無(wú)線(xiàn)多媒體中無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片NRF903的應用

引言

現代通信技術(shù)正走向網(wǎng)絡(luò )核心技術(shù)分組化、窄帶接入技術(shù)無(wú)線(xiàn)化?，F在無(wú)線(xiàn)作為有線(xiàn)的有效補充,得到了越來(lái)越廣泛的應用,在很多場(chǎng)合,許多多媒體應用需要短距離的無(wú)線(xiàn)傳輸。無(wú)線(xiàn)多媒體系統除了提供多媒體服務(wù)外,具有無(wú)線(xiàn)所具有的建設速度快、安裝靈活方便等優(yōu)點(diǎn),還能在布線(xiàn)困難的地方實(shí)現多媒體通信。因此,無(wú)線(xiàn)多媒體具有廣闊的應用前景。但無(wú)線(xiàn)也存在著(zhù)一系列的問(wèn)題,如多經(jīng)傳輸、信道衰落和空間射頻干擾等。

1無(wú)線(xiàn)多媒體系統概述

本系統為無(wú)線(xiàn)可視系統,集圖像、聲音、控制、數據等多媒體信息的采集、傳輸和處理為一體,系圖1無(wú)線(xiàn)多媒體系統框圖統能傳輸單向視頻信號,雙向語(yǔ)音信號,雙向數據信號,并具有數據采集等功能。系統框圖如圖1所示,系統分為主機和從機。通過(guò)對主從機的參數設定可以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信。主從機之間可以實(shí)現實(shí)時(shí)的雙向語(yǔ)音通信,同時(shí)從機把視頻信號傳給主機,從機還可以把傳感器等的數據傳給主機。

圖1無(wú)線(xiàn)多媒體系統框圖

2系統設計

2.1NRF903芯片介紹
射頻收發(fā)電路采用NordicVLSI公司的單片射頻收發(fā)芯片NRF903。該芯片的工作頻率為國際通用的ISM頻段433/868/915MHz,NRF采用抗干擾能力強的GMSK調制方式來(lái)優(yōu)化信道效率,在GMSK中,在調制載波前采用了高斯濾波器,這樣可以在同等帶寬下傳輸更高速率的數據,可在155.6kHz的有效帶寬下傳輸最高76.8kbps的數據。最大發(fā)射功率可以調整到+10dBm,天線(xiàn)接口設計為差分天線(xiàn)。NRF903的工作電壓范圍為2.7～3.3V,NRF還具有待機模式,這樣可以更省電和高效。芯片的參數包括工作頻率和發(fā)射功率都可以通過(guò)一個(gè)14bit的配置寄存器用SPI串行線(xiàn)進(jìn)行設置。采用DSS+PLL頻率合成技術(shù),頻率穩定性極好;靈敏度高,達到-100dBm.內置獨有的鏡像頻率抑制電路。

2.2射頻模塊電路設計
為了提高發(fā)送距離,本系統中的NRF903模塊采用拉桿天線(xiàn),如圖2所示,有效值的設定才能保證良好的功能,根據公式在不同的PCB板的模塊調試中,選定CS,CP,LP的參數值使電路諧振在所工作的頻段,同時(shí)使LS,CS1發(fā)生諧振。所選定的電容、電感必須具備良好的性能。PCB的底面有一個(gè)連續的接地面,射頻電路的元件面以NRF903為中心,各元器件緊靠其周?chē)?盡可能減少分布參數的影響。射頻部分的電源與數字電路部分的電源分離,NRF903的VSS端直接連接到接地面。注意不能將數字信號或控制信號引入到PLL回路濾波器元件上。NRF903的VCO電感位置的最佳設計是保證產(chǎn)生1.1±0.2V的PLL回路濾波器電壓。

元器件值的選定見(jiàn)文獻[1],根據不同的PCB板以及相關(guān)器件特性,根據頻譜分析和測定的電壓等值,可以適當的調整這些元器件的值,使其性能達到最佳。模塊如圖2所示CFG-CLK,CFG-DATA,CS為初始化配置線(xiàn)。STBY為待機模式控制端,“0”為工作模式,“1”為待機模式。CLK_OUT為分頻時(shí)鐘輸出。C_SENSE為載波檢測輸出,當沒(méi)有接收到載波信號時(shí),C_SENCE輸出電壓為“0”,隨著(zhù)接收電平的上升,C2SENCE的輸出電壓上升,上升到輸入電平值接近接收靈敏度極限以上10dB點(diǎn)時(shí),C_SENCE為“1”。TXEN為發(fā)射控制端,“0”為接收模式,“1”為發(fā)射模式。DATA端為數據輸入?輸出端。PWR_DWN為掉電模式控制端,“0”為工作模式,“1”為掉電模式。其余的引腳為VCC和VSS。

圖2射頻模塊電路框圖

2.3初始化程序設計
在NRF903模塊正常工作前,需對其內部14bit的控制寄存器通過(guò)CFG_CLK,CFG_DATA,CS進(jìn)行初始化。CS,CFG_CLK和CFG_DATA組成的串行接口將控制參數鎖存到內部配置單元的移位寄存器中。芯片選擇腳(CS)用來(lái)使能芯片的配置模式。配置期間,CS為高,配置字被鎖入(MSB在先)。配置字被鎖入移位寄存器后,CS變低,配置開(kāi)始啟動(dòng)。配置時(shí)序見(jiàn)文獻[2]。

