專利名稱：用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字信號無線通信收發(fā)模塊，尤其是涉及一種用于大學(xué)本科通信原理實 驗課程教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)字信號無線通信收發(fā)模塊。
背景技術(shù)：
從早期的紅外通訊技術(shù)，到現(xiàn)在包括UWB、 Zigbee、 RFID和藍(lán)牙等在內(nèi)的短距離無線 通信技術(shù)正日益走向成熟，應(yīng)用步伐不斷加快，各種短距離無線通信技術(shù)將在自動化控制和 家庭信息化領(lǐng)域扮演越來越重要的角色，發(fā)揮越來越重要的作用。
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信原理已經(jīng)成為高校中很重要的課程，通信原理實驗就成為輔 助這門課程理論學(xué)習(xí)的重要工具，通過實驗可以親身體會通信系統(tǒng)的實現(xiàn)以及其中各個環(huán)節(jié) 的工作特點和意義。通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)一般是采用獨立模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各獨立模塊能 方便地安裝與組合，成為開放式實驗平臺，有利于系統(tǒng)實驗及單元實驗，也便于進(jìn)行二次實 驗開發(fā)。
高校通信原理實驗內(nèi)容通常包括理想信道模擬實驗、FM/AM/PAM調(diào)制解調(diào)實驗、數(shù) 字基帶信號實驗(RZ/CMI/HDB3/AMI等碼型編/譯實驗)、數(shù)字調(diào)制實驗(2ASK/2FSK/ 2PSK/2DPSK等)、數(shù)字解調(diào)實驗、鎖相環(huán)實驗、位同步信號提取實驗、幀同步信號提取實驗、 模擬信號數(shù)字化實驗(PCM/ADPCM//AM/CVSD)、電話通信實驗、計算機(jī)數(shù)據(jù)通信實驗、 模擬通信系統(tǒng)實驗、數(shù)字通信綜合系統(tǒng)實驗以及計算機(jī)通信仿真實驗等。
目前，在通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)中，部分實驗系統(tǒng)可以提供QPSK調(diào)制解調(diào)實驗，但基 本都是基于移動通信系統(tǒng)的實驗，其中涉及CDMA等比本科通信原理更深層次的內(nèi)容。少數(shù) 涉及無線通信的實驗主要有以下幾類
1. FM調(diào)頻收發(fā)實驗。調(diào)頻收發(fā)實驗多在高頻電子線路實驗系統(tǒng)中，輸入信號為音頻范 圍的正弦波信號，涉及的理論知識基本是電子線路中混頻，濾波等知識，與通信原理課程關(guān) 聯(lián)較少。
2. QPSK調(diào)頻收發(fā)實驗。調(diào)頻收發(fā)實驗在有的移動通信實驗系統(tǒng)中存在，可以進(jìn)行QPSK 調(diào)制和發(fā)射，其本身相當(dāng)于一個CDMA手機(jī)，進(jìn)行的實驗項目主要是有關(guān)CDMA和手機(jī)呼 叫，接口等方面的實驗，與本科通信原理實驗相比，難度和高度都有差距。3. 無線遙控開關(guān)實驗。這類實驗有紅外收發(fā)和315M (或433M)兩種，完成的都是無線 遙控控制開關(guān)或LED顯示等。信號的發(fā)出一般是開關(guān)，以無線的形勢控制接收端的電路狀態(tài)。
4. RFID實驗?zāi)K。RFID讀寫器的實驗，提供RFID卡片和讀寫器以及操作系統(tǒng)界面， 顯示卡片內(nèi)容，通過編程實驗對卡片數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。
通信原理實驗教學(xué)時，往往在一間實驗室內(nèi)幾十個系統(tǒng)同時進(jìn)行數(shù)字信號無線傳輸實驗， 各組信號相互之間的干擾以及信號源信號NRZ的高數(shù)據(jù)速率是限制模塊正常工作和實驗順 利進(jìn)行的重要因素。為此，獨創(chuàng)性地設(shè)計利用單片機(jī)采集NRZ信號，再由單片機(jī)進(jìn)行編碼和 地址編碼，從而成功克服了上述兩個難點，既獲得了按照發(fā)射電路要求速率的輸出數(shù)據(jù)，又 可順利使用現(xiàn)有芯片和模塊達(dá)到減速發(fā)射無線信號的目的。同時，由于采用了地址編碼，因 此解決了實驗室內(nèi)的信號相互干擾問題。而接收電路則核對地址編碼，解出有效數(shù)據(jù)后以位 同步信號作抽樣判決，即可恢復(fù)出原有的NRZ信號。這樣即使以完全相同的載波進(jìn)行信號發(fā) 送，只要地址編碼各不相同，就能準(zhǔn)確收到相關(guān)信號。同時，由于有了單片機(jī)的加入，使得 可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行更加豐富的處理。
