秒懂FSK技術及基于CC1000的射頻光傳輸設計

　　在本文中，小編將介紹什么是fsk，它的原理又是什么？基于CC1000的射頻光傳輸設計又該如何實現？下文都有解釋，還有相關的設計程序圖。

　　1. 引 言

　　射頻光纖傳輸模塊（也稱光端機）與移動通信直放站設備相配合可以構成移動通信光纖傳輸直放站系統。早期射頻光纖傳輸模塊僅能完成射頻信號到光信號的轉換，沒有其它功能。

　　隨著移動運營商要求的提高，光纖直放站都需要有監控功能。因此，模塊在原有基礎上，增加了FSK通信功能，可方便直放站系統的監控數據傳輸。本文講述了一款基于射頻收發芯片CC1000的FSK數據通信系統的設計和實現。

　　2. 光模塊工作原理

　　直放站天線收到的上行信號經過放大器將其調整到一定的電平，送入光發送端機，射頻光傳輸模塊（以下簡稱為光模塊）把上行信號和經過FSK調制的監控信號一起進行光調制，并通過光纖進行傳輸。在收端光接收機將光信號轉化成相應的電信號，送至基站。監控信號通過濾波器選頻從上行信號中分離出來，再通過FSK解調還原成數字信號；同理，由基站來的下行信號，送至光模塊進行光調制，并通過光纖進行傳輸。在收端光接收機將光信號轉化成相應的電信號，該信號經直放站放大器變為所需的功率電平信號，并通過雙工環型器由天線發射出去，從而構成由光纖作為傳輸介質的直放站系統。其結構如圖1所示。

　　3. FSK 電路設計

　　3.1 FSK 技術

　　FSK即“頻移鍵控”，它的英譯為“Frequency Shift Keying”。二進制移頻鍵控記為2FSK。

　　它是數據通信中使用較早的一種通信方式。由于這種調制解調方式容易實現，抗噪聲和抗衰減性能較強，因此在中低速數據傳輸通信系統中得到了較為廣泛的應用。根據國際電報和電話咨詢委員會（ITU-T）的建議傳輸速率低于1200波特以下的設備一般采用FSK方式傳輸數據。在衰落信道（短波通信）中傳輸數據。

　　FSK調制信號的產生的工作原理是用載波的頻率變化來傳送數字消息。在2FSK中載波頻率隨著調制信號1和0而變化，1對應f 1，0對應f 2即：

　　其中： 1 w ＝ 1 2π f ， 2 w ＝ 2 2π f 。

　　二進制里只有兩個數0和1，傳送1的時候用一種頻率，傳送0的時候用另一種頻率，這就是FSK的實質。

　　3.2 硬件電路設計

　　在此設計中采用的是無線FSK收發芯片，但采用光纖傳輸的方式，因為光纖傳輸受外界影響小，并且在傳輸過程中光損小，傳輸距離遠遠大于無線傳輸距離。由于無線收發芯片的種類和數量比較多，選擇無線收發芯片時應考慮需要以下幾點因素：功耗、發射功率、接收靈敏度、收發芯片所需的外圍元件數量和芯片成本等。CC1000是基于ChipcON公司的SmartRF技術制造的可編程、半雙工超高頻單片收發器芯片， 它主要是為315、433、868和915MHz的ISM和SRD設備所設計，可以編程工作在300～1000MHz范圍之間的任一頻率上。同時其靈敏度可達-109dBm ， 可編程輸出功率-20 ～10 dBm ，FSK調制數據率最高可達76.8kBaud ，可在2.7～3.3V低電源工作，具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協議。主要工作參數都能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活。

　　在此設計中在本系統中對CC1000 的性能要求如下：

　?、?調制速率：9.6Kbps② 編碼方式：NRZ 碼③ 傳輸模式：異步傳輸 UART 模式④ 頻率設置：發射中心頻率 433.916MHz，“1” 433.948MHz “0” 433.884MHz接收本征頻率 433.766 MHz⑤ 調制頻偏：±32KHz⑥ 載頻頻率穩定度：±25ppm（即±10KHz）⑦ 接收靈敏度：≤-90dBmMCU與CC1000 的硬件接口電路如圖2 所示。MCU使用3 個輸出管腳用于接口（PDATA、PCLK、PALE），PDATA 必須是雙向管腳用來讀回數據，另一個雙向管腳用于待發送的數據DIO 和接收數據，提供數據定時的DCLK 應與微控器輸入端相連，本文中CC1000 采用異步傳輸UART 模式，DIO 用于數據輸入與MCU 串口TX 連接，DCLK 用于數據輸出，與MCU 串口RX 連接。其余管腳能用來監視LOCK 信號在管腳CHP_OUT，當PLL 鎖定時該信號為邏輯高電平。當使用一個外接終端電阻時，RSSI（接收信號強度指示）電壓能通過A/D 測量出，可以檢測接收信號強度。在設計印制電路板時應注意：要求使用雙面PCB 板，地平面放在底層以減少射頻信號的輻射和串擾，接地管腳應使用單獨的過孔，盡量靠近封裝管腳接地，去耦電容也應盡量靠近電源腳放置，并通過單獨的過孔與接地層相連，外圍元件越小越好最好使用表面固定裝置。

