无线收发系统设计概述

nRF2401无线收发系统设计一 实验目的培养基本实验能力和工程实践能力，通过实验锻炼基本实验技能，使同学们掌握单片机的基本工作原理和单片机系统应用设计的技能，掌握单片机的简单编程方法以及调试方法，并能应用于电子系统设计中，提高同学们对综合电子系统的设计能力，加深对无线通信系统理论知识的理解，增强工程实践能力，培养创新意识，提高分析问题和解决问题的能力。

二 实验基本要求（1）正确使用电子仪器；（2）根据项目设计要求能够进行单片机系统硬件电路设计和软件编程； （3）学会查阅接口电路手册和相关技术资料；（4）具有初步的单片机电路硬件和软件分析、寻找和排除常见故障的能力； （5）正确地记录实验数据和写实验报告。

三 实验器材万能板、单片机、nRF2401无线收发模块、液晶屏、晶振、按键、发光二级管、开关、电容、电阻、5V 电源适配器、导线、万用表、电烙铁、焊锡。

四 GFSK 调制解调原理4.1 调制频移键控方式，幅度恒定不变的载波信号频率随着调制信号的信息状态而切换，通常采用的是二进制频移键控，即载波信号频率随着数据信息码的“0”、“1”变化进行切换。

根据频率变化影响发射波形的方式，FSK 信号在相邻的比特之间，呈现连续的相位或不连续的相位。

一种常见的二进制FSK 信号产生方法是根据数据比特码是“0”还是“1”，在两个振荡频率分别为 c d f f +和 c d f f -的振荡器间切换，这种FSK 信号的表达式为：[]()()2π() 0FSK H c d b S t v t f f t t T ==+≤≤ （二进制1）[]()()2π() 0FSK L c d b S t v t f f t t T ==-≤≤ （二进制0） c f 和d f 分别代表载波信号频率和恒定频率偏移，而b E 和b T 分别表示单比特能量和比特周期。

这种方法产生的波形在比特码“0”，“1”切换时刻是不连续的，这种不连续的相位会造成诸如频谱扩展和传输差错等问题，信号的功率谱密度函数按照频率偏移的负二次幂衰落，在无线系统中一般不采用这种FSK 信号，而是使用信号波形对单一载波振荡器进行调制，这样FSK 信号可以表示如下：[]()2π()2ππ()tFSK c c S t f t t f t h m d θττ-∞⎡⎤=+=+⎢⎥⎣⎦⎰上式中，h 是频率调制系数，定义为2/b b h f R =，b R 为比特率，尽管调制波形()m t 在“0”和“1”比特间转换时不连续，但是相位函数()t θ是与()m t 的积分成比例，所以是连续的，大部分信号能量集中在以载波频率为中心的主瓣范围，功率谱密度函数按照频率偏移的负四次幂衰减。

为了进一步减小信号的频谱旁瓣，可以在前加入一级高斯滤波器，高斯滤波器的传递函数为：222π()h t t α⎛⎫=- ⎪⎝⎭，其中：α=通过高斯滤波，平缓了输入信号的相位变化，大大压缩了信号频谱的旁瓣。

cos(2π)f t θ+0c +1-1()x t图1 典型的GFSK 调制输入信号()x t 是随机二进制信号形成的双极性方波，方波经高斯滤波器后是：()()*(/)g t h t t T =∏式中﹡号表示线性卷积运算，矩形脉冲定义为：1/, /2(/) 0, T t T tT ⎧<⎪∏=⎨⎪⎩其它通过数学推导，得到的表达式可表示为：1g()=2π2π2t Q Q T⎡⎤⎛⎛-⎢⎥ ⎝⎝⎣⎦式中Q 定义为：2/2()d tQ t ττ∞-=⎰连续相位通过频率调制产生为：()2π[]()d tn t h x n g nT θττ∞-∞=-∞=-∑⎰式中h 是调制指数；()x n 是对()x t 离散时间采样。