至今未見有關(guān)將單片機(jī)對NRZ信號作為信息參數(shù)采集并處理，再結(jié)合使用現(xiàn)有芯片、模 塊而成功應(yīng)用于通信原理實驗系統(tǒng)的數(shù)字通信無線收發(fā)模塊的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適于短距離無線通信，抗干擾能力較強(qiáng)，數(shù)據(jù)速率較高的用 于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊。
本發(fā)明設(shè)有發(fā)射模塊和接收模塊；發(fā)射模塊設(shè)有數(shù)字信號源、NRZ信號采集電路、處理 器、編碼電路、發(fā)射電路和發(fā)射天線，接收模塊設(shè)有接收天線、接收電路、解碼電路、處理 器、NRZ信號恢復(fù)電路和終端顯示電路；NRZ信號采集電路的輸入端接數(shù)字信號源輸出端， NRZ信號采集電路的輸出端接編碼電路的輸入端，編碼電路的輸出端接發(fā)射電路的輸入端， 發(fā)射電路輸出端接發(fā)射天線。接收電路的輸入端接接收天線，接收電路的輸出端接解碼電路 的輸入端，解碼電路的輸出端接NRZ信號恢復(fù)電路的輸入端，NRZ信號恢復(fù)電路的輸出端 接處理器的輸入端，處理器的輸出端接終端顯示器。
NRZ信號采集電路可設(shè)有移位寄存器、計數(shù)器和非門，移位寄存器的輸入端接數(shù)字信號 源(數(shù)字信號源包括信息碼NRZ和位同步信號BS數(shù)字信號源)，移位寄存器的輸出端接處 理器的輸入端，移位寄存器的輸出端還經(jīng)非門接計數(shù)器的輸入端。計數(shù)器最好設(shè)有輸出緩沖 器，輸出緩沖器的輸出端接處理器的輸入端。
編碼電路可設(shè)有編碼芯片、數(shù)碼管和跳線，編碼芯片的輸入端接處理器的NRZ信號輸出端，編碼芯片的地址編碼端接跳線，編碼芯片的編碼信號輸出端經(jīng)數(shù)碼管接發(fā)射電路的輸入 端。
解碼電路可設(shè)有解碼芯片、數(shù)碼管和跳線，解碼芯片的輸出端經(jīng)數(shù)碼管接NRZ信號恢復(fù) 電路的輸入端，解碼芯片的地址解碼端接跳線。
NRZ信號恢復(fù)電路可設(shè)有移位寄存器、計數(shù)器、觸發(fā)器和非門，移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入 端接接收電路的輸出端，移位寄存器的數(shù)據(jù)輸出端分別接處理器的輸入端和計數(shù)器的輸入端， 計數(shù)器的數(shù)據(jù)輸出端經(jīng)非門接觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器的輸出端接終端顯示器。
發(fā)射模塊與接收模塊中的處理器可為單片機(jī)，單片機(jī)的型號優(yōu)選89S52型。
在NRZ信號采集電路中，移位寄存器為串入并出式移位寄存器，移位寄存器的型號選用 74HC595，計數(shù)器的型號選用74LS160，非門的型號選用74LS04。
在編碼電路中，編碼芯片的型號優(yōu)選PT2262。
在解碼電路中，解碼芯片的型號優(yōu)選PT2272。
在NRZ信號恢復(fù)電路中，移位寄存器為并入串出式移位寄存器，移位寄存器的型號選用 74LS165,計數(shù)器的型號選用74LS160,觸發(fā)器的型號選用74LS74，非門的型號選用74LS04。
下面結(jié)合工作原理說明本發(fā)明的有益效果當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用在通信原理實驗系統(tǒng)時，能準(zhǔn) 確地將24位數(shù)據(jù)采集并輸入單片機(jī)，經(jīng)過串并處理之后，NRZ信號的碼速率降低8倍，給 后面的信號處理提供了方便，使單片機(jī)有足夠的時間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲，且程序非常簡練 易懂。由于本發(fā)明使用串入并出移位寄存器，利于寄存器讀入穩(wěn)定的NRZ信號，并保證數(shù)據(jù) 速率高。