远距离低功耗ZigBee收发信机

发布时间：2020-11-20 03:21

　　 随着物联网的高速发展,低功耗的无线网络在工程应用中的地位愈发重要。针对不同的物联网应用,多种相应的低功耗无线技术被研究和使用。其中,需要低功耗、低通信速率和大容量自组织网络的无线通信网广泛使用ZigBee技术。但是标准的ZigBee模块受限于模块中接收机较大的噪声系数和发射机较小的辐射功率,满足不了远距离通信的要求。本文结合射频和通信技术,设计了一款基于ZigBee技术的远距离、低功耗收发信机。论文的主要工作有:1、提出了一种提高ZigBee通信距离的低功耗解决方案。分析ZigBee技术中数字基带调制方式和标准模块中的接收机类型,估算出ZigBee片上芯片系统中接收机的整机噪声系数。通过在接收前端增加低噪声放大器模块来降低整机的噪声系数以提高接收机灵敏度;同时在片上系统的发射末端增加功率放大器子模块以提高发射信号最大辐射功率且保证发射信号的质量。2、实现了远距离低功耗的ZigBee收发信机。不仅完成了硬件开发,而且基于ZigBee技术进行了协议的二次开发,保证了增加额外射频模块后,系统依然能够达到低功耗的目标。为实现二次协议的应用,本文自主开发了底层软件和上位机测试软件。特别是,自主开发的底软占用处理器资源少、灵活性强,有利于系统后续维护和升级。3、利用自主编写的底层和上层软件,完成了二次协议验证和外场通信试验。首先验证了协议的可靠性,分析了同频段的ZigBee、WIFI和蓝牙三种通信协议之间的共存特性;基于二次协议的整机性能测试结果表明,收发信机功耗、发射信号质量和接收灵敏度等指标符合设计要求;以测试结果为基础,对典型外场环境进行建模,完成点对点通信测试,测试数据和仿真数据对照分析表明,本文提出的ZigBee通信远距离低功耗方案具有可行性。本文研制的ZigBee收发信机可以拓展ZigBee技术的应用范围,使其也能满足通信节点之间远距离数据传输的使用。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.44;TN92
【部分图文】：

整机噪声系数以优化接收灵敏度的目标。利用ＣＣ２５３０支持串口通信，本系统中，ＰＣ机??需有一套完整的对收发信机的通信性能进行测试的上位机程序。为满足上文提出的系统??指标，收发信机的硬件框架如图２－１所示。??＼／??ＬＮＡ（低噪声?ＹＡＮＴ?（天线）??射频开关?放大器）?射频开关???１???＠ｆ＝２．４ＧＨｚｔｏ?＠ｆ＝２．４Ｇ?＠ｆ＝２．４ＧＨｚ??２?５ＧＨｚ?Ｈｚ?ｔｏ?ｔｏ?２．５ＧＨｚ??ＪＳＢ转串【ＺｉｇＢｅｅ?＼．?ｔｘ／ｒｘ?Ｚ?２?５ＧＨｚ??ＰＣ?，—二、系统芯片〈ｔＺＴ：＃?—??射频开关???１?丨?＾?ｐａ?（功率放大器）?＠ｆ＝２．４ＧＨｚｔｏ??＠ｆ＝２．４ＧＨｚ?ｔｏ?２．５ＧＨｚ??２．５ＧＨｚ??图２－１收发信机系统框图??２．２．３?ＣＣ２５３０底层开发方案??针对ＣＣ２５３０，?ＴＩ官方根据实际应用，给出了针对智能家居、智能能源管理的底层??协议栈。但由于其协议栈并不完全开放，整个协议栈较为庞大，很多对于本系统无用的??功能占据了大量的微处理器Ｆｌｓａｈ和ＲＡＭ的开销，特别是本系统在ＣＣ２５３０基础上添加??了其他射频器件，协议栈运用起来极为不便。??本设计紧紧抓住系统低功耗、远距离的核心诉求，并配合上位机测试系统所需的功??能，根据ＴＩ官方提供的用户指导手册进行底层嵌入式开发［１°］，以较小的微处理器资源??和较短的开发周期获取最优的性能：实现射频频道切换、功率调整、数据加密、工作模??式切换、信号质量显示、与ＰＣ机进行串口通信和通信组网等功能