4.2 解调尽管高斯滤波器减小了发送GFSK 信号对带宽的需求，但是以接收端得到符号间干扰为代价的。

GFSK 是频率调制信号，所以采用鉴相和鉴频的方法来解调。

令：()()()k x t x k g t kT ∞=-∞=-∑()x t 是引入码间干扰的()x t ，基带同相和正交成分分别表示为：()0()cos 2π()d t I t h x t τθ-∞=+⎰()()sin 2π()d tQ t h x t τθ-∞=+⎰基带信号的相位可以通过：10()tan 2π()d ()t Q t h x I t ττθ--∞⎛⎫=+ ⎪⎝⎭⎰计算。

在输出端可以通过：11d ()ˆ()()tan ()()2πd ()t nT k Q t xn x t x k g nT kT h t I t ∞-==-∞⎛⎫⎛⎫===- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭∑ 获得数字信号()x n 。

0c cos(2π)f t θ+图2 典型的GFSK 解调五 主要器件介绍5.1 51单片机引脚功能：MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照——单片机引脚图： P0.0~P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。

P1.0~P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。

P2.0~P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。

P3.0~P3.7 P3口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。

P0口有三个功能：1、外部扩展存储器时，当作数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）3、不扩展时，可做一般的I/O 使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口只做I/O 口使用，其内部有上拉电阻。

P2口有两个功能：1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用2、做一般I/O 口使用，其内部有上拉电阻； P3口有两个功能：除了作为I/O 使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。

有内部EPROM 的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的。

即：编程脉冲：30脚（ALE/PROG ） 编程电压（25V ）：31脚（EA/Vpp ）ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE 用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

当CPU 对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。

ALE 有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE 是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE 信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。

当ALE 是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。

关于锁存器的内容，我们稍后也会介绍。

在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。

PSEN外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM 单元的读操作。

1、内部ROM读取时，PSEN不动作；2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。

EA/VPP访问和序存储器控制信号：1、接高电平时：CPU读取内部程序存储器（ROM）扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。

2、接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。

在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。

RST复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。

XTAL1和XTAL2：外接晶振引脚。

当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

5.2 无线通信模块nRF24L01+nRF24L01+是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。

无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶体管振荡器调制器、解调器。

输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。

极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式为13.5mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

nRF24L01+适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。

模块特点（1）2.4～2.5GHz全球免申请ISM工作频段。

•（2）125个通讯频道，满足多点通讯、分组、跳频等应用需求。

•（3）发射功率可设置为：0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm。

•（4）实际发射功率≥0dBm（设置为0dBm时测试得出）。

•（5）SMA接口，可方便连接同轴电缆或外置天线。

•SMA接口：微波高频连接器，最高频率为18GHz。

（6）通过SPI（行外设接口）接口与MCU连接，速率0~8Mbps。

（7）支持2Mbps、1Mbps和250kbps传输速率。

•（8）增强型ShockBurstTM传输模式，完全兼容nRF2401A、nRF24L01等芯片。

（9）支持自动应答及自动重发，内置地址及CRC数据校验功能。

•（10）工作电压范围：1.9V～3.6V，待机模式下电流低于1μA。

（11）工作温度范围：-40℃～+85℃CE：使能发射或接收；CSN、SCK、MOSI、MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此脚配置nRF24L01；IRQ：中断标志位；VDD：电源输入端；VSS：地；XC2、XC1：晶体振荡器引脚；VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8V；ANT1、ANT2：天线接口；IREF：参考电流输入。

模块上的引脚定义，与外部连接信号只有8个。

abcdefgh5.2.1 天线鞭状天线是一种可弯曲的垂直杆状天线，其长度一般为1/4或1/2波长。

可用于小型通信机、步谈机、汽车收音机等，军用电台等。

该实验仅用到了通道1，因为通道1的DATA引脚是双向的数字I/O口，已经满足要求，通道2的DOUT只能在接收模式中使用，为单向数字输出口。

其中PWR_UP、CE、CS三个引脚控制着nRF2401的四种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式、关断模式。

5.2.2 状态字设置5.3 显示屏状态字由RS、R/W、DB7~DB0写入，包括清屏、光标归位、设置输入模式、显示开/关控制、光标或显示移位、功能设置、地址设置、写数据、读数据。