加入本發(fā)明的通信原理實驗系統(tǒng)與國內(nèi)同類產(chǎn)品相比，填補(bǔ)了系統(tǒng)缺少數(shù)字通信無 線收發(fā)模塊的空白，與國外現(xiàn)有無線通信模塊相比則更具尺寸合理、結(jié)構(gòu)簡單、利于教學(xué)應(yīng) 用以及成本低等優(yōu)點。本發(fā)明的應(yīng)用對于擴(kuò)展實驗系統(tǒng)的涵蓋課程，開拓學(xué)生視野，使通信 原理實驗課程更緊密地與現(xiàn)代通信相結(jié)合，具有重要意義。本發(fā)明是一套涉及到數(shù)據(jù)采集、 信道編碼解碼、無線收發(fā)、天線、抽樣判決、串并/并串轉(zhuǎn)換和單片機(jī)軟件技術(shù)等多門科目知 識，綜合性較強(qiáng)的收發(fā)模塊。同時本發(fā)明具有抗干擾能力強(qiáng)、收發(fā)信息容量大、速率高等優(yōu) 點，而且接收端獲得的NRZ'信號與信號源發(fā)送的NRZ信號完全一致。本發(fā)明結(jié)合NRZ信號 的特點和單片機(jī)的處理能力，采用NRZ信號采集電路和抽樣判決輸出電路，對輸入信號速率 從100多kHz到1MHz頻段，均可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。NRZ信號采集/恢復(fù)電路解決了高速率信 息的傳輸問題，編碼/解碼電路解決了信號無線傳輸過程中的抗干擾問題。本發(fā)明的信道編碼 與解碼電路可采用編/解碼芯片PT2262/PT2272。設(shè)計編碼穩(wěn)定，受外部環(huán)境影響小，每一個 位脈沖的脈寬都是穩(wěn)定準(zhǔn)確的，其地址編碼端可提供大量地址(如實施例中可提供531441個地址，采用8位地址4位數(shù)據(jù)的方式，總共可以提供6561種地址方式)，遠(yuǎn)大于實驗室內(nèi)的 學(xué)生人數(shù)，充分滿足實驗教學(xué)的需要。此外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、易于與現(xiàn)有 實驗系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合。


圖1為本發(fā)明實施例的電路原理框圖。
圖2為本發(fā)明實施例的發(fā)射模塊電路組成原理圖。
圖3為圖2中的NRZ信號采集電路組成原理圖。
圖4為圖2中的編碼電路組成原理圖。
圖5為本發(fā)明實施例的接收模塊電路組成原理圖。
圖6為圖5中的NRZ信號恢復(fù)電路組成原理圖。
圖7為圖5中的解碼電路組成原理圖。
圖8為本發(fā)明實施例使用時采用示波器檢測的收/發(fā)信號對比示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
參見圖l，發(fā)射模塊設(shè)有數(shù)字信號源l、 NRZ信號采集電路2、編碼電路3、發(fā)射電路4 和發(fā)射天線E1。接收模塊設(shè)有接收天線E2、接收電路5、解碼電路6、 NRZ信號恢復(fù)電路7 和終端顯示電路8。數(shù)字信號源1的信號由NRZ信號采集電路2采集，然后經(jīng)編碼電路3編 碼數(shù)據(jù)，編碼數(shù)據(jù)通過發(fā)射電路4由發(fā)射天線E1發(fā)出。接收電路5經(jīng)接收天線E2接收由發(fā) 射天線El所發(fā)射的信號，接收電路5的信號輸出端接解碼電路6的數(shù)據(jù)輸入端，經(jīng)解碼電路 6解碼數(shù)據(jù)，解碼數(shù)據(jù)輸出端接NRZ信號恢復(fù)電路7信號輸入端，NRZ信號恢復(fù)電路7的信 號輸出端接終端顯示電路8。
參見圖2 4，在圖2中，本發(fā)明的發(fā)射模塊設(shè)有NRZ信號采集電路、單片機(jī)U1 (89S52 型)、編碼電路、發(fā)射電路和發(fā)射天線El， NRZ信號采集電路接信息碼NRZ和位同步信號 BS數(shù)字信號源，NRZ信號采集電路的信號輸出端接編碼電路的信號輸入端，編碼電路的信 號輸出端接發(fā)射電路的信號輸入端，發(fā)射電路通過發(fā)射天線發(fā)射無線信號波。在圖3中，NRZ 信號采集電路設(shè)有串入并出移位寄存器U2(74HC595型)、計數(shù)器U3(74LS160型)、2個非門 Ml與M2A (均為74LS04型)。其工作原理是用導(dǎo)線分別將速率為170.5kHz的信息碼NRZ 和位同步信號BS從數(shù)字信號源接入采集電路的相關(guān)兩點。以BS為時鐘，將串行的NRZ信 號依次移像進(jìn)入移位寄存器，由計數(shù)器對BS進(jìn)行計數(shù)，每8次產(chǎn)生一個進(jìn)位信號，以進(jìn)位 信號作為移位寄存器的存儲時鐘，在第8個數(shù)據(jù)到來后將這8位數(shù)據(jù)放在輸出緩沖器TC上，同時作為單片機(jī)Ul的外中斷0 (INT0)，單片機(jī)Ul在收到外中斷后將數(shù)據(jù)讀入管腳INTO P3.2。