無線半雙工多路數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

無線半雙工多路數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六《無線半雙工多路數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)》一.命題意圖及知識要點二.

系統(tǒng)設計方案討論三.競賽作品綜述第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六一、命題意圖及知識要點題目解讀（①任務）：從站1主站收／發(fā)開關仿真數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)編碼與調(diào)制收發(fā)單元數(shù)據(jù)解調(diào)與譯碼收／發(fā)開關仿真數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)編碼與調(diào)制收發(fā)單元數(shù)據(jù)解調(diào)與譯碼數(shù)據(jù)編碼與調(diào)制收發(fā)單元收／發(fā)開關處理顯示數(shù)據(jù)解調(diào)與譯碼處理處理第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六一、命題意圖及知識要點系統(tǒng)規(guī)模：按1個主站帶31個從站進行設計，實際制作2個從站工作模式： ①基本要求主站以輪詢方式收集從站的數(shù)據(jù)，輪詢次數(shù)不低于1次／秒 ②發(fā)揮要求增加從站主動上報功能數(shù)據(jù)要求：從站每次傳送一組人為仿真數(shù)據(jù)題目解讀（②總體）：第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六一、命題意圖及知識要點工作頻率：30～40MHz自選相對準確性：以主站工作頻率為基準優(yōu)于10－4發(fā)射功率：在75歐姆假負載上測定不大于10mW天饋：采用長度小于等于1米的垂直放置拉桿天線通信距離：誤碼率不大于10－5條件下不小于8米供電：從站用電池供電題目解讀（③收發(fā)單元電子制作技術(shù)指標）：第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六一、命題意圖及知識要點主站實時顯示：發(fā)送數(shù)據(jù)的從站號及其數(shù)據(jù)從站實時顯示：本站發(fā)送給主站的數(shù)據(jù)主站存儲并按站號顯示此前30秒的歷史數(shù)據(jù)題目解讀（④人機界面要求）：第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六一、命題意圖及知識要點教學知識點：通信相關專業(yè)基礎模擬電子技術(shù)尤其是通信電子線路：高頻放大、調(diào)制與解調(diào)、頻率合成、濾波數(shù)字電子技術(shù)尤其是可編程邏輯器件應用微機原理或單片機原理或嵌入式系統(tǒng)通信原理：信道、基帶和頻帶、數(shù)字調(diào)制、同步、誤碼率微波與天線：收發(fā)信機、天線與饋線、阻抗匹配數(shù)字通信系統(tǒng)：多址通信協(xié)議第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六一、命題意圖及知識要點通信類選題的特點專業(yè)性：通信工程的專業(yè)核心要求如通信原理綜合性：從電路基礎到通信技術(shù)、從模擬到數(shù)字到高頻到微波、從分立元件到專用集成電路、從單元到系統(tǒng)工程性：所有的設計要組裝成完整的實驗樣機測試手段與方法：不少指標要可以利用常規(guī)儀器進行測量本題與05年賽題《單工無線呼叫系統(tǒng)》有所相近，特別在該題的發(fā)揮部分-數(shù)據(jù)傳輸方面可以借鑒第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六總體論證射頻部分方案論證接收部分方案論證收發(fā)轉(zhuǎn)換開關天線和饋線關于測試二、系統(tǒng)設計方案討論第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論總體論證從站1主站收／發(fā)開關仿真數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)編碼與調(diào)制收發(fā)單元數(shù)據(jù)解調(diào)與譯碼收／發(fā)開關仿真數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)編碼與調(diào)制收發(fā)單元數(shù)據(jù)解調(diào)與譯碼數(shù)據(jù)編碼與調(diào)制收發(fā)單元收／發(fā)開關處理顯示數(shù)據(jù)解調(diào)與譯碼處理處理競賽題目給出的框圖，提供了系統(tǒng)的總架構(gòu)（要分析）第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論總體論證（①數(shù)據(jù)準備）信號分別是 ①正弦波：s(t)=［2.5+2sin(2πt)］V ②直流：2.5V