统计收发的丢包率和误码率（收发数据为测试系统产生的伪随机数），为了方便后续研??究，需将收发数据已文档形式进行保存。为了验证功率，上位机需要对收发信机有工作??模式切换的作用，即接收信机休眠和唤醒两种工作模式，最终测试软件框架如图２－２所??不。??测试系统??｜信号廳蹄??接＿率酿??串口通信设置?置?发送数据通示区??休联／喚醒??—｜?—??ｍｍｍｍ??式?魏＆＆长发射功荦??■??辦／单包发送?》＆包数量发射信道??■??：＜■?＇．；；；－：：－ｉ；：?■．?，．ａ．?．?？?■，??■．??图２－２上位机测试系统框图??２．３本章小结??本章介绍了基于ＺｉｇＢｅｅ技术的远距离、低功耗收发信机的系统方案，此系统方案??包括收发信机的整机硬件架构、硬件底层嵌入式开发方案和上位机测试系统。本章首先??结合市场和系统需求选取出合适的ＺｉｇＢｅｅ片上系统，再根据系统指标要求，给出收发??信机的整机硬件架构，同时给出基于实际应用背景的底层嵌入式开发和上位机测试系统??的开发方案。??６??

图３－４低噪声放大器稳定性仿真??ｍ２?ｆｍ３??ｆｒｅｑ＝２．４００ＧＨｚ?ｆｒｅｑ＝２．５００ＧＨｚ??ｄＢ（Ｓ（２，１））＝１５．７３７?ｄＢ（Ｓ（２，１?））＝１５．０３３??ｄＢ?⑶?２，２５ｊ：１２．９５１?ｄＢ（Ｓ｛２．２Ｓ：１０．６８１??ｄＢ（Ｓ（１．１）５－１５．３１４?ｄＢ（Ｓ（１Ｊ?））＝－１６．２０９??ｄＢ（Ｓ（１，２￥：２３．１４６｜?｜ｄＢ（Ｓ（１，２））－２３．３１１??ｍ２?ｍ３?．．．?０７Ｓ－，???２０－￥?：?；?：?；?；?；?：?；????＾?：?丨；??＃?：?—；￣ｈ?Ｉ?＾?！＿＿：＿?０７６－?＾??．?｜?｜?Ｉ?Ｍ?Ｉ?Ｍ?。一??？＇?－—??ｖ???Ｑ?７Ｓ＾????Ｓｔ—?ＣＳｒ—?????????■?！?！?ｉ?ｊ?＆??啊?■?Ｓ?０．７５－??????，——：??－■－＾——１＝＾＝１＝－毛．?；??－２〇－??｛．．．．．．．．－？；?｝?－．．．．Ｉ?Ｉ???＾?￣?ｒ??：一?ｉ?；?＾?＾?［?＇?ｉ?ｉ?一??－３０－Ｊ—ｉ￣ｊ￣ｉ￣ｊ￣ｉ￣｜￣ｉ￣ｊ￣ｉ￣｜￣￣ｉ￣｜￣￣｜￣＇￣｜￣ｉ￣｜￣ｌ—？?８７２?ｉ—■Ｊ一＂｜—５一＂ｔ一＇１Ｉ一■＞一＊Ｉ一￣Ｊ一＇ｊ—＇１?一＂ｉ￣￣＞—＇ｉ一＇１?一＇ｉ一￣！一－ｉ！一＊??Ｚ４Ｄ?２．４１?２．＾３．?Ｚ４３?２．４４?２．＜？?２．４８?Ｚ４７?２．＜６?２．４Ｑ?ＺＳＯ?２４０?２４１?２．４２?２．４３?２．４４?２．４５?２４８?２４７?２．４８?２．４３?２ｉＤ
【参考文献】

相关期刊论文 前4条

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本文编号：2890865