無線多媒體中無線收發(fā)芯片NRF903的應(yīng)用

引言

現(xiàn)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)無線化。現(xiàn)在無線作為有線的有效補(bǔ)充,得到了越來越廣泛的應(yīng)用,在很多場合,許多多媒體應(yīng)用需要短距離的無線傳輸。無線多媒體系統(tǒng)除了提供多媒體服務(wù)外,具有無線所具有的建設(shè)速度快、安裝靈活方便等優(yōu)點(diǎn),還能在布線困難的地方實(shí)現(xiàn)多媒體通信。因此,無線多媒體具有廣闊的應(yīng)用前景。但無線也存在著一系列的問題,如多經(jīng)傳輸、信道衰落和空間射頻干擾等。

1無線多媒體系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)為無線可視系統(tǒng),集圖像、聲音、控制、數(shù)據(jù)等多媒體信息的采集、傳輸和處理為一體,系圖1無線多媒體系統(tǒng)框圖統(tǒng)能傳輸單向視頻信號,雙向語音信號,雙向數(shù)據(jù)信號,并具有數(shù)據(jù)采集等功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示,系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)。通過對主從機(jī)的參數(shù)設(shè)定可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信。主從機(jī)之間可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的雙向語音通信,同時(shí)從機(jī)把視頻信號傳給主機(jī),從機(jī)還可以把傳感器等的數(shù)據(jù)傳給主機(jī)。

圖1無線多媒體系統(tǒng)框圖

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(qiáng)的GMSK調(diào)制方式來優(yōu)化信道效率,在GMSK中,在調(diào)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(shù)據(jù),可在155.6kHz的有效帶寬下傳輸最高76.8kbps的數(shù)據(jù)。最大發(fā)射功率可以調(diào)整到+10dBm,天線接口設(shè)計(jì)為差分天線。NRF903的工作電壓范圍為2.7～3.3V,NRF還具有待機(jī)模式,這樣可以更省電和高效。芯片的參數(shù)包括工作頻率和發(fā)射功率都可以通過一個(gè)14bit的配置寄存器用SPI串行線進(jìn)行設(shè)置。采用DSS+PLL頻率合成技術(shù),頻率穩(wěn)定性極好;靈敏度高,達(dá)到-100dBm.內(nèi)置獨(dú)有的鏡像頻率抑制電路。

2.2射頻模塊電路設(shè)計(jì)
為了提高發(fā)送距離,本系統(tǒng)中的NRF903模塊采用拉桿天線,如圖2所示,有效值的設(shè)定才能保證良好的功能,根據(jù)公式在不同的PCB板的模塊調(diào)試中,選定CS,CP,LP的參數(shù)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(xù)的接地面,射頻電路的元件面以NRF903為中心,各元器件緊靠其周圍,盡可能減少分布參數(shù)的影響。射頻部分的電源與數(shù)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(shù)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(shè)計(jì)是保證產(chǎn)生1.1±0.2V的PLL回路濾波器電壓。

元器件值的選定見文獻(xiàn)[1],根據(jù)不同的PCB板以及相關(guān)器件特性,根據(jù)頻譜分析和測定的電壓等值,可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整這些元器件的值,使其性能達(dá)到最佳。模塊如圖2所示CFG-CLK,CFG-DATA,CS為初始化配置線。STBY為待機(jī)模式控制端,“0”為工作模式,“1”為待機(jī)模式。CLK_OUT為分頻時(shí)鐘輸出。C_SENSE為載波檢測輸出,當(dāng)沒有接收到載波信號時(shí),C_SENCE輸出電壓為“0”,隨著接收電平的上升,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(shù)據(jù)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(shè)計(jì)
在NRF903模塊正常工作前,需對其內(nèi)部14bit的控制寄存器通過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(shù)鎖存到內(nèi)部配置單元的移位寄存器中。芯片選擇腳(CS)用來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,配置開始啟動(dòng)。配置時(shí)序見文獻(xiàn)[2]。

CFG_DATA位速率不能超過1Mbps。一旦配置完,設(shè)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)來設(shè)定。配置可以在除了待機(jī)和掉電以外的所有模式中完成。在掉電和待機(jī)模式工作后,寄存器內(nèi)容仍然有效。配置數(shù)據(jù)只有當(dāng)電源撤除后才會(huì)丟失。如果不進(jìn)行配制,模塊在默認(rèn)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(diào)試變得簡單、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(shè)置,13～14為時(shí)鐘分頻輸出設(shè)置,如表1所示。

