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抗干扰慢跳频通信系统的工作原理及实现应用设计

电子设计 2021-05-19 09:36 次阅读

作者:翟乐育;彭丽;黄卫平

引言

在民用无线通信应用领域,由于人们对短距离无线通信系统的不断开发和广泛应用,免申请的ISM频段资源越来越紧张,各系统之间频率的重合机会也越来越大,系统干扰也越来越严重,所以设计具有跳频功能的民用抗干扰通信系统具有很直接的现实意义。利用该技术,既可以提高系统的抗干扰能力,也可以大大降低系统维护的复杂度。跳频通信系统主要由信号调制解调器、跳频图案发生器、频率合成器和跳频同步器等部件组成,本文主要介绍民用抗干扰慢跳频通信系统。

1 工作原理

nRF9E5的内部结构如图1所示。片上系统集成的主要部件有:与8051兼容的微处理器、4 KB RAM及相关特殊功能寄存器(SFR)、4输入通道10位80 ksps的A/D转换器、433/868/915 MHz的nRF905无线收发器电源管理及复位电路、PWM控制器、SPI接口控制器、低功耗模式RC振荡器看门狗定时器、端口逻辑及RTC定时器,等等。微处理器与A/D转换器和无线收发器之间通过SPI接口进行连接,微处理器程序固化于外部的EEP—ROM存储器中,系统加电时由引导程序将固件通过SPI接口加载进片内的4 KB RAM区中,程序加载完毕之后系统由片内的RAM程序控制。该芯片射频信号输出功率可编程,最大输出为10 dBm,通道转换时间小于650μs,具有载波监听功能,支持LBT(Listen Before Trans—mit)协议。

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nRF9E5内部集成的无线收发器可工作于433/868/915 MHz频段范围内,具体的工作频段和频点由外围电路的阻容参数和相关寄存器数据决定。在图2所示的电路中,若系统要求工作于433 MHz频段,则相关器件按照表1第2列取值;若系统要求工作于868/915 MHz频段,则相关器件按照第3列取值。系统的工作频段不仅由硬件进行配置,而且还要在相应的RF配置寄存器中进行设置。其中HFREQ_PLL设置工作频段,CH_NO设置工作频点,HFREQ_PLL为一控制位,CH_N0为9位数据。具体的无线载波频率由下列公式进行计算:

fOP=[422.4+(CH_NO/10)]×(1+HFREQ_PLL)

式中fOP的单位为MHz。若HFREQ_PLL=O,系统工作于433 MHz频段,频点间隔100 kHz,频段范围为422.4~473.5 MHz;若HFREQ_PLL=1,系统工作于868/915MHz,频点间隔200 kHz,频段范围为844.8~947 MHz。由此可见,如果系统程序按照跳频图案产生的伪随机数设置CH_NO,则nRF9E5可以分别实现2个频段512个频点的抗干扰跳频通信。

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nRF9E5内部集成的无线收发器采用半双工的方式工作,工作方式由TRX_CE和TX_EN控制位决定,如表2所列。TRX_CE控制无线收发器处于休眠模式还是工作模式,当TRX_CE=l时,TX_EN决定无线收发器的接收和发送状态。无线收发器具有ShockBurst的特性,可实现高速的数据传输并在发送和接收模式之间快速转换,与射频数据相关的协议由片内nRF905收发器自动处理。nRF9E5只用简单的SPI接口与收发器进行数据传输。在 ShockBurst接收方式下,当收到一个有效地址的射频数据包时,地址匹配寄存器位(AM)和数据准备好寄存器位(DR)通知片内MCU把数据读出。在ShockBurst发送方式下,nRF905自动给要发送的数据加上前缀和CRC校验。当数据发送完后,数据准备好寄存器位(DR)会通知MCU数据已经处理完毕。具体的收发流程如图3和图4所示。

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2 软件设计

在非军事无线通信系统中,如简单的无线数据采集、无线射频识别等,频谱干扰一般是由于频率资源的紧缺以及无线通信系统的无序和广泛应用引起的,所以干扰是随机和无意识的。这样的应用场景下,如果数据的传输速率要求也不很高,那么可以设计简单的跳频同步协议来实现抗干扰通信。本设计中,跳频图案的伪随机数存放在256字节的数组中,hopIdx表示数组序号。在通信的初始阶段,接收端一直处于监听状态,发送端从数组O开始选择频点发送数据。若超时,则 hopIdx加1继续发送,直到通信建立成功,然后发送端和接收端按照相同的跳频图案进行通信。

