抗干擾慢跳頻通信系統(tǒng)的工作原理及實(shí)現(xiàn)應(yīng)用設(shè)計(jì)

作者：翟樂育;彭麗;黃衛(wèi)平

引言

在民用無線通信應(yīng)用領(lǐng)域，由于人們對(duì)短距離無線通信系統(tǒng)的不斷開發(fā)和廣泛應(yīng)用，免申請(qǐng)的ISM頻段資源越來越緊張，各系統(tǒng)之間頻率的重合機(jī)會(huì)也越來越大，系統(tǒng)干擾也越來越嚴(yán)重，所以設(shè)計(jì)具有跳頻功能的民用抗干擾通信系統(tǒng)具有很直接的現(xiàn)實(shí)意義。利用該技術(shù)，既可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，也可以大大降低系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜度。跳頻通信系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)制解調(diào)器、跳頻圖案發(fā)生器、頻率合成器和跳頻同步器等部件組成，本文主要介紹民用抗干擾慢跳頻通信系統(tǒng)。

1 工作原理

nRF9E5的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。片上系統(tǒng)集成的主要部件有：與8051兼容的微處理器、4 KB RAM及相關(guān)特殊功能寄存器（SFR）、4輸入通道10位80 ksps的A／D轉(zhuǎn)換器、433／868／915 MHz的nRF905無線收發(fā)器、電源管理及復(fù)位電路、PWM控制器、SPI接口控制器、低功耗模式RC振蕩器、看門狗定時(shí)器、端口邏輯及RTC定時(shí)器，等等。微處理器與A／D轉(zhuǎn)換器和無線收發(fā)器之間通過SPI接口進(jìn)行連接，微處理器程序固化于外部的EEP—ROM存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)加電時(shí)由引導(dǎo)程序?qū)⒐碳ㄟ^SPI接口加載進(jìn)片內(nèi)的4 KB RAM區(qū)中，程序加載完畢之后系統(tǒng)由片內(nèi)的RAM程序控制。該芯片射頻信號(hào)輸出功率可編程，最大輸出為10 dBm，通道轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μs，具有載波監(jiān)聽功能，支持LBT（Listen Before Trans—mit）協(xié)議。

nRF9E5內(nèi)部集成的無線收發(fā)器可工作于433／868／915 MHz頻段范圍內(nèi)，具體的工作頻段和頻點(diǎn)由外圍電路的阻容參數(shù)和相關(guān)寄存器數(shù)據(jù)決定。在圖2所示的電路中，若系統(tǒng)要求工作于433 MHz頻段，則相關(guān)器件按照表1第2列取值；若系統(tǒng)要求工作于868／915 MHz頻段，則相關(guān)器件按照第3列取值。系統(tǒng)的工作頻段不僅由硬件進(jìn)行配置，而且還要在相應(yīng)的RF配置寄存器中進(jìn)行設(shè)置。其中HFREQ_PLL設(shè)置工作頻段，CH_NO設(shè)置工作頻點(diǎn)，HFREQ_PLL為一控制位，CH_N0為9位數(shù)據(jù)。具體的無線載波頻率由下列公式進(jìn)行計(jì)算：

fOP=［422．4+（CH_NO／10）］×（1+HFREQ_PLL）

式中fOP的單位為MHz。若HFREQ_PLL=O，系統(tǒng)工作于433 MHz頻段，頻點(diǎn)間隔100 kHz，頻段范圍為422．4～473．5 MHz；若HFREQ_PLL=1，系統(tǒng)工作于868／915MHz，頻點(diǎn)間隔200 kHz，頻段范圍為844．8～947 MHz。由此可見，如果系統(tǒng)程序按照跳頻圖案產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)設(shè)置CH_NO，則nRF9E5可以分別實(shí)現(xiàn)2個(gè)頻段512個(gè)頻點(diǎn)的抗干擾跳頻通信。

