基于Wireless USB 技術(shù)的遙控設(shè)備設(shè)計(jì)

　　消費(fèi)電子市場中實(shí)際遙控通信標(biāo)準(zhǔn)一直被紅外技術(shù)所占據(jù)。紅外遙控操作簡單、價(jià)格相對低廉。但紅外遙控技術(shù)存在三大局限： 視線對準(zhǔn)、單向通信和高功耗?；谏漕l技術(shù)的遙控與紅外遙控不同，能輕松突破紅外遙控技術(shù)的以上三種局限。此外，射頻技術(shù)的遙控距離也遠(yuǎn)于一般的紅外遙控距離。常用的短距無線通信技術(shù)包括27 MHz, 315 MHz, 433 MHz, 868 MHz 和2. 4 GHz.與其他頻段相比2. 4 GHz ISM（ 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用） 頻段具有全球通用、帶寬相對較寬、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)。在自動化控制和家庭信息化領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

　　Wireless USB 技術(shù)工作2. 4 GHz 頻段，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可有效提高頻譜利用率，易與其他無線設(shè)備共存，功耗低、支持TouchWake 功能，在近距遙控領(lǐng)域有其特殊優(yōu)勢。本項(xiàng)目依托Wireless USB 技術(shù)提出一種新的近距遙控設(shè)備理念---基于軟件無線電和認(rèn)知無線電理念的近距多功能雙工遙控設(shè)備。為生產(chǎn)廠家節(jié)約大量成本，同時(shí)大大方便用戶，必將帶來巨大市場效益。

　　1 技術(shù)原理

　　在設(shè)計(jì)射頻遙控系統(tǒng)時(shí)，會面臨2 個(gè)根本問題：

　　1） 系統(tǒng)在面臨有干擾源的環(huán)境時(shí)，如何將接收的信號恢復(fù)成原始的數(shù)據(jù)？

　　2） 通信協(xié)議如何找到空置的頻道，以及如何對新干擾做出反應(yīng)，包括跳頻與非跳頻方面的通信協(xié)議？

　　此外，還需考慮數(shù)據(jù)傳輸率、功耗、體積、功能擴(kuò)展等因素。

　　Wireless USB 技術(shù)在頻段管理上使用了FDMA 的機(jī)制，把ISM 2. 4 GHz 分成78 個(gè)頻段，每個(gè)頻段帶寬1 MHz,遇到持續(xù)強(qiáng)干擾時(shí)可跳轉(zhuǎn)信道繼續(xù)通信。在每一個(gè)頻帶上又使用了CDMA（ DSSS） 技術(shù)，具有強(qiáng)抗干擾能力，利用多組偽隨機(jī)碼（ PN） 對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這樣采用不同PN碼的設(shè)備可以在同一頻帶上同時(shí)工作互不干擾。根據(jù)PN 碼的長度不同，以及工作模式不同，Wireless USB 可以得到從15. 625 kbit /s 到1 Mbit /s 的通信速率。

　　Wireless USB 協(xié)議層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是降低成本、功耗和增加抗干擾性，采用了主從方式的星形結(jié)構(gòu)。主設(shè)備是指接收數(shù)據(jù)的設(shè)備，處于實(shí)時(shí)接收狀態(tài)，以接收來自從設(shè)備的信息，監(jiān)視干擾狀況，選擇干凈的頻帶，決定是否跳頻。從設(shè)備是指產(chǎn)生數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備，發(fā)送信息結(jié)束后立刻進(jìn)入睡眠狀態(tài)，最大限度地節(jié)省電池電量。

　　Wireless USB 技術(shù)支持TouchWake 功能，用戶只需觸摸該設(shè)備即可立即將外設(shè)從睡眠模式中喚醒。Touch-Wake 功能不僅可以使Wireless USB 外設(shè)在使用后立即進(jìn)入超低功耗睡眠模式以延長電池使用壽命，而且還能借助其即時(shí)喚醒功能實(shí)現(xiàn)有線外設(shè)的簡易性及快速響應(yīng)能力。

　　對遙控領(lǐng)域而言這是非常重要的。

　　Wireless USB 技術(shù)的每個(gè)芯片在出廠時(shí)有6 個(gè)字節(jié)的ID,此ID 是唯一的，可作為不同個(gè)體的區(qū)別標(biāo)識。

　　此外，Wireless USB 技術(shù)協(xié)議簡單，擁有市場唯一的集MCU,USB,RF 模塊于一體的小型化集成芯片，便于開發(fā)小體積設(shè)備。

　　最后，Wireless USB 技術(shù)支持接收信號強(qiáng)度指示（ RSSI）功能，為實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)，可以檢測復(fù)雜電磁環(huán)境的頻譜空洞，提高頻譜利用率； 該功能還為功率控制提供了技術(shù)基礎(chǔ)，功率控制是指通過合理地設(shè)置或動態(tài)調(diào)整發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，在保證系統(tǒng)連通的同時(shí)，降低發(fā)射功率，減小對其他系統(tǒng)的干擾，同時(shí)達(dá)到提高節(jié)點(diǎn)能量利用率、延長使用時(shí)間的目的。發(fā)射機(jī)先發(fā)射握手信號，根據(jù)接收機(jī)返回的信號功率強(qiáng)度，調(diào)整發(fā)射功率。