发送过程如图5所示。首先初始化各参数,然后根据伪随机数选择发送频点,并在该频点上发送数据,等待3 ms时间。如果接收到数据则表明接收方处于同频点,然后在该频点上进行数据通信。如果3 ms超时,则再尝试一次;如果继续超时,则再次根据伪随机码选择下一个通信频点进行尝试;如果超时3 s,则退出本次发送过程。

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接收过程如图6所示,主循环一直处于监听状态,循环调用接收函数。如果收到数据包,则发送响应包,发送完毕之后,hopIdx加1,收发器在另一个频点继续监听。如果在一个频点长时间超限没有收到数据,则转换到另一个频点继续监听。

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本文以半双工通信过程为例介绍抗干扰跳频通信的实现过程。实现的编程环境为uVisionII,并在Keil C51V7.08编译环境下测试通过。

(1)初始化过程

初始化过程主要包括无线收发器相关参数的设定,如表3所列。

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(2)发送过程

发送过程主要包括的子函数如表4所列。

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发送过程主要函数由TransmitPacket实现。

(3)接收过程

接收过程主要包括的子函数如表5所列。

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3 总结

随着无线频谱资源的日益紧张,采取跳频通信实现抗干扰通信将会显得越来越重要;而利用nRF9E5设计实现抗干扰跳频通信系统是一种廉价、方便的应对措施,所以必将会在民用市场受到越来越多的关注和应用。

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成瞬态电压抑制器(TVS)专为需要电涌保护的应用而设计。它适用于敏感设备,如计算机,打印机,商用机器,通信系统,医疗设备和其他应用。其集成设计仅使用一个小型外形封装,可为四条独立线路提供非常有效和可靠的保护。这些设备非常适用于电路板空间非常宝贵的情况。 特性 ESD保护:IEC61000和MIL STD 833 保护的四个单独的单向配置 低漏电流:
发表于 08-05 06:02 244次 阅读
NSQA6V8A 低电容电涌保护器阵列

BZG03C150 600瓦SMA额定功率齐纳二极管 15 V

列采用安森美半导体专有的,经济高效,高度可靠的Surmetic封装,非常适合用于通信系统,汽车,数控系统,过程控制,医疗设备,商用机器,电源和许多其他工业/消费类应用。这一新的1.5瓦齐纳二极管系列具有以下优势: 特性 标准齐纳击穿电压 - 15 V至150 V 峰值功率600瓦@ 100 ms 每个人体模型3级(> 16 KV)的ESD等级 响应时间通常
发表于 08-04 21:02 315次 阅读
BZG03C150 600瓦SMA额定功率齐纳二极管 15 V

NCV8716 LDO稳压器 80 mA 超低Iq

6是80 mA LDO线性稳压器。它是一种非常稳定和精确的器件,具有超低的接地电流消耗(在整个输出负载范围内为4.7 uA)和宽输入电压范围(高达24 V)。稳压器具有多种保护功能,如热关断和限流。 类似产品: NCV8715 NCV8716 NCV8718 输出电流(A) 0.05 0.08 0.30 PSRR f = 1kHz(dB) 50 50 压差电压(V) 0.230 0.310 0.285 特性 优势 2.5 V至24 V的宽输入电压范围 与大多数电池电源兼容和直流输出电压适配器 超低静态电流:典型值3.2 uA 帮助减少电流消耗 固定输出电压选项:1.2 V至5.0 V 非常适合为低电源电压控制器和传感器供电 PSRR在100 kHz时为60 dB 提供非常好的输入输出隔离 WDFN8 2 x 2 mm包中提供 提供非常小的整体解决方案尺寸 应用 安全系统 通信系统 信息娱乐,音频 电路图、引脚图和封装图...
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NCP716B LDO稳压器 150 mA 超低Iq

B是150 mA LDO线性稳压器。它是一种非常稳定和精确的器件,具有超低的接地电流消耗(在整个输出负载范围内为4.7 uA)和宽输入电压范围(高达24 V)。该稳压器具有多种保护功能,如热关断和限流,短路保护。 NCP716B是具有低待机电流要求的便携式设备的理想选择。 类似产品: NCP715 NCP716 NCP716B NCP718 输出电流(A) 0.05 0.08 0.15 0.30 PSRR f = 1 kHz(dB) 52 60 53 52 压差电压(V) 0.230 0.310 0.600 0.275 特性 优势 宽输入电压范围:高达24V 与大多数电池电源和直流输出电压适配器兼容 超低静态电流:典型值为3.2uA 帮助减少当前的消耗量 固定输出电压选项:1.5V至5.0V 非常适合低功耗电源电压微控制器或传感器 电源抑制比:55dB @ 100kHz 提供非常好的输出电压隔离输入 封装:TSOP-5 / SOT-23-5 提供非常小的整体解决方案尺寸 应用 终端产品 便携式设备 通信系统 消费电子设备 便携式医疗设备 电源适配器 工业传感器 智能电能表 家庭自动化 笔记本电脑适配器 无线充...
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NCP716 LDO稳压器 80 mA 超低Iq

