抗干擾慢跳頻通信系統的工作原理及實(shí)現應用設計

作者：翟樂(lè )育;彭麗;黃衛平

引言

在民用無(wú)線(xiàn)通信應用領(lǐng)域，由于人們對短距離無(wú)線(xiàn)通信系統的不斷開(kāi)發(fā)和廣泛應用，免申請的ISM頻段資源越來(lái)越緊張，各系統之間頻率的重合機會(huì )也越來(lái)越大，系統干擾也越來(lái)越嚴重，所以設計具有跳頻功能的民用抗干擾通信系統具有很直接的現實(shí)意義。利用該技術(shù)，既可以提高系統的抗干擾能力，也可以大大降低系統維護的復雜度。跳頻通信系統主要由信號調制解調器、跳頻圖案發(fā)生器、頻率合成器和跳頻同步器等部件組成，本文主要介紹民用抗干擾慢跳頻通信系統。

1 工作原理

nRF9E5的內部結構如圖1所示。片上系統集成的主要部件有：與8051兼容的微處理器、4 KB RAM及相關(guān)特殊功能寄存器（SFR）、4輸入通道10位80 ksps的A／D轉換器、433／868／915 MHz的nRF905無(wú)線(xiàn)收發(fā)器、電源管理及復位電路、PWM控制器、SPI接口控制器、低功耗模式RC振蕩器、看門(mén)狗定時(shí)器、端口邏輯及RTC定時(shí)器，等等。微處理器與A／D轉換器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行連接，微處理器程序固化于外部的EEP—ROM存儲器中，系統加電時(shí)由引導程序將固件通過(guò)SPI接口加載進(jìn)片內的4 KB RAM區中，程序加載完畢之后系統由片內的RAM程序控制。該芯片射頻信號輸出功率可編程，最大輸出為10 dBm，通道轉換時(shí)間小于650μs，具有載波監聽(tīng)功能，支持LBT（Listen Before Trans—mit）協(xié)議。

nRF9E5內部集成的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器可工作于433／868／915 MHz頻段范圍內，具體的工作頻段和頻點(diǎn)由外圍電路的阻容參數和相關(guān)寄存器數據決定。在圖2所示的電路中，若系統要求工作于433 MHz頻段，則相關(guān)器件按照表1第2列取值；若系統要求工作于868／915 MHz頻段，則相關(guān)器件按照第3列取值。系統的工作頻段不僅由硬件進(jìn)行配置，而且還要在相應的RF配置寄存器中進(jìn)行設置。其中HFREQ_PLL設置工作頻段，CH_NO設置工作頻點(diǎn)，HFREQ_PLL為一控制位，CH_N0為9位數據。具體的無(wú)線(xiàn)載波頻率由下列公式進(jìn)行計算：

fOP=［422．4+（CH_NO／10）］×（1+HFREQ_PLL）

式中fOP的單位為MHz。若HFREQ_PLL=O，系統工作于433 MHz頻段，頻點(diǎn)間隔100 kHz，頻段范圍為422．4～473．5 MHz；若HFREQ_PLL=1，系統工作于868／915MHz，頻點(diǎn)間隔200 kHz，頻段范圍為844．8～947 MHz。由此可見(jiàn)，如果系統程序按照跳頻圖案產(chǎn)生的偽隨機數設置CH_NO，則nRF9E5可以分別實(shí)現2個(gè)頻段512個(gè)頻點(diǎn)的抗干擾跳頻通信。