用一個參考電壓為5V、采樣頻率為10Hz的單極性8位A／D轉(zhuǎn)換器對上述兩個模擬信號進行1秒鐘采樣，

可以直接做出標準數(shù)據(jù)進行調(diào)用，也便于測試誤碼率采樣點(s)00.10.20.30.40.50.60.70.80.9樣本值(V)2.503.684.404.403.682.501.320.600.61.32轉(zhuǎn)換值(H)1281882242241881286731316780BCE0E0BC80431F1F43第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論總體論證（②通信速率）各站點每秒10次采樣，每個樣本8bit，即每秒數(shù)據(jù)80bit主站對從站每秒輪詢1次，則輪詢時每站點上傳數(shù)據(jù)80bit系統(tǒng)按照31個站點設計，每秒總上傳數(shù)據(jù)80*31=2480bit

考慮數(shù)據(jù)打包、半雙工通信協(xié)議、必要的轉(zhuǎn)換時間開銷 系統(tǒng)總數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)率可定為>3Kbit/秒對于短波段數(shù)字通信，該指標可達到但有一定技術(shù)實現(xiàn)難度 第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論總體論證（③子系統(tǒng)劃分）系統(tǒng)劃分為發(fā)射、接收、天饋（收發(fā)）、控制等若干子系統(tǒng)控制子系統(tǒng)需完成協(xié)議實現(xiàn)、收發(fā)控制方案、接收數(shù)據(jù)處理、人機界面編碼控制系統(tǒng)人機界面調(diào)制載波發(fā)生功率放大接收／解調(diào)電路解碼天饋和收發(fā)控制第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論總體論證（④數(shù)字調(diào)制／解調(diào)方案）綜合技術(shù)指標①ASK抗干擾能力較弱，誤碼率較高 ②PSK、MSK、QAM等方案實現(xiàn)電路較復雜 ③按照DTMF規(guī)范，其數(shù)據(jù)率不高數(shù)字調(diào)制方式①基本數(shù)字調(diào)制：ASK、FSK、PSK及其多進制 ②高效數(shù)字調(diào)制：QPSK、MSK、GMSK、QAM等 ③雙音多頻編碼DTMF較好的采用方案為FSK第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論射頻部分方案論證射頻調(diào)制方案①數(shù)字已調(diào)信號作二次調(diào)制：AM、FM ②FM實現(xiàn)：VCO、PLL、專用器件芯片

③DDS直接作數(shù)字信號調(diào)頻綜合技術(shù)分析①AM非恒定包絡對提高發(fā)射機效率不利 ②VCO方案的頻率穩(wěn)定度不易把握

③PLL或?qū)Ｓ闷骷捎镁w振蕩器較好的方案①采用FM射頻調(diào)制 ②首選專用集成發(fā)射芯片

③振蕩源可采用D

DS或晶振 ④DDS直接作射頻調(diào)頻的電路設計第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論接收方案論證綜合技術(shù)分析 ①上面兩個方案都可以采用 ②PLL方案可以選用集成鎖相環(huán) ③測頻方案可以采用FPGA實時接收解調(diào)方案：外差接收+鑒頻，解調(diào)出已調(diào)基帶信號濾波一級混頻一級中放二級混頻二級中放二次變頻調(diào)頻接收機高放鑒頻已調(diào)FSK基帶信號的解調(diào) ①用PLL進行頻率跟蹤

②對FSK測頻解調(diào)采用專用芯片實現(xiàn)：選擇一次變頻芯片(如MC3361，MC3357，TDA7021等)或二次變頻芯片(如MC3362、MC3363等)第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論收發(fā)轉(zhuǎn)換開關作用： ①半雙工通信控制發(fā)射信號和接收信號的通路 ②發(fā)射時阻斷接收電路以避免接收放大器飽和 ③接收時關斷發(fā)射通道以避免接收小信號短路實現(xiàn)：①晶體管作開關，控制相關電路的電源 ②二極管作開關切換相應通路 ③集成收發(fā)開關芯片第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論收發(fā)轉(zhuǎn)換開關作用： ①半雙工通信控制發(fā)射信號和接收信號的通路 ②發(fā)射時阻斷接收電路以避免接收放大器飽和 ③接收時關斷發(fā)射通道以避免接收小信號短路實現(xiàn)：①晶體管作開關，控制相關電路的電源 ②二極管作開關切換相應通路 ③集成收發(fā)開關芯片 如Hittite公司第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論天線和饋線①先回顧一些基本理論：天線可視為一個四端網(wǎng)絡振子1/2波長1/4波長1/4波長1/2波長波長兩臂長度相等的振子叫做對稱振子（半波振子）第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論天線和饋線：②平衡轉(zhuǎn)換 負載和傳輸線，根據(jù)其對地的關系，都可以分成平衡和不平衡兩類。若負載兩端或傳輸線兩導體與地之間阻抗相同，則稱為平衡負載或平衡（饋線）傳輸線，否則為不平衡負載或不平衡（饋線）傳輸線

