【導讀】本文設計了一種基于NRF403收發(fā)一體芯片的傳感器數(shù)據(jù)的無線接收電路。要求接收頻率為315MHZ，超外差結(jié)構(gòu)，并且接收靈敏度要高，并對傳輸距離進行了分析。最后通過連接功率放大器和MSP430單片機進行實驗數(shù)據(jù)的測量，達到預期的實驗結(jié)果。
1引言
無線傳感器網(wǎng)絡是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡，能夠?qū)崟r地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息，并對這些信息進行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領域有著廣闊的應用前景。例如它在水利方面的應用：一般的水利設施都在野外，環(huán)境比較惡劣，基礎設施比較缺乏，供電困難。因此若要在這樣的環(huán)境下架設明線，電纜是非常困難的。因為它需要供電設備，而在那樣的野外環(huán)境提供滿足它的電源是極為困難的，再加上空曠野外如果遇到閃電，明線很容易遭到雷劈，而使整套設備毀壞，因此我們研究無線傳輸是十分必要的。
2 實驗的硬件設計
我們選擇了挪威Nordic公司開發(fā)的一款新型集成無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片NRF403。它是一款真正單芯片ISM頻段雙頻點（433MHZ和315MHZ）免調(diào)試無線收發(fā)芯片。它具有FSK調(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強，適合工業(yè)控制應用；采用PLL頻率合成技術(shù)，靈敏度高達-105dbm完全滿足實驗要求，最大發(fā)射功率達+10dbm；具有2個信號通道，適合需要多信道工作的特殊場合；可直接與微控制器接口；低工作電壓只需2.7V，數(shù)據(jù)速率可達20KB/S；功耗低，接收待機狀態(tài)僅為8uA；僅需外接一個晶體和幾個阻容，電感元件即可構(gòu)成一個完整的射頻收發(fā)器，電路模塊尺寸為30mm*22mm*6mm，可以方便地嵌入各種測量系統(tǒng)當中。而且使用無需申請，理論上開闊地的使用距離最遠可達1000米。
2.1芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹
芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是我們需要分析的，因為當我們研究設計它的外圍電路時需要知道每個引腳對應的內(nèi)部器件來確定外圍元器件的選取。下面是它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：
圖1 NRF403的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
在這個內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中芯片包含功率放大器（PA），低噪聲接收放大器（LNA），晶體振蕩器（OSC），鎖相環(huán)（PLL），壓控振蕩器（VCO），在LNA與相乘器之間接有混頻器（MIXER）等電路。在接收模式中，輸入信號被低噪聲放大器放大，經(jīng)由混頻器變換，這個被變換的信號在送入解調(diào)器（DEM）之前被放大和濾波，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號在DOUT端輸出。而在發(fā)射模式中，壓控振蕩器的輸出信號是直接送入到功率放大器，DIN端輸入的數(shù)字信號被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好。
2.2天線端的分析
天線的輸入/輸出，當NRF403是接收模式時，ANT1和ANT2引腳端提供射頻輸入到低噪聲放大器；當NRF403為發(fā)射模式時，從功率放大器提供射頻輸出到天線。天線連接到nRF403是差動形式，天線通道推薦的負載阻抗是400歐姆。功率放大器輸出級有差動結(jié)構(gòu)的2個集電極開路的晶體管組成，電源VDD到功率放大器必須通過集電極負載供電。當連接差動回路天線到ANT1/ANT2引腳端，電源將通過回路天線的中心供電。
單端天線連接到NRF403時，使用差動到單端匹配網(wǎng)絡，如圖2所示：
單端天線也可以使用8：1射頻變壓器連接到NRF403，工作在315MHZ上。射頻變壓器必須有一個中心抽頭，用于電源供電。
2.3基于NRF403的無線接收電路設計實驗選定NRE403作為要用的芯片后，我們要
2.3.1濾波器部分的分析
首先我們先研究本電路的濾波器部分。濾波器是一種能夠選擇通過或阻止某頻段信號的電路。根據(jù)其通過信號的頻率可分為低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器和帶阻濾波器。
濾波器一般采用LC，RC，LCR，LR元件構(gòu)成。本電路中從第4引腳接出的便是一個濾波網(wǎng)絡，它與芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)相連，從它的電容，電阻的連接方式我們可以簡單看做是一個無源比例積分濾波器。
2.3.2晶體振蕩器部分的分析
3 無線傳輸距離的分析
芯片的無線傳輸距離同樣是我們所必須考慮的一個問題。所謂無線傳輸距離就是信號從發(fā)射端被發(fā)出到目的地被接收中間所經(jīng)過的距離，它是現(xiàn)實的工程設計很重要的一個參數(shù)。在工作頻率固定的前提下，影響工作距離的主要因素包括發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、傳播損耗、接收天線增益、接收機靈敏度等，通過加大發(fā)射功率，提高天線增益，提高接收機靈敏度均起到提高通信距離的作用。
在影響無線通信距離的以上幾個因素中，作為設計者可以控制的因素有：發(fā)射輸出功率，RX-天線增益，TX-天線增益和接收靈敏度四個因素。而設計者不能控制的因素：傳輸損耗，路徑損耗，多徑損耗，周圍環(huán)境的吸收幾個因素，因為這些因素是由無線電波的特點所決定的，無法由設計者所改變。為了可以滿足所需要的無線傳輸距離，作為設計者必須采取一定的措施來增加芯片的傳輸距離。
上面提到的幾個設計者可以控制的因素有提高發(fā)射輸出功率，提高天線的增益和提高靈敏度，它們都可以提高無線傳輸?shù)木嚯x。通常設計者會考慮采用加大發(fā)射功率的方式來提高通信距離，但這不是一個好的辦法。因為使用功率放大器會很大程度的增加系統(tǒng)的成本，功放本身的價格就很昂貴，而且是易損耗的器件，再加上要與發(fā)射網(wǎng)絡匹配和自身所需要的數(shù)量很多的外圍元器件，這些都會增大系統(tǒng)的成本。最后，雖然功放可以在一定程度上增加輸出功率，可它也同時放大了信號中的噪聲，而且會產(chǎn)生諧波干擾，使有用信號的可靠性和信噪比下降，可能影響通信的距離。
由于功放的種種不足，在實際中使用提高天線增益的方法更為科學。下面具體研究如何增加傳輸距離。由于無線通信環(huán)境的不確定性，預測各種環(huán)境下的傳輸效果是不可能的，取決于以下因素的影響：路徑損耗，建筑物影響，人體影響，外界干擾，多徑現(xiàn)象，周圍環(huán)境的吸收等。我們只能在一個給定的條件下進行測試和評估。
同樣這是在假設發(fā)射功率為最大10dbm時，而且天線的增益為0db時的傳輸距離，而在我們實驗時由于各種損耗和電源電壓的原因，發(fā)射功率并不能達到10dbm，而且我們使用的天線也不是很好的定向高增益天線，可能達不到0db，在實際的測試中，在開闊地帶的傳輸距離只有300m到500m，而在阻擋物較多的辦公樓中只有100m左右。
4 結(jié)論
最后將設計好的無線數(shù)據(jù)接收電路與MSP430單片機所構(gòu)成的處理器模塊相連接，接收發(fā)射電路發(fā)送來的數(shù)據(jù)，解調(diào)以后數(shù)據(jù)的錯誤率低于我們的應用要求，而且由于功耗較低，更換一次電池可以使用半年之久；傳輸距離也滿足我們要求的1公里。綜上所述有很好的應用效果。
推薦閱讀：