綜上所述，Wireless USB 技術(shù)工作于全球通用的無須申請的2. 4 GHz 頻段，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可有效提高頻譜利用率，易與其他短距無線設(shè)備共存，同種設(shè)備依不同PN 碼也可有效共存，便于功能復(fù)用與尋址，協(xié)議簡單，擁有市場唯一的集MCU,USB,RF 模塊于一體的小型化集成芯片，便于開發(fā)體積小、功耗低的產(chǎn)品，支持Touch-Wake 功能。設(shè)計(jì)一種新型適用的基于軟件無線電、認(rèn)知無線電理念的半雙工多功能近距遙控設(shè)備是可行的，且應(yīng)用前景廣闊。

　　2 基于軟件無線電理念的硬件設(shè)計(jì)

　　遙控技術(shù)在給人們帶來便利的同時(shí)也帶來了很多困擾，人們需要面對的遙控系統(tǒng)越來越多。為實(shí)現(xiàn)功能復(fù)用，減小生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)遙控“一卡通”且便于升級換代，本文基于軟件無線電理念進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。即硬件滿足以下特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)開放，硬件不變的情況下，通過改變軟件可方便地改變設(shè)備的性能和功能。該理論見文獻(xiàn)[6].其通用模塊體系基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括寬帶天線、射頻部分、基帶部分等。

　　廠家可根據(jù)Wireless USB 的網(wǎng)絡(luò)ID 和PN 碼將各種近距遙控功能程序下載存儲在通用遙控模塊中，不同的設(shè)備用不同的PN 碼區(qū)別，同一種設(shè)備的不同個(gè)體用網(wǎng)絡(luò)ID號加以區(qū)別。用戶通過按鍵選擇所需功能。這與市場現(xiàn)有的萬能遙控器相似，但更有優(yōu)勢。廠家也可生產(chǎn)通用遙控硬件模塊，出場時(shí)根據(jù)需要分類下載具體功能，成為不同功能的遙控器，且便于產(chǎn)品升級換代（ 硬件不變，軟件升級即可） .還可綁定多版本、多功能程序軟件出售，用戶可根據(jù)需要改變遙控功能。實(shí)現(xiàn)軟件無線電理念。此外，Wireless USB 技術(shù)協(xié)議簡單，隨著通信技術(shù)的日益普及，相當(dāng)一部分用戶可根據(jù)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用程序。以上通用遙控模塊可支持用戶自行開發(fā)遙控功能。

　　項(xiàng)目組在理論研究的基礎(chǔ)上依據(jù)上述通用模塊體系結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)了原理實(shí)驗(yàn)接收機(jī)、發(fā)射機(jī)。PCB 板設(shè)計(jì)時(shí)選擇常用的FR-4 板材四層雙面板布線，中間兩層接地。布局布線時(shí)在降低射頻電路串?dāng)_噪聲、信號完整性控制、電磁兼容性設(shè)計(jì)等方面作了深入研究。

　　射頻電路設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目硬件設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。寄生電容和寄生電感的存在會影響射頻電路的性能。需要用到傳輸線理論，即在傳輸線上的是分布參量網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)長度內(nèi)線上的電壓和電流的幅值和相位都可能發(fā)生變化。

　　設(shè)計(jì)中使用TXLINE 軟件和ADS 軟件聯(lián)合仿真的方式，進(jìn)行射頻電路阻抗的匹配。射頻部分均使用0402 封裝貼片元件。

　　實(shí)驗(yàn)板基帶信號處理采用GPP（ 通用處理器） ,綜合考慮功耗、功能等因素，接收機(jī)、發(fā)射機(jī)分別采用AVR 系列ATMEGA8L,ATMEGA16L 單片機(jī)作為微處理器，射頻部分均采用基于Wireless USB 技術(shù)的CYRF6936 集成芯片，單片機(jī)和射頻芯片通過SPI 口連接電路采用5 V 直流電壓供電，電源轉(zhuǎn)換芯片為XC6209B332（ 5 V 轉(zhuǎn)3. 3 V） .

　　單片機(jī)ATMEGA8L、ATMEGA16L,射頻芯片CYRF6936,電源芯片XC6209B332 的外圍電路分別見其參考設(shè)計(jì)。接收機(jī)在通用模塊的基礎(chǔ)上添加了程序下載接口（ SPI 接口） 、6路I /O 接口和電源接口（ 接收機(jī)尺寸4 cm ×2 cm） .發(fā)射機(jī)在通用模塊的基礎(chǔ)上增加了程序下載接口（ JTAG 接口） 、RS-232 串口轉(zhuǎn)換電路、5 個(gè)功能按鍵、11 個(gè)指示燈、16 個(gè)I /O 接口和電源接口（ 發(fā)射機(jī)尺寸10 cm × 8 cm） .接收機(jī)、發(fā)射機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)分別如圖2、圖3 所示。