如此執(zhí)行3次，即能準(zhǔn)確地將24位數(shù)據(jù)采集并輸入單片機(jī)U1。經(jīng)過這樣的串并處理 之后，NRZ信號的碼速率降低8倍，給后面的信號處理提供了方便，使單片機(jī)U1有了足夠 的時間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲，且程序非常簡練易懂。使用非門是利于寄存器讀入穩(wěn)定的NRZ 信號。在圖4中，編碼電路設(shè)有編碼芯片U4 (PT2262型)、4只LED數(shù)碼管以及跳線等。其 工作原理是NRZ信號從單片機(jī)U1的P2.4、 P2.5、 P2.6及2.7管腳輸出，此時數(shù)據(jù)被分為6 組，每組4位，由D3、 D2、 Dl及D0管腳輸入編碼芯片U4 (PT2262型)。在編碼芯片U4
(PT2262型)的地址編碼端采用跳線連接方式，每套系統(tǒng)利用跳線連接使編碼與解碼芯片 U4 (PT2262型)的地址端保持一致。編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù)碼和同步碼構(gòu)成一個完整的碼 字，從DOUT管腳輸出至發(fā)射電路的數(shù)據(jù)輸入端。每組數(shù)據(jù)間加入了一定的延時，數(shù)據(jù)通過 時被4只LED數(shù)碼管直觀顯示出來，并有一定時間間隔便于觀察。
參見圖5 7，在圖5中，本發(fā)明的接收模塊設(shè)有接收天線E2、接收電路、解碼電路、單 片機(jī)Ull (89S52型)、NRZ信號恢復(fù)電路和終端顯示電路。接收天線E2接收由發(fā)射模塊的 發(fā)射天線E1所發(fā)射的無線信號波，無線信號波傳至接收電路的輸入端，接收電路的信號輸出 端接解碼電路的數(shù)據(jù)輸入端，解碼電路的數(shù)據(jù)輸出端接NRZ信號恢復(fù)電路信號輸入端，NRZ 信號恢復(fù)電路的信號輸出端接單片機(jī)U11輸入端，單片機(jī)U11輸出端接終端顯示電路。在圖 6中，NRZ信號恢復(fù)電路設(shè)有并入串出移位寄存器UIO (74LS165型)、計數(shù)器U7 (74LS160 型)、觸發(fā)器U9 (74LS74型)、2個非門M9A與M10A (均為74LS04型)等。其工作原理 是發(fā)射模塊的NRZ采集電路的逆過程。以BS作為計數(shù)器U7 (74LS160型)和觸發(fā)器U9
(74LS74型)的時鐘，將BS取反后作為移位寄存器U10的時鐘，以利于輸出穩(wěn)定。以計數(shù) 器U7 (74LS160型)的Q3取反后作為單片機(jī)U11的外中斷1 (INT1)，進(jìn)位信號TC取反后 作為移位寄存器UIO (74LS165型)的并行置數(shù)信號。計數(shù)器U7 (74LS160型)的Q3的下 降沿比進(jìn)位信號早一個周期，因此在Q3下降沿之后，單片機(jī)Ull收到外中斷1，將并行數(shù) 據(jù)輸出到INT1P3.3端口，進(jìn)位信號TC的下降沿來到之后，該數(shù)據(jù)被裝載到移位寄存器UIO
(74LS165型)中，并以170.5kHz的速率從UIO (74LS165型)的Q7管腳串行移位輸出。 輸出的串行信號經(jīng)觸發(fā)器U9 (74LS74型)進(jìn)行抽樣判決以確保碼元寬度相同且為BS上升沿 觸發(fā)，從而恢復(fù)出NRZ信號。在圖7中，解碼電路設(shè)有解碼芯片U8 (PT2272型)、4只LED 數(shù)碼管以及跳線等。其工作原理是接收電路將接收到的數(shù)據(jù)由DIN管腳輸入解碼芯片U8
(PT2272型)，解碼芯片U8 (PT2272型)的地址解碼端采用跳線連接，與發(fā)射模塊的編碼 芯片U4 (PT2262型)的地址端保持一致。解碼芯片U8 (PT2272型)得到的信號將地址碼經(jīng)兩次比較核對后在管腳VT輸出高電平，此時相應(yīng)的數(shù)據(jù)管腳DO、 Dl、 D2及D3也輸出 高電平。VT端信號取反作為外中斷信號通過管腳P3.2(INT0)通知單片機(jī)Ull取走解碼后的 數(shù)據(jù)，DO、 Dl、 D2及D3接單片機(jī)U11的P1.3、 P1.2、 P1.1P及1.0管腳。
本發(fā)明實施例的發(fā)射模塊與接收模塊的單片機(jī)均采用89S52型，發(fā)射天線El與接收天 線E1均采用取自315M汽車遙控器的拉桿天線。單片機(jī)的軟件設(shè)計和發(fā)射/接收天線形狀、 尺寸等可根據(jù)實際使用要求選取。
如圖8所示，采用示波器檢測結(jié)果接收機(jī)獲得的NRZ'信號與發(fā)射機(jī)采集的NRZ信號 源完全一致。
