基于低功率无线数据传输系统的研究与设计

　　0 引言

　　在当前的无线数据通信领域内，系统设计的微型化、低功率是发展的趋势与要求。在保证系统设计的有效性、可靠性的前提下如何实现低功率条件下的长距离无线数据传输是目前系统研究的主要问题。文章在分析了影响无线数据传输系统的相关因素，如频率选择、抗多径干扰、天线选择、协议设计等，分析了在低功率、微型化无线数传系统设计时对这些影响因素的具体解决思路。以单片机AT89C5l和射频芯片nRF401为系统设计核心，提出了一种低功率、长距离、系统功耗低的无线数据传输系统的软硬件设计方案，并给出了系统扩展应用的基本方向与思路。

　　1 影响因素分析

　　在无线数据通信系统设计时，频段选择、多径干扰、天线选择、协议设计等下列因素对整个系统的功能实现与性能有着至关重要的影响。

　　1．1 频段选择

　　对一般的民用无线数据传输系统而言，确定工作频率的时应该从两方面考虑：一是所选择的频段应在免申请的自由频段内频率的：另一方面，频率的高低与信号的传输损耗有关，结合当前的技术发展现状，2．4GHz免申请微波频段成为首选频段，nRF401芯片就工作在此频段。

　　1．2 多径干扰

　　目前2．4GHz频段的通信设备越来越多，蓝牙、HomeRF、DECT和无线局域网（WLAN）等这类无线通信形式一般都采用2．4～2．5GHz ISM频段，这些具有相同或相近工作频段的系统在某一特定的区域内，就会造成无线数据传输过程中的多径干扰，成为影响系统可靠性的主要因素。在系统设计时为了有效的降低多径干扰对系统性能的影响，可采用数字调制技术与扩展频谱通信技术，根据系统设计的低成本及微型化要求，可选择FSK+DSSS来避免带内多径干扰。FSK调制具有设备简单、调制和解调方便等优点，并且具有较好的抗多径时延性能；DSSS系统采用伪随机码的相关解扩，只要多径时延大于一个伪随机码的码片，多径就构不成干扰，反而可以利用这一干扰能量来提高系统性能。

　　1．3 天线选择

　　目前常用的微波天线有，外置式：1／4波长鞭状、1／4波长伸缩式天线（振子螺旋天线组合）、螺旋天线：内置式：微带缝隙、微带贴片、介质、背腔式、铁氧体式。其中内置式天线在使用的频段范围内，可以使天线的有效增益尽可能增大，进而提高无线传输距离；在保持有效增益的前提下，还要允许缩小尺寸和减轻重量。便于实现系统的微型化设计。

　　1．4 协议设计

　　对于无线数据传输系统而言，通信协议设计的是否得当，将会对整个系统性能产生重要的影响。以nRF401为例，其协议设计时要保证系统在无数据传输时处于休眠状态，降低系统功耗；同时还要考虑无线部分硬件不具备自动唤醒功能的，在有数据传输时能够及时唤醒设备确保数据不丢失。nRF40l协议设计的基本内容如下：

　　（1）首先每次发送应该有一个前置码，通常可采用101010101010……，持续一个给定的周期，这个前置码是实现低功耗的基础。

　　（2）接端平时可以开启接收几个毫秒，如果没有收到规定的前置101010101010……，然后关闭约1秒，通过检测前置码而获得同步。开关的时间比也就是工作的占空比，增加前置码的周期可以减少工作的时间，从而减少平均工作电流。

　　2 系统设计

　　对于本次的无线数据传输系统而，系统设计在保证系统功能实现的基础上，还要解决三个问题：低功率、长距离，低功耗。其中的低功率实现比较简单，因为nRF401芯片本身的最大发射功率只有+lOdBm，同时在电路设计可通过合理设置R3（见图1）来调节发射功率。对于系统的低功耗要求可通过合理的协议设计来实现（上述2．4）。下来需要解决的主要问题便是长距离传输的系统软硬件设计。

　　2．1．长距离传输实现

　　实现长距离无线数据传输的解决方法有两个：一是加大功率来提高传输距离；二是采用高增益天线提高通信距离。

　　加大功率虽然可以有效提高传输距离，但同时会使系统电流消耗增加，并且构成系统的元器件数量也会增多，造成系统功耗及体积变大，不利于系统微型化和低功耗特性的实现。

　　而采用高增益天线来恰好可以避免上述缺点，在这种方式中采集成天线，无需增加额外的功耗和增加外围元件即可实现长距离的无线数据传输，其基本的理论依据如下：

　　采用OdB增益天线，理论上的数据传输距离为：

　　●f0：434 MHz（λ=0．69 m）

　　●Pt：10 dBm

　　●Gtx ant：0dB天线

　　●Grx ant：0dB天线

　　●S：-105 dBm

　　传输足巨离：R=λ／（4*π*10M）=30877m

　　其中：M=LP／20

　　LP=S—Pt—Gtx_ant—Grx_ant=-115dBm

　　这是理想状况下的传输距离，实际的应用中是会低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。

　　2．2 系统硬件设计

　　图1为nRF401在采用高增益天线时的典型应用电路