无线收发系统设计

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()t

FSK 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 t

T ⎧<⎪∏=⎨

⎪⎩其它

通过数学推导，得到的表达式可表示为：

1

g()=

2π2π2t Q Q T

⎡⎤⎛⎛-⎢⎥ ⎝

⎝⎣⎦

式中Q 定义为：

2/2

()d t

Q t ττ∞

-=⎰

连续相位通过频率调制产生为：

()2π[]()d t

n 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 t Q t h x t τθ-∞

=+⎰

基带信号的相位可以通过：

1

0()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 x

n 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。