高速无线调制解调器的设计

第21卷第5期Voi.21No.5

BULLETINOFSCIENCEANDTECHNOLOGYSep.20052005年9月

高速无线调制解调器的设计

张慧熙!邵志龙!沈继忠

浙江大学信息与电子工程学系 杭州310028

摘要!本文阐述了以调制解调芯片CMX589A为核心而设计的一种高速无线调制解调器 经点对点测试 所设计的无线调制解调器达到了设计目标 具有速度快 效率高 工作可靠等优点 用它可以方便地构成高速无线通信网络

关键词!电路与系统!调制解调!GMSK!重定时!高速!SPI

中图分类号!TN923文献标识码!A文章编号!1001-7119"2005#05-0589-04

DesignofHigh!SpeedWirelessMODEM

ZHANCHui!xi SHAoZhi!long SHEN i-zhong

DepartmentofInformation EiectronicEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310028,China

Abstract:BasedonthechipCMX589A,akindofhighspeedwireiessMODEMhasbeendesigned.ThedesignedMO-DEMcompieteiymeetsthedesignreguirementsafterapointtopointexperiment.Ithastheadvantagesofhigh-speed,highefficiency,highreiiabiiity.Withit,ahigh-speedwireiessnetworkcanbeconstructedconvenientiy.

Keywords:circuitsandsystems;MODEM;GMSK;retime;high-speed;SPI

随着社会生产的快速发展和人们生活水平

的日益提高 无线网络需求迅速扩大 并且越来

越迫切 显而易见 无线网络与有线网络相比 在

组网方便性 灵活性以及价格等方面都有着显著

的优势 特别是在工业遥测遥控 资源环境监控

等场合 以无线方式进行组网是十分合适的选

择[1]

设计无线MODEM主要有两种途径 第一种

是使用非微处理器型集成电路及相关元器件 构

成数据泵型无线MODEM 之所以称之为 数据

收稿日期!2003-10-30

基金项目!浙江省科技计划项目资助 编号 2003C31014 泵 是因为该种无线MODEM以全透明方式传输数据 而对数据不作任何运算处理 数据泵型无线MODEM是纯硬件系统 所以有传输延时小 效率高 可靠性高等优点 使用这种无线MO-DEM 能够较好地满足用户实时处理的需求 并可由用户在数据终端选择所需的抗干扰算法或加密算法 第二种是使用通用型微控制器 MCU 及所需元器件 构成智能型无线MODEM 这种结构的无线MODEM能够发挥MCU的软件功能 降低硬件成本 它除了完成调制解调功能之

作者简介!张慧熙 1980- 女 浙江温岭人 硕士研究生 主要从事数字系统的研究

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科技通报第2I

卷

外a还可以对数据进行检错等处理O但这种类型的无线MODEM有以下两点不足之处1可靠性相对较低a因为MCU需要运行相应的程序a即使可通过看门狗技术提高程序运行的稳定性a但也无法根本改观 传输延时较大a通常大于一个串行数据帧a这是因为MCU需要从上位机接收完一帧数据后才能进行调制等处理O

aIintelface 方式a该方式有一同步时钟a输入的

数据信号在时钟到来时必须为有效a即满足数据的建立时间与保持时间 而RS-232C是标准的异步串行通信接口a传输数据时不需要时钟信号的配合O因此a当数据终端与所设计的无线MO-

DEM按照RS-232C协议通信时a不能把DTE输出的数据信号 TXD 经过电平转换后就直接接到CMX589A的SPI数据端口a否则a数据在无线

信道之前就可能已经出错a而且这种错误是无法避免的和间歇性的O这是因为aDTE与DCE当按照RS-232C方式连接时a是以各自的时钟为基准而工作的 虽然它们设置为同一波特率a但事实上并不严格相等a所以会间歇 间歇周期为两者时钟周期的最小公倍数 地出现这种情况a即

!

设计原理

从高速的要求出发a所设计的无线MODEM

应有尽可能小的传输延时\尽可能高的传输效率以及较高的可靠性a因此a本文采用第一种方案来设计无线MODEMO经过调查研究发现aMX-COM公司的调制解调芯片CMX589A具有传输速率较高 ~ kbps[2] \接口较为简单\使用灵活等优点a比较符合本文的设计目标与要求,故选用之O

根据无线调制解调器的功能要求以及无线调制解调芯片CMX589A的特点a我们设计了一种数据泵型高速无线MODEM[3, ]O它是高斯滤波最小相移键控 GMSK 调制方式a既可工作于全双工模式a也可工作于半双工模式O值得注意的是a在同一设定速率下a全双工模式的数据传输能力是半双工模式的2倍O其原理框图如图l所示O

图l中a左边的 RS-232C接口 是无线调制解调器 DCE 与数据终端(DTE)的接口O之所以采用RS-232C接口是因为几乎所有的PC机\单片机和其它DTE都提供这种接口a它的速度也足以满足许多场合的要求ORS-232C协议规定1+l2V表示逻辑Oa-l2V表示逻辑la与普通的数字系统逻辑电平不匹配O所以必须在RS-

TXD尚未稳定时CMX589A就读入数据a从而引

起误码O

因此a数据终端输出的TXD信号必须经过重定时才能接至CMX589A的SPI数据端口O因为复杂可编程逻辑器件 CPLD 的集成度较高a所以使用它可以节省印刷电路板的面积 目前的CPLD已具有在系统可编程特性a使得优化设计和调试都很方便a无需改变硬件电路O所以a我们采用复杂可编程逻辑器件来实现TXD信号的重定时功能O

由CMX589A输出的调制信号a还要经过去直流\放大\低通滤波处理才能送给电台发射出去 同样a电台对从天线接收下来的射频信号进行检波后输出的基带信号可能已经相当微弱a也必须经过去直流\放大\低通滤波处理后才能送给CMX589Aa从而正确解调出数字信号[5]O

"

"#!

