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

　　消費電子市場中實際遙控通信標準一直被紅外技術(shù)所占據(jù)。紅外遙控操作簡單、價格相對低廉。但紅外遙控技術(shù)存在三大局限： 視線對準、單向通信和高功耗。基于射頻技術(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。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)計射頻遙控系統(tǒng)時，會面臨2 個根本問題：

　　1） 系統(tǒng)在面臨有干擾源的環(huán)境時，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、功能擴展等因素。

　　Wireless USB 技術(shù)在頻段管理上使用了FDMA 的機制，把ISM 2. 4 GHz 分成78 個頻段，每個頻段帶寬1 MHz,遇到持續(xù)強干擾時可跳轉(zhuǎn)信道繼續(xù)通信。在每一個頻帶上又使用了CDMA（ DSSS） 技術(shù)，具有強抗干擾能力，利用多組偽隨機碼（ PN） 對數(shù)據(jù)進行編碼，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)計目標是降低成本、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，處于實時接收狀態(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喚醒功能實現(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)的每個芯片在出廠時有6 個字節(jié)的ID,此ID 是唯一的，可作為不同個體的區(qū)別標識。

　　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)支持接收信號強度指示（ RSSI）功能，為實現(xiàn)認知無線電技術(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)射機的發(fā)射功率，在保證系統(tǒng)連通的同時，降低發(fā)射功率，減小對其他系統(tǒng)的干擾，同時達到提高節(jié)點能量利用率、延長使用時間的目的。發(fā)射機先發(fā)射握手信號，根據(jù)接收機返回的信號功率強度，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)計一種新型適用的基于軟件無線電、認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

　　遙控技術(shù)在給人們帶來便利的同時也帶來了很多困擾，人們需要面對的遙控系統(tǒng)越來越多。為實現(xiàn)功能復(fù)用，減小生產(chǎn)成本，實現(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行了硬件設(shè)計。即硬件滿足以下特點： 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[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)計了原理實驗接收機、發(fā)射機。PCB 板設(shè)計時選擇常用的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)計等方面作了深入研究。

　　射頻電路設(shè)計是本項目硬件設(shè)計的一個難點。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)計中使用TXLINE 軟件和ADS 軟件聯(lián)合仿真的方式，進行射頻電路阻抗的匹配。射頻部分均使用0402 封裝貼片元件。

　　實驗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、發(fā)射機分別采用AVR 系列ATMEGA8L,ATMEGA16L 單片機作為微處理器，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。接收機在通用模塊的基礎(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（ 接收機尺寸4 cm ×2 cm） .發(fā)射機在通用模塊的基礎(chǔ)上增加了程序下載接口（ JTAG 接口） 、RS-232 串口轉(zhuǎn)換電路、5 個功能按鍵、11 個指示燈、16 個I /O 接口和電源接口（ 發(fā)射機尺寸10 cm × 8 cm） .接收機、發(fā)射機試驗樣機分別如圖2、圖3 所示。