發(fā)射信號的占空比通常指在一定時間內(nèi),，發(fā)射信號的時間與未發(fā)射信號的時間比值。這主要取決于應(yīng)用的要求,，但是對類似短距離無線通信,，發(fā)射器的發(fā)射的時間是非常的小，適合于各種控制類應(yīng)用,。如抄表的應(yīng)用中,，每個月抄表一次,，而且每次發(fā)射的時間都小于1秒，這個占空比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1%,。

圖6 信道間隔和占用帶寬

圖7 鄰信道功率

信道間隔和占用帶寬

對于25kHz的信道間隔,，允許的占用帶寬為8.5kHz~16kHz之間。從圖6的結(jié)果中可以看到,，占有99%的能量的占用帶寬為14.7247kHz,，小于16kHz。

鄰信道功率

在載波25kHz頻率偏移處的功率須小于載波功率40dB,。

接收靈敏度

接收靈敏度是[email protected]%,。整個系統(tǒng)的接收鏈路預(yù)算為120.2dB。通信距離可以達(dá)到600m左右,。

從測試結(jié)果可看出該系統(tǒng)具有很好的性能,，精準(zhǔn)的頻率控制，高的接收靈敏度,，可以滿足于寬帶的應(yīng)用要求,，而且結(jié)果也表明完全適合于窄帶應(yīng)用。完全滿足于中國年微功率（短距離）無線電應(yīng)用對于868MHz~868.6MHz頻段的規(guī)范要求,。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，稍作改變就可適用于不同的應(yīng)用環(huán)境。