CFG_DATA位速率不能超過(guò)1Mbps。一旦配置完,設備狀態(tài)由外部信號TXEN,PWR_DWN,STBY和DATA(DATA在發(fā)射模式為輸入腳,在接收模式為輸出腳)來(lái)設定。配置可以在除了待機和掉電以外的所有模式中完成。在掉電和待機模式工作后,寄存器內容仍然有效。配置數據只有當電源撤除后才會(huì )丟失。如果不進(jìn)行配制,模塊在默認模式下,工作頻率為868.1856MHz,按最大功率輸出,CLK_OUT為1.3284MHz。該特性使微控制器的軟件調試變得簡(jiǎn)單、方便。配置中的1～2位為頻段選擇,3～10位為頻點(diǎn)選擇,11～12為輸出功率設置,13～14為時(shí)鐘分頻輸出設置,如表1所示。

在本系統中,工作頻段為927M,選擇的配置字為1000,0010,0100,10。初始化程序如下:
CLRP3.5;PWN-DWN=0,置工作模式
CLRP1.7;STBY=0,置工作模式
MOVR3,#08H
MOVA,#82H
SETBP3.6;配置期間CS拉高
CFG1:RLCA
MOVP3.0,C;
CLRP3.1
SETBP3.1
DJNZR3,CFG1
MOVR3,#06H
MOVA,#48H
CFG2:RLCA
MOVP3.0,C
CLRP3.1
SETBP3.1
DJNZR3,CFG2
CLRP3.6;CS置低,配置結束。

2.4無(wú)線(xiàn)傳輸數據幀設計
由圖1所示,NRF903的系統設置由單片機控制,采集的數據信號和控制信號由單片機傳到CPLD打包處理后再傳到NRF903數據腳。語(yǔ)音信號直接傳到CPLD處理。由于該無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊自身存在缺點(diǎn),當兩個(gè)模塊處于接收狀態(tài)時(shí),NRF903的數據腳上有雜波,由于雜波的引入,使得系統所接收的數據無(wú)法保證其可靠性。這就使該模塊的應用產(chǎn)生了很大的障礙,加上無(wú)線(xiàn)通信本身的特點(diǎn)(多經(jīng)干擾,信道衰弱等),為了保證無(wú)線(xiàn)通信的可靠,除了充分利用C-SENCE引腳特性外,還對數據進(jìn)行打包成幀。協(xié)議數據包格式如表2所示。

0XFF,0XAA,0X55為引導字節(通過(guò)測試和實(shí)驗發(fā)現,0XFF后0XAA,0X55在噪聲中不容易發(fā)生),用來(lái)對雜波和傳輸數據進(jìn)行辨識。我們可以不斷檢測輸入數據的內容,采用檢測三個(gè)字節的方法進(jìn)行辨識,即檢測兩個(gè)連續輸入的字節,當接收到的第一個(gè)字節不是0XFF便重新檢測,如果是,檢測下面的字節是否分別為0XAA和0X55,如果是,就可以認為其后面的數據為有效數據,如果不是,重新檢測。Host,Destination分別為主機和目的機地址。由于NRF903模塊有發(fā)送,接收,掉電以及待機4種工作模式。在模式切換時(shí),編程中要作相應的延時(shí)處理才能保證正確的接收和發(fā)送數據,具體延時(shí)見(jiàn)文獻[1]。

3系統實(shí)現和測試

圖1所示的系統為一個(gè)模數混和系統。視頻信號為無(wú)線(xiàn)模擬傳輸;音頻信號及控制信號為無(wú)線(xiàn)數字傳輸;視頻模擬信號為單向傳輸。從機中的視頻信號經(jīng)過(guò)攝像頭的采集和處理,不經(jīng)過(guò)CPLD處理直接傳到射頻發(fā)射模塊,由射頻發(fā)射模塊發(fā)射出去,主機通過(guò)相應的射頻接收模塊接收視頻模擬信號同時(shí)把信號傳送到終端設備(顯示屏)。數字傳輸的信號包括音頻信號和控制信號,均為雙向傳輸。從機中的模擬語(yǔ)音信號經(jīng)過(guò)語(yǔ)音芯片的處理轉換為數字信號,傳到CPLD,同時(shí)控制操作經(jīng)過(guò)單片機的處理轉換為相應的控制信號以及終端設備中的溫度傳感器的數據信號也傳到CPLD,經(jīng)過(guò)CPLD的處理轉換成如表2所示的幀格式,再傳到NRF903傳輸模塊,通過(guò)模塊的天線(xiàn)發(fā)射出去。

主機中,由相對應的NRF903模塊接收數字信號,傳到CPLD進(jìn)行解包和處理,然后分別把音頻信號和控制信號傳到語(yǔ)音芯片和單片機中,音頻信號經(jīng)過(guò)語(yǔ)音芯片處理后送至揚聲器,控制信號經(jīng)過(guò)單片機的處理去控制各部分協(xié)調工作,數據信號傳給響應的顯示屏。主機到從機的信號也通過(guò)類(lèi)似的方法傳輸。在本系統中,NRF903很好的實(shí)現了單片機采集系統、控制系統和音頻系統的無(wú)線(xiàn)數據傳輸功能。

為了確保模式轉換中正確的接收、發(fā)送以及解調數據,在配置中需加上配置時(shí)間。接收數據時(shí)要考慮模塊模式轉換時(shí)的轉換時(shí)間。在配置完成后,模塊就能通過(guò)DATA腳來(lái)收發(fā)數據。在射頻模塊配置結束后,MS2711A頻譜儀分別在10m和50m的距離下測試的模塊頻譜特性如圖3和圖4所示,其工作頻率為927MHz,中心頻率符合設計要求,其幅度分別為-62dBm和-81dBm。射頻模塊系統的性能符合設計要求。

圖3距離10m時(shí)的頻譜圖