是80 mA LDO线性稳压器。它是一种非常稳定和精确的器件,具有超低的接地电流消耗(在整个输出负载范围内为4.7 uA)和宽输入电压范围(高达24 V)。该稳压器具有多种保护功能,如热关断和限流,短路保护。 NCP716是具有低待机电流要求的便携式设备的理想选择。 类似产品: NCP715 NCP716 NCP716B NCP718 输出电流(A) 0.05 0.08 0.15 0.30 PSRR f = 1 kHz(dB) 52 60 53 52 压差电压(V) 0.230 0.310 0.600 0.275 特性 优势 宽输入电压范围:高达24V 与大多数电池电源和直流输出电压适配器兼容 超低静态电流:典型值为3.2uA 帮助减少当前的消耗量 固定输出电压选项:1.2V至5.0V 非常适合低功耗供电电压微控制器或传感器 电源抑制比:60dB @ 100kHz 提供非常好的输出电压隔离输入 包装:2mm x 2mm WDFN8 提供非常小的整体解决方案尺寸 应用 终端产品 便携式设备 通信系统 消费电子设备 便携式医疗设备 电源适配器 工业传感器 智能电能表 家庭自动化 笔记本电脑适配器 无线充电系统 烟...
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NCV8187 1.2A LDO稳压器 低压差 低噪声 电源良好输出

7是一款1.2 A LDO稳压器,具有低静态电流消耗(在整个温度范围内典型值为30μA),低压差,低输出噪声和非常好的PSRR。该稳压器集成了多种保护功能,如热关断,软启动,限流以及电源良好输出信号,便于MCU接口。 特性 优势 Low Vin 1.5 V 适用于DCDC的1.8V电压轨 超低噪声15μV rms 非常适合噪声敏感应用 1 kHz时PSRR高达75 dB 高功率输入纹波抑制,非常适合功耗敏感器件 低V out 从0.8 V 适用于低压申请 电力良好信号 Perfe ct用于铁路监测和/或排序 提供DFN6 2x2 mm和DFN8 3x3mm封装 可润湿侧面(针边电镀)改善热阻 150C工作结温 通过扩展实现更高的功率温度 应用 终端产品 RF,PLL,VCO和时钟电源 图像传感器电源 负载点 通信系统和信息娱乐 RF收发器 摄像头模块 Internet连接共享(ICS)网关服务器应用程序 MQB模块化架构 电路图、引脚图和封装图...
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SMV512K32-SP 16MB 防辐射 SRAM

SMV512K32是一款高性能异步CMOS SRAM,由32位524,288个字组成。可在两种模式:主控或受控间进行引脚选择。主设件为用户提供了定义的自主EDAC擦除选项。从器件选择采用按要求擦除特性,此特性可由一个主器件启动。根据用户需要,可提供3个读周期和4个写周期(描述如下)。 特性 20ns读取,13.8ns写入(最大存取时间) 与商用 512K x 32 SRAM器件功能兼容 内置EDAC(错误侦测和校正)以减轻软错误 用于自主校正的内置引擎 CMOS兼容输入和输出电平,3态双向数据总线 3.3±0.3VI /O,1.8±0.15V内核 辐射性能放射耐受性是一个基于最初器件标准的典型值。辐射数据和批量验收测试可用 - 细节请与厂家联系。 设计使用基底工程和抗辐射(HBD)与硅空间技术公司(SST)许可协议下的< sup> TM 技术和存储器设计。 TID抗扰度&gt; 3e5rad(Si) SER&lt; 5e-17翻转/位 - 天使用(CRPLE96来计算用于与地同步轨道,太阳安静期的SER。 LET = 110 MeV (T = 398K) 采用76引线陶瓷方形扁平封装 可提供工程评估(/EM)样品这些部件只用于工程评估。它们的加工工艺为非兼容流程(例如,无预烧过程等),...
发表于 01-08 17:47 354次 阅读
SMV512K32-SP 16MB 防辐射 SRAM

SN74HCT273A 具有清零功能的八路 D 类触发器

与其它产品相比 D 类触发器   Technology Family VCC (Min) (V) VCC (Max) (V) Rating Operating temperature range (C)   SN74HCT273A HCT     2     6     Catalog     -40 to 85    
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SN74HCT273A 具有清零功能的八路 D 类触发器

