摘要：設計一款抗干擾性強、速率高的無線調變解調器，保證無線測控系統的效能。該系統採用集成了USB2.()介面的C8051F320作控制器，取代傳統的控制器通過中間轉換器與USB介面分立連線的方法，調製與解調方式採用具有良好頻譜和功率特性的GJMSK模式，雙頻單極子天線經過平面化處理。模擬與測試結果表明，系統具有良好的功率譜特性和較好的抗干擾性能，資料傳輸速率最高可達64kbps;天線滿足IEEE802.11a、b標準規定的WLAN兩個頻段要求。
關鍵詞：抗干擾性強;高斯濾波最小頻移鍵控;雙頻單極子天線;高速率
引言
作為無線測控系統中重要的組成部分，無線調變解調器需要具備高速化、可靠性高、封裝體積小等特性，已有的無線調變解調器解決方案，有的採用頻移鍵控(FSK)方式，其資料傳輸率不高，最高速率分別為20kbps和1.2kbps，而且FSK方式雖然實現容易，抗噪聲與抗衰減的效能較好，但是如果噪聲源固定且與中心頻率相差不大，則對FSK很不利。也有的採用快速移頻鍵控(FFSK/MSK)方式，其最高資料傳輸速率為4.8kbps;還有采用四時四頻調製(TFSK)方式，其通道穩定性較差，通訊速率不高(不足600bps)。
本文的無線調變解調器採用高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)方式，其已調波相位路徑在MSK的基礎上進一步得到平滑，把MSK訊號相位路徑的尖角平滑掉，因此頻譜特性相比FSK、MSK方式更佳，其最高資料傳輸速率可達64kbps;另外，採用的射頻晶片nRF401(見文獻[2])所配置的天線一般是外接式直杆天線，而且採用USB2.0介面設計時增加了一個協議轉換整合晶片FT24SAM，不僅使系統成本會增加，而且不適合於小型化封裝。本文設計的印刷雙頻單極子天線不僅可以滿足兩個頻段要求，而且與其它元件一起印刷在電路板上實現整合，不會外露在板外，實現低成本與整合化。模擬與測試結果表明，該無線調變解調器具有良好的功率譜特性和較好的抗干擾性能，完全滿足無線測控系統高速化、高可靠性的要求。
一、無線調變解調器設計
1.1系統結構
如圖1所示，系統工作流程為：需要控制遠端裝置時，控制器C8051F320通過USB介面接收上位機送出的基帶訊號，並送至GMSK整合晶片FX589進行GMSK調製，然後送給鎖相環74HC4046進行FM調製，實現頻譜搬移，最後經功率放大並送至天線發射。而採集與接收資料的過程正好相反。
1.2 C8051F320控制器
C8051F320是新華龍公司提供的微控制器，主要特點為：具有高速、流水線結構的8051相容的微控制器核心：全速、非侵入式的在片除錯介面;通用序列匯流排(USB)功能控制器：八個靈活的端點管道、整合收發器和1K FIFO RAM。
引腳標號除了第4、5腳與主機的USB介面通訊外，其它都是與GMSK晶片FX589相連：第1、2腳是資料收發時鐘、第9腳設定接收載波檢測電路的工作模式：第29腳控制傳送使能端：第15、16腳進行時鐘分頻值選擇：第11腳是BT選擇：第25、26腳實現資料的收發，第13腳設定接收鎖相環工作模式。
1.3 GMSK的調製與解調
GMSK是MSK的改進型。GMSK的基本原理是讓基帶訊號先經過高斯濾波器濾波，使基帶訊號形成高斯脈衝之後進行MSK調製，其頻譜特性優於MSK和SFSK。
圖3的FX589引腳中除了第11、16腳是與下一級FM調製解調電路進行資料收發外，其它主要與C8051F320通訊。
FX589是CML公司生產的專用於無線資料傳輸的單片整合同步調變解調器，其資料傳送和接收採用序列方式，使用全雙工或半雙工方式工作，具有很寬的資料速率，其資料速率範圍從4 kbps到64 kbps，可以通過片端程式設計實現資料速率和BT選擇(0.3或者0.5)。