1/4波長 同軸電纜是不平衡傳輸線對于對稱振子天線，就需要采用非平衡到平衡轉(zhuǎn)換第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論天線的輸入阻抗： Zin=Rin+jXin輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關輸入阻抗具有電阻分量和電抗分量，電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取半波對稱振子的輸入阻抗為Zin=73.1＋ｊ42.5(歐) 當饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。而當天線和饋線不匹配即天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，負載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波。天線和饋線：③阻抗匹配第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論9.5W80

ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W天線和饋線：③阻抗匹配在不匹配的情況下,饋線上同時存在入射波和反射波，形成駐波因此可以通過檢查駐波比SWR阻抗判斷是否匹配SWR值越接近1，說明匹配越好；如果VSWR的值過高，不僅會降低發(fā)信系統(tǒng)的工作效率，嚴重時會給發(fā)信設備和天線饋電系統(tǒng)帶來危害第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)當負載阻抗含有電抗成份時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關系，即電阻成份相等，電抗成份只數(shù)值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配天線長度相對于發(fā)射頻率短得多，短天線呈現(xiàn)容性可能的匹配方案：天線加感后再加阻抗變換

天線和饋線：③阻抗匹配第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論從站采用電池供電---排除通過供電系統(tǒng)的耦合主從站同時顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)---檢查仿真數(shù)據(jù)測試30秒---考察誤碼率兩個從站的測試主動上報數(shù)據(jù)的測試

關于測試比特誤碼率的測定可以使用專門儀器，也可以在主站接收一定時長（如30秒鐘）的已知數(shù)據(jù)，通過比較出現(xiàn)錯誤的次數(shù)作出大致判斷；在輪詢式收集的基礎上增加從站主動申請報告數(shù)據(jù)的功能，為便于測試該功能，可在從站上設置按鍵開關或其它啟動方式；第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二、系統(tǒng)設計方案討論多點通信協(xié)議設計主機與從機的協(xié)議設計是由報文、從機地址碼、數(shù)據(jù)碼組成 000：主機對從機進行輪詢采集數(shù)據(jù) 001：從機對主機上傳數(shù)據(jù) 010：無應答報文 011：主機向從機發(fā)送對2.5+2sin2∏t信號采集的數(shù)據(jù) 100：主機向從機發(fā)送對2.5V信號采集的數(shù)據(jù) 101：從機向主機申請報送數(shù)據(jù)協(xié)議設計中要充分考慮容錯性，例如發(fā)送命令或申請后的超時機制等

協(xié)議設計完成后，可在主控單片機上編制程序?qū)崿F(xiàn)

第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六三、競賽作品綜述方案設計與比較調(diào)制解調(diào)發(fā)信機收信機單片機控制系統(tǒng)方案設計較完善的部分第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六三、競賽作品綜述方案設計與比較整個系統(tǒng)的通信速率幾乎沒有參賽隊關注，由此引起的技術(shù)實現(xiàn)難度沒有真正體現(xiàn)（例如采用DTMF方案并用專用芯片實現(xiàn)）多址通信的報文設計除個別隊，也是幾乎空白；特別是沒有考慮容錯性（如從站應答超時的處理）射頻傳輸部分收發(fā)轉(zhuǎn)換、阻抗匹配幾乎沒有隊真的做設計誤碼的測試方案從機電池供電方案設計較弱的部分第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六三、競賽作品綜述硬件電路實現(xiàn)硬件電路基本上都采用了集成功能芯片 發(fā)射部分MC2833或DDS直接產(chǎn)生發(fā)射信號 接收部分MC3362、MC3363、CXA1019、LA1800普遍使用DDS（作載頻信號產(chǎn)生，直接調(diào)頻等）單片機小系統(tǒng)（89C51、凌陽單片機）第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六三、競賽作品綜述設計實例（1）：采用MC2833實現(xiàn)發(fā)射電路第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六三、競賽作品綜述設計實例（1）：采用MC2833實現(xiàn)發(fā)射電路第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六三、競賽作品綜述設計實例（2）：采用DDS實現(xiàn)直接射頻調(diào)制電路第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六三、競賽