nRF9E5內(nèi)部集成的無線收發(fā)器采用半雙工的方式工作，工作方式由TRX_CE和TX_EN控制位決定，如表2所列。TRX_CE控制無線收發(fā)器處于休眠模式還是工作模式，當(dāng)TRX_CE=l時(shí)，TX_EN決定無線收發(fā)器的接收和發(fā)送狀態(tài)。無線收發(fā)器具有ShockBurst的特性，可實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸并在發(fā)送和接收模式之間快速轉(zhuǎn)換，與射頻數(shù)據(jù)相關(guān)的協(xié)議由片內(nèi)nRF905收發(fā)器自動(dòng)處理。nRF9E5只用簡(jiǎn)單的SPI接口與收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在 ShockBurst接收方式下，當(dāng)收到一個(gè)有效地址的射頻數(shù)據(jù)包時(shí)，地址匹配寄存器位（AM）和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好寄存器位（DR）通知片內(nèi)MCU把數(shù)據(jù)讀出。在ShockBurst發(fā)送方式下，nRF905自動(dòng)給要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上前綴和CRC校驗(yàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好寄存器位（DR）會(huì)通知MCU數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完畢。具體的收發(fā)流程如圖3和圖4所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

在非軍事無線通信系統(tǒng)中，如簡(jiǎn)單的無線數(shù)據(jù)采集、無線射頻識(shí)別等，頻譜干擾一般是由于頻率資源的緊缺以及無線通信系統(tǒng)的無序和廣泛應(yīng)用引起的，所以干擾是隨機(jī)和無意識(shí)的。這樣的應(yīng)用場(chǎng)景下，如果數(shù)據(jù)的傳輸速率要求也不很高，那么可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的跳頻同步協(xié)議來實(shí)現(xiàn)抗干擾通信。本設(shè)計(jì)中，跳頻圖案的偽隨機(jī)數(shù)存放在256字節(jié)的數(shù)組中，hopIdx表示數(shù)組序號(hào)。在通信的初始階段，接收端一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，發(fā)送端從數(shù)組O開始選擇頻點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。若超時(shí)，則 hopIdx加1繼續(xù)發(fā)送，直到通信建立成功，然后發(fā)送端和接收端按照相同的跳頻圖案進(jìn)行通信。

發(fā)送過程如圖5所示。首先初始化各參數(shù)，然后根據(jù)偽隨機(jī)數(shù)選擇發(fā)送頻點(diǎn)，并在該頻點(diǎn)上發(fā)送數(shù)據(jù)，等待3 ms時(shí)間。如果接收到數(shù)據(jù)則表明接收方處于同頻點(diǎn)，然后在該頻點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如果3 ms超時(shí)，則再嘗試一次；如果繼續(xù)超時(shí)，則再次根據(jù)偽隨機(jī)碼選擇下一個(gè)通信頻點(diǎn)進(jìn)行嘗試；如果超時(shí)3 s，則退出本次發(fā)送過程。

接收過程如圖6所示，主循環(huán)一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，循環(huán)調(diào)用接收函數(shù)。如果收到數(shù)據(jù)包，則發(fā)送響應(yīng)包，發(fā)送完畢之后，hopIdx加1，收發(fā)器在另一個(gè)頻點(diǎn)繼續(xù)監(jiān)聽。如果在一個(gè)頻點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間超限沒有收到數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻點(diǎn)繼續(xù)監(jiān)聽。

本文以半雙工通信過程為例介紹抗干擾跳頻通信的實(shí)現(xiàn)過程。實(shí)現(xiàn)的編程環(huán)境為uVisionII，并在Keil C51V7．08編譯環(huán)境下測(cè)試通過。

（1）初始化過程

初始化過程主要包括無線收發(fā)器相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，如表3所列。

（2）發(fā)送過程

發(fā)送過程主要包括的子函數(shù)如表4所列。

發(fā)送過程主要函數(shù)由TransmitPacket實(shí)現(xiàn)。

（3）接收過程

接收過程主要包括的子函數(shù)如表5所列。

3 總結(jié)

隨著無線頻譜資源的日益緊張，采取跳頻通信實(shí)現(xiàn)抗干擾通信將會(huì)顯得越來越重要；而利用nRF9E5設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)抗干擾跳頻通信系統(tǒng)是一種廉價(jià)、方便的應(yīng)對(duì)措施，所以必將會(huì)在民用市場(chǎng)受到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。

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