主要引腳為：
Xtal(l腳)：片內晶振輸出揣;
Xtal/Clock(2腳)：外接晶本或時鐘輸入端：
ClkDivA、ClkDivBf3、4卻)：時鐘分頻值選擇; RXDCa(6腳)：設定接收載波電路的工作模式：
PLLacq(7腳)：用於設定接收鎖相環的工作模式：
RxFB(10腳)：接收放大器反饋輸出端：
RxSIN(ll腳)：接收訊號輸入端：
Vss(12腳)：電源電壓輸入端;
BT(1 5腳)：BT選擇端;
TxOUT(16腳)：傳送訊號輸出端;
TxEN(17腳)：傳送使能端，高電平有效;
Tx Data(19腳)：傳送資料輸入端;
Rx Dala(20腳)：接收資料輸出端;
Rx CLK(21腳)：接收時鐘輸出;
Tx CLK(22腳)：傳送時鐘輸出。
1.4鎖相環頻譜搬移
鎖相環頻譜搬移電路主要目的是把GMSK低頻訊號搬移到高頻段進行無線發射。鎖相環74HC4046主要由相位比較器(PD)、壓控振盪器(VCO)、低通濾波器三部分組成，壓控振盪器的振盪頻率取決於輸入電壓的幅度。
FM調製與解調電路各用一個鎖相環，只是訊號輸入/輸出接法不一樣。FM調製過程為：FX589輸出的調製訊號直接送到鎖相環的VCO輸入端第9腳Txo，則VCO第4腳輸出FM調製訊號。該訊號的頻率Wvco就是以Wo(壓控振盪器固有振盪頻率)為中心，隨Txo訊號幅度的變化而變化。而Wo由VCO第6、7腳的'電容C25和第11腳的電阻R8決定，調節使其等於發射訊號的中心頻率。VCO輸出的FM調製訊號頻率為：Wvco=Wo+AokTxo：其中Ao是增益係數，Txo是FX589提供的GMSK調製訊號。
FM解調過程為：天線接收到的訊號耦合到鎖相環的14腳，調節鎖相環的VCO固有振盪頻率等於調頻訊號載頻，鎖相環相位比較器產生的相位差在VCO輸入端產生與輸入訊號頻率變化相應的電壓變化，這個電壓變化經鎖相環74HC4046內部源跟隨器隔離後在壓控振盪器的解調輸出端第10腳輸出FM解調訊號。
1.5印刷雙頻單極子天線
印刷天線是一種用微帶線和貼片作為輻射單元的特殊天線，不僅結構較為簡單、體積結構尺寸小、重量輕，而且易於整合和印刷到電路板上。如圖5所示的微帶雙頻單極子天線緒構中，右邊較長的一個振子臂對應低頻帶：2.4G-2.55GHz頻段：左邊較短的一個振子臂對應高頻帶：5.15G5.82GHz頻段：單極子的這兩個臂分別印製在介質板左右兩邊，中間是微帶饋線。介質板選取介電常數為3.38，損耗正切值為0.0027，厚度為1.5mm的FR4材料。為了滿足對天線特性的要求，饋電點離單極子的距離為λ/4。具體的結構尺寸主要通過模擬達到阻抗匹配目的來確定。採用電磁模擬軟體Ansoft HFSS建模模擬，圖6是Sll回波損耗曲線圖，可以看出天線兩個頻段的中心頻率為：2.53G和5.38GHz，對應的回波損耗值分別是-34.15dB和-38.35dB。
如圖7所示可以看出：微帶雙頻單極子天線在Phi=0度的輻射性較好，在Theta=0度和-180度方向性較好，增益達到1.5dB，其中H面具有一定的全向特性。
二、調製與解調測試波形圖
使用數字儲存示波器(TDS1000)對GMSK調製與解調器進行測試。圖8(a)是隨機儲存的一段對數字訊號進行調製的輸出波形;圖8(b)是FX589將鎖相環的FM模擬解調訊號進行GMSK數字解調後的一段波形。可以看出：波形相位路徑在MSK的基礎上得剄進一步平滑，它把相位路徑的尖角平滑掉了，因此頻譜特性相比FSK、MSK方式更佳。
三、結束語
本文設計的無線調變解調器確保了無線測量控制系統的效能，其頻譜特性相比FSK等其它方式更佳，最高資料傳輸速率可達64kbps，遠高於其它文獻所描述設計的無線調變解調器，且平面化印刷天線結構也使得系統在價格成本和整合度上具有一定優勢。