權(quán)利要求
1. 用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊，其特征在于設(shè)有發(fā)射模塊和接收模塊；發(fā)射模塊設(shè)有數(shù)字信號源、NRZ信號采集電路、處理器、編碼電路、發(fā)射電路和發(fā)射天線，NRZ信號采集電路的輸入端接數(shù)字信號源輸出端，NRZ信號采集電路的輸出端接編碼電路的輸入端，編碼電路的輸出端接發(fā)射電路的輸入端，發(fā)射電路輸出端接發(fā)射天線；接收模塊設(shè)有接收天線、接收電路、解碼電路、處理器、NRZ信號恢復(fù)電路和終端顯示電路，接收電路的輸入端接接收天線，接收電路的輸出端接解碼電路的輸入端，解碼電路的輸出端接NRZ信號恢復(fù)電路的輸入端，NRZ信號恢復(fù)電路的輸出端接處理器的輸入端，處理器的輸出端接終端顯示電路。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊，其特征在于 NRZ信號采集電路設(shè)有移位寄存器、計數(shù)器和非門，移位寄存器的輸入端接數(shù)字信號源，移 位寄存器的輸出端接處理器的輸入端，移位寄存器的輸出端還經(jīng)非門接計數(shù)器的輸入端。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊，其特征在于計 數(shù)器設(shè)有輸出緩沖器，輸出緩沖器的輸出端接處理器的輸入端。
4. 如權(quán)利要求1所述的用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊，其特征在于編 碼電路設(shè)有編碼芯片、數(shù)碼管和跳線，編碼芯片的輸入端接處理器的NRZ信號輸出端，編碼 芯片的地址編碼端接跳線，編碼芯片的編碼信號輸出端經(jīng)數(shù)碼管接發(fā)射電路的輸入端。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊，其特征在于解 碼電路設(shè)有解碼芯片、數(shù)碼管和跳線，解碼芯片的輸出端經(jīng)數(shù)碼管接NRZ信號恢復(fù)電路的輸 入端，解碼芯片的地址解碼端接跳線。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊，其特征在于 NRZ信號恢復(fù)電路設(shè)有移位寄存器、計數(shù)器、觸發(fā)器和非門，移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端接接 收電路的輸出端，移位寄存器的數(shù)據(jù)輸出端分別接處理器的輸入端和計數(shù)器的輸入端，計數(shù) 器的數(shù)據(jù)輸出端經(jīng)非門接觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器的輸出端接終端顯示器。
7. 如權(quán)利要求1所述的用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊，其特征在于發(fā) 射模塊的處理器為單片機(jī)，接收模塊的處理器為單片機(jī)。
8. 如權(quán)利要求2所述的用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊，其特征在于 NRZ信號采集電路的移位寄存器為串入并出式移位寄存器。
9. 如權(quán)利要求6所述的用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊，其特征在 于NRZ信號恢復(fù)電路的移位寄存器為并入串出式移位寄存器。
全文摘要
用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊，涉及一種數(shù)字信號無線通信收發(fā)模塊，提供一種適于短距離無線通信，抗干擾能力較強(qiáng)，數(shù)據(jù)速率較高的用于通信原理實驗教學(xué)系統(tǒng)的無線通信收發(fā)模塊。設(shè)有發(fā)射模塊和接收模塊；發(fā)射模塊設(shè)有數(shù)字信號源、NRZ信號采集電路、處理器、編碼電路、發(fā)射電路和發(fā)射天線，接收模塊設(shè)有接收天線、接收電路、解碼電路、處理器、NRZ信號恢復(fù)電路和終端顯示電路。
文檔編號G09B19/00GK101458876SQ20081007229
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者葉志鵬, 懿 宋, 斌 林 申請人:廈門大學(xué)