nRF9E5內部集成的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器采用半雙工的方式工作，工作方式由TRX_CE和TX_EN控制位決定，如表2所列。TRX_CE控制無(wú)線(xiàn)收發(fā)器處于休眠模式還是工作模式，當TRX_CE=l時(shí)，TX_EN決定無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的接收和發(fā)送狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)收發(fā)器具有ShockBurst的特性，可實(shí)現高速的數據傳輸并在發(fā)送和接收模式之間快速轉換，與射頻數據相關(guān)的協(xié)議由片內nRF905收發(fā)器自動(dòng)處理。nRF9E5只用簡(jiǎn)單的SPI接口與收發(fā)器進(jìn)行數據傳輸。在 ShockBurst接收方式下，當收到一個(gè)有效地址的射頻數據包時(shí)，地址匹配寄存器位（AM）和數據準備好寄存器位（DR）通知片內MCU把數據讀出。在ShockBurst發(fā)送方式下，nRF905自動(dòng)給要發(fā)送的數據加上前綴和CRC校驗。當數據發(fā)送完后，數據準備好寄存器位（DR）會(huì )通知MCU數據已經(jīng)處理完畢。具體的收發(fā)流程如圖3和圖4所示。

2 軟件設計

在非軍事無(wú)線(xiàn)通信系統中，如簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)數據采集、無(wú)線(xiàn)射頻識別等，頻譜干擾一般是由于頻率資源的緊缺以及無(wú)線(xiàn)通信系統的無(wú)序和廣泛應用引起的，所以干擾是隨機和無(wú)意識的。這樣的應用場(chǎng)景下，如果數據的傳輸速率要求也不很高，那么可以設計簡(jiǎn)單的跳頻同步協(xié)議來(lái)實(shí)現抗干擾通信。本設計中，跳頻圖案的偽隨機數存放在256字節的數組中，hopIdx表示數組序號。在通信的初始階段，接收端一直處于監聽(tīng)狀態(tài)，發(fā)送端從數組O開(kāi)始選擇頻點(diǎn)發(fā)送數據。若超時(shí)，則 hopIdx加1繼續發(fā)送，直到通信建立成功，然后發(fā)送端和接收端按照相同的跳頻圖案進(jìn)行通信。

發(fā)送過(guò)程如圖5所示。首先初始化各參數，然后根據偽隨機數選擇發(fā)送頻點(diǎn)，并在該頻點(diǎn)上發(fā)送數據，等待3 ms時(shí)間。如果接收到數據則表明接收方處于同頻點(diǎn)，然后在該頻點(diǎn)上進(jìn)行數據通信。如果3 ms超時(shí)，則再?lài)L試一次；如果繼續超時(shí)，則再次根據偽隨機碼選擇下一個(gè)通信頻點(diǎn)進(jìn)行嘗試；如果超時(shí)3 s，則退出本次發(fā)送過(guò)程。

接收過(guò)程如圖6所示，主循環(huán)一直處于監聽(tīng)狀態(tài)，循環(huán)調用接收函數。如果收到數據包，則發(fā)送響應包，發(fā)送完畢之后，hopIdx加1，收發(fā)器在另一個(gè)頻點(diǎn)繼續監聽(tīng)。如果在一個(gè)頻點(diǎn)長(cháng)時(shí)間超限沒(méi)有收到數據，則轉換到另一個(gè)頻點(diǎn)繼續監聽(tīng)。

本文以半雙工通信過(guò)程為例介紹抗干擾跳頻通信的實(shí)現過(guò)程。實(shí)現的編程環(huán)境為uVisionII，并在Keil C51V7．08編譯環(huán)境下測試通過(guò)。

（1）初始化過(guò)程

初始化過(guò)程主要包括無(wú)線(xiàn)收發(fā)器相關(guān)參數的設定，如表3所列。

（2）發(fā)送過(guò)程

發(fā)送過(guò)程主要包括的子函數如表4所列。

發(fā)送過(guò)程主要函數由TransmitPacket實(shí)現。

（3）接收過(guò)程

接收過(guò)程主要包括的子函數如表5所列。

3 總結

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)頻譜資源的日益緊張，采取跳頻通信實(shí)現抗干擾通信將會(huì )顯得越來(lái)越重要；而利用nRF9E5設計實(shí)現抗干擾跳頻通信系統是一種廉價(jià)、方便的應對措施，所以必將會(huì )在民用市場(chǎng)受到越來(lái)越多的關(guān)注和應用。

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