SN74HC273A 具有清零功能的八路 D 类触发器

与其它产品相比 D 类触发器   Technology Family VCC (Min) (V) VCC (Max) (V) Bits (#) Rating Operating temperature range (C)   SN74HC273A HC     2     6     8     Catalog     -40 to 85    
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SN74HC273A 具有清零功能的八路 D 类触发器

SN74ALVTH16374 具有三态输出的 2.5V/3.3V 16 位边沿 D 类触发器

'ALVTH16374器件是16位边沿触发D型触发器,具有3态输出,设计用于2.5V或3.3VV < sub> CC 操作,但能够为5 V系统环境提供TTL接口。这些器件特别适用于实现缓冲寄存器,I /O端口,双向总线驱动器和工作寄存器。 这些器件可用作两个8位触发器或一个16位翻转器。翻牌。在时钟(CLK)的正跳变时,触发器存储在数据(D)输入处设置的逻辑电平。 缓冲输出使能(OE)输入可用于将8个输出置于正常逻辑状态(高或低逻辑电平)或高阻态。在高阻抗状态下,输出既不会加载也不会显着驱动总线。高阻抗状态和增加的驱动提供了驱动总线的能力,而无需接口或上拉组件。 OE不影响触发器的内部操作。当输出处于高阻态时,可以保留旧数据或输入新数据。 提供有源总线保持电路,用于保持有效逻辑电平的未使用或浮动数据输入。 /p> 当VCC介于0和1.2 V之间时,器件在上电或断电期间处于高阻态。但是,为了确保1.2 V以上的高阻态,OE应通过上拉电阻连接到VCC;电阻的最小值由驱动器的电流吸收能力决定。 SN54ALVTH16374的特点是在-55°C至125°C的整个军用温度...
发表于 10-11 10:31 81次 阅读
SN74ALVTH16374 具有三态输出的 2.5V/3.3V 16 位边沿 D 类触发器

SN74ABTH16823 具有三态输出的 18 位总线接口触发器

这些18位触发器具有3态输出,专为驱动高电容或相对低阻抗负载而设计。它们特别适用于实现更宽的缓冲寄存器,I /O端口,带奇偶校验的双向总线驱动器和工作寄存器。 'ABTH16823可用作两个9位触发器或一个18位触发器。当时钟使能(CLKEN \)输入为低电平时,D型触发器在时钟的低到高转换时输入数据。将CLKEN \置为高电平会禁用时钟缓冲器,锁存输出。将清零(CLR \)输入置为低电平会使Q输出变为低电平,与时钟无关。 缓冲输出使能(OE \)输入可用于将9个输出置于正常逻辑状态(高或低逻辑电平)或高阻态。在高阻抗状态下,输出既不会加载也不会显着驱动总线。高阻抗状态和增加的驱动提供了驱动总线的能力,而无需接口或上拉组件。 OE \不会影响触发器的内部操作。当输出处于高阻态时,可以保留旧数据或输入新数据。 当VCC介于0和2.1 V之间时,器件在上电或断电期间处于高阻态。但是,为了确保2.1 V以上的高阻态,OE \应通过上拉电阻连接到VCC;电阻的最小值由驱动器的电流吸收能力决定。 提供有源总线保持电路,用于保持有效逻辑电平的未使用或浮动数据输入。 ...
发表于 10-10 17:15 172次 阅读
SN74ABTH16823 具有三态输出的 18 位总线接口触发器

SN74AHCT16373 具有三态输出的 16 位透明 D 类锁存器

SNxAHCT16373器件是16位透明D型锁存器,具有3态输出,专为驱动高电容或相对低阻抗负载而设计。它们特别适用于实现缓冲寄存器,I /O端口,双向总线驱动器和工作寄存器。 特性 德州仪器Widebus™系列的成员 EPIC™(增强型高性能注入CMOS)工艺 输入兼容TTL电压 分布式VCC和GND引脚最大限度地提高高速 开关噪声 流通式架构优化PCB布局 每个JESD的闩锁性能超过250 mA 17 ESD保护每个MIL-STD超过2000 V- 883, 方法3015;使用机器型号超过200 V(C = 200 pF,R = 0) 封装选项包括: 塑料收缩小外形(DL)封装 < li>薄收缩小外形(DGG)封装 薄超小外形(DGV)封装 80-mil精细间距陶瓷扁平(WD)封装 25密耳的中心间距 参数 与其它产品相比 D 类锁存器   ...
发表于 10-10 16:23 154次 阅读
SN74AHCT16373 具有三态输出的 16 位透明 D 类锁存器