　　4. 軟件設計

　　整體系統數據的發射和接收如框圖 3 所示。MCU 通過串口0 把上位機的數據存儲，組幀后，由串口1 傳給CC1000，通過射頻發射機傳出，遠端MCU 依據接收到的數據，做出相應的處理，并重新組幀，傳給近端的上位機。

　　4.1 數據幀結構

　　為了區分噪聲和保證數據的可靠性，數據幀的格式如下：

　?、?同步碼：這是一個連續的“0”和“1”（二進制）交替信號（按字節，0x55），比特數由CC1000 中寄存器MODEM1 中的SETTLING［1:0］來設置，其對應關系如下：

　　這個信號的作用在于減少與真實的載波信號類似的信號的干擾，并實現接收端和發送端幀同步，CC1000 接收端只有正確接收到這個信號，并鎖定均值濾波器（LOCK_AVG_IN=1），后續信號才會有效。在此設計中SETTLING［1:0］為00，即11bit。

　?、谇皩Тa：0xFF（即“1”持續高電平）。

　?、塾行祿盒枰獋魉偷谋O控數據。

　?、芙Y束碼：0xFF（即“1”持續高電平）。

　　4.2 數據收發程序設計

　　在通信過程中 CC1000 具有3 種狀態：IDLE（空閑）、RX（接收數據）、TX（發送數據）。整體上看，這是個具有3 種狀態的狀態機模型，狀態之間的相互轉換見圖4。由于CC1000 為半雙工通信模式，因而RX 和TX 兩個狀態具有互斥性。

　　串口數據的接收由中斷完成，串口0 收到數據觸發接收中斷，并將接收數據緩存到緩沖區Buffer0。串口1 接收中斷根據同步碼，前導碼和結束碼來判斷并緩存有效數據，其流程見圖5。只有當接收端收到5 個同步碼之后，才可將接收數據保存到緩沖區內。為了防止突發的亂碼，當接收的有效數據超過900 時，仍為收到結束碼，則判定此幀數據無效，因而在使用中應當避免數據幀長度過長。

　　數據的發送分為兩部分：CC1000 發送數據和向上位機發送數據。CC1000 發送數據的過程中應該考慮CC1000 收發的互斥性以及前導碼和結束碼的發送時間。CC1000 發送數據流程圖見圖6。程序中設置為每次發送三次前導碼和結束碼，因此在向上位機發送數據的過程中要剔除掉緩沖區中多余的前導碼和結束碼，實現數據的透明傳輸。

　　4.3 數據環形緩沖區

　　MCU 程序的重要部分為數據的存儲和轉發。緩沖區數據隊列示意圖如圖7 所示，可以把數組想象為一個環形，而不是直線形，采用這種方式，當從隊列中添加或刪除記錄項時，對首將持續沿著數組追逐到隊尾，因而可以無限制的前行，但是仍呆在一個限定的圓圈內。

　　在不同的時間，隊列將占用數組的不同部分，但永遠都不用擔心會超過這個空間之外，除非數組被徹底的占滿，在這種情況下，稱為溢出。在本設計中采用*BufferHead 和*BufferTail跟蹤出隊（即數據的發送）和入隊（即數據的接收）的數據，當兩個指針指向同一位置時，表示緩沖區空，即數據已發送完。

　　5. 結 論

　　FSK 通信的穩定性是射頻光模塊的一個重要的性能指標，它直接影響到直放站工作的可靠性。此系統的測試方法如下圖8 和圖9 所示。測試中所用的光衰作用是模擬實際工程中，光纖的長度所產生的光損。測試方法1 要借助PC 機的兩個串口COM1 和COM2，通過PC機上的COM1 連續發送有規律的數據包，在另一端COM2 接收；同時COM2 發送數據包，COM1 接收。統計發送數據包和丟失數據包的數量，測試數據量不小于1000 幀，即可計算誤幀率。

　　測試方法2 和測試方法1 有所不同，方法2 只需要1 個PC 機串口，直接把光模塊2 的串口0 的RXD 和TXD 短接。這種方法比較簡單，而且具有更高的可靠性。

　　本系統可以實現在18dB光衰時，誤碼率≤10的負3次方，通信效率高和可靠性高的特點，并且已在實際中使用，取得了令人滿意的效果。