在本系統(tǒng)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(jié)束。

2.4無線傳輸數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)
由圖1所示,NRF903的系統(tǒng)設(shè)置由單片機(jī)控制,采集的數(shù)據(jù)信號和控制信號由單片機(jī)傳到CPLD打包處理后再傳到NRF903數(shù)據(jù)腳。語音信號直接傳到CPLD處理。由于該無線收發(fā)模塊自身存在缺點(diǎn),當(dāng)兩個(gè)模塊處于接收狀態(tài)時(shí),NRF903的數(shù)據(jù)腳上有雜波,由于雜波的引入,使得系統(tǒng)所接收的數(shù)據(jù)無法保證其可靠性。這就使該模塊的應(yīng)用產(chǎn)生了很大的障礙,加上無線通信本身的特點(diǎn)(多經(jīng)干擾,信道衰弱等),為了保證無線通信的可靠,除了充分利用C-SENCE引腳特性外,還對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包成幀。協(xié)議數(shù)據(jù)包格式如表2所示。

0XFF,0XAA,0X55為引導(dǎo)字節(jié)(通過測試和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),0XFF后0XAA,0X55在噪聲中不容易發(fā)生),用來對雜波和傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識。我們可以不斷檢測輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)容,采用檢測三個(gè)字節(jié)的方法進(jìn)行辨識,即檢測兩個(gè)連續(xù)輸入的字節(jié),當(dāng)接收到的第一個(gè)字節(jié)不是0XFF便重新檢測,如果是,檢測下面的字節(jié)是否分別為0XAA和0X55,如果是,就可以認(rèn)為其后面的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù),如果不是,重新檢測。Host,Destination分別為主機(jī)和目的機(jī)地址。由于NRF903模塊有發(fā)送,接收,掉電以及待機(jī)4種工作模式。在模式切換時(shí),編程中要作相應(yīng)的延時(shí)處理才能保證正確的接收和發(fā)送數(shù)據(jù),具體延時(shí)見文獻(xiàn)[1]。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和測試

圖1所示的系統(tǒng)為一個(gè)模數(shù)混和系統(tǒng)。視頻信號為無線模擬傳輸;音頻信號及控制信號為無線數(shù)字傳輸;視頻模擬信號為單向傳輸。從機(jī)中的視頻信號經(jīng)過攝像頭的采集和處理,不經(jīng)過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(jī)通過相應(yīng)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(shè)備(顯示屏)。數(shù)字傳輸?shù)男盘柊ㄒ纛l信號和控制信號,均為雙向傳輸。從機(jī)中的模擬語音信號經(jīng)過語音芯片的處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,傳到CPLD,同時(shí)控制操作經(jīng)過單片機(jī)的處理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號以及終端設(shè)備中的溫度傳感器的數(shù)據(jù)信號也傳到CPLD,經(jīng)過CPLD的處理轉(zhuǎn)換成如表2所示的幀格式,再傳到NRF903傳輸模塊,通過模塊的天線發(fā)射出去。

主機(jī)中,由相對應(yīng)的NRF903模塊接收數(shù)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音芯片和單片機(jī)中,音頻信號經(jīng)過語音芯片處理后送至揚(yáng)聲器,控制信號經(jīng)過單片機(jī)的處理去控制各部分協(xié)調(diào)工作,數(shù)據(jù)信號傳給響應(yīng)的顯示屏。主機(jī)到從機(jī)的信號也通過類似的方法傳輸。在本系統(tǒng)中,NRF903很好的實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸功能。

為了確保模式轉(zhuǎn)換中正確的接收、發(fā)送以及解調(diào)數(shù)據(jù),在配置中需加上配置時(shí)間。接收數(shù)據(jù)時(shí)要考慮模塊模式轉(zhuǎn)換時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。在配置完成后,模塊就能通過DATA腳來收發(fā)數(shù)據(jù)。在射頻模塊配置結(jié)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(shè)計(jì)要求,其幅度分別為-62dBm和-81dBm。射頻模塊系統(tǒng)的性能符合設(shè)計(jì)要求。

圖3距離10m時(shí)的頻譜圖