电路实现及测试结果

电平转换模块

232C接口与无线MODEM内部电路之间加入电

平转换电路O

CMX589A的数据接口为SPI seliaIpeliphel-

电平转换模块采用了MAXIM公司的MAX232E[6]O该芯片是双入双出 共四路 电平转

图l无线调制解调器的原理框图

Fig.lPlincipIestluctuleOfwileIessMODEM

第5期张慧熙等.高速无线调制解调器的设计

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换电路9仅需+SV单电源供电即可(采用自举电路技术)产生满足RS-232C要求的逻辑电平9驱动电压动态范围大9兼容CMOS和TTL逻辑电平9转换速度高达120kbps9并具有15kV的静电保护功能0图2是MAX232E典型的应用接法0引脚8\13为RS-232C电平输入端9转换成CMOS/TTL逻辑电平后分别由引脚9\12输出;而引脚10\11为CMOS/TTL逻辑电平输入端9转换成RS-232C电平后分别由7\14脚输出0可见9MAX232E使用十分方便9又符合所设计无线

现所要求功能的源程序9然后进行编译\优化与综合9再进行功能验证\时序仿真9这些步骤通过以后9就要对CPLD编程(在系统可编程)9编程后的CPLD就是具有相应功能的电路模块了9最后联入系统进行硬件调试9直至实现预期功能0因为无线调制解调芯片CMX589A的串行通信接口为SPI方式9所以本模块是设计的重点之一0

MODEM对传输速率的要求0

图3

重定时与控制模块

Fig.3Moduieoftheretimeandcontroi

!"#调制解调模块

以CMX589A为核心的调制解调模块可以对数字信号进行电平移位\滤波等一系列处理9并输出GMSK信号9即调制0当然它也可以把数字信号从GMSK信号中恢复出来9即解调0图4是CMX589A在本设计中的接法[2]9其中石英晶体X1的谐振频率为4.9152MHZ0图中部分元件的参数与系统的工作速度有关9例如9当波特率为4800时9!1\!2\!3取22pF9!5\!6取0.03uF9!7取470pF9"1取1M!9"3\"4取100K!0

图2MAX232的标准接法StandardusageofMAX232

Fig.2

!"!重定时与控制模块

前文已经说明9对数据终端的输出TXD信

号进行重定时的必要性0本设计使用了Xiiinx公司的CPLD器件XC9572TO44[7]0该模块的主要功能是对数据终端输出的TX 信号进行重定时以及半双工模式下的收\发控制9如图3所示0设计流程是:用VeriiogHDL或VHDL语言写出能实

!"$放大滤波模块

本设计中9信号的放大\低通滤波均通过集

成运算放大器来实现0一种由运放构成的有源低通滤波器如图5所示9其中包含放大功能0图5中9前一级运放构成跟随器O放大倍数为1)9起

图4CMX589A在本设计中的接法

Fig.4TheusageofCMX589Ainthisdesign

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隔离作用0!l~!2和后一级运放构成反相放大器,其放大倍数为-!2/!l0与!2并联的电容"l对后一级运放的输出信号中的高频分量予以滤除,而对低频分量则允许通过,从而构成了一种有源低通滤波器0"l~!2的值以及运放的输出内阻!0决定了滤波器的带宽#$:

本文主要针对工业应用领域和分布式系统的监控而设计了一种高速无线调制解调器0由于它是纯硬件电路,所以就不会出现程序跑飞的情况,这是此方案优于前文提到的方案二的另一个方面0它具有高速率~高效率~全透明和可工作于全双工模式等特点,这就为实时无线数据传输和在数据终端上开发高效的数据处理算法提供了有力的支持,同时省去了不必要的运算处理开销,提高了系统的可靠性0从而为组建高速无线网络提供了一种技术手段0参考文献!

[l][2]

李廷军,金慧琴,徐科文,等.73M233调制解调器在短波通信中的应用[J].通信技术,200l,9:22-24.

#$=<!2-!0-2!O!2>0.5/<2!!0!2"l>

上式中,一般要求!2比!o大一个数量级以上,故#$为正0

22

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曾宪伟,张荫,陆生礼.一种GMSK解调方案的研究与实现[J].电子器件,2002,25(4):397-40l.

图5一种有源低通滤波器[3][4]

Fig.5Akindofpoweredlowpassfilter

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!"#测试结果

[5]

经过长时间点对点测试[2,8],在25k~z带宽以内,所设计的无线MODEM可工作于4.8

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kbps,9.6kbps,l9.2kbps,并且工作稳定0其传输延时不大于l个位周期<串行通信时一位二进制

数据的持续时间>,这是无线高速网络的必然要求,也是优于前文提到的方案二的重要方面0此外,当信噪比大于l2dB时,误码率不高于l0-5,这一指标可以满足大多数应用场合0

[6][7][8]

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$

结束语

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!上接第583页"

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