2008年中國政府為微功率(短距離)無線電應用增加了868MHz~ 868.6MHz的工作頻率。其對無線電設備的射頻要求如下：

　　(1)發(fā)射功率限值：5mW(e.r.p);

　　(2)發(fā)射信號的占空比限值：1%;

　　(3)載波頻率容限：100×10-6;

　　并把該類設備歸類于“各類民用設備的無線電控制裝置中。

　　從上面的規(guī)定中可以看到，該頻段可用帶寬為600kHz，但并沒有明確在該頻道使用的帶寬，數據速率以及調制方式方面要求，這就給予了應用很大的空間。本文主要是基于868MHz頻段的要求，設計了比較簡單通用的無線收發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可適用于該頻段的不同的無線傳輸應用。

　　SX1231介紹及性能描述

　　SX1231芯片是Semtech公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的UHF RF收發(fā)器。其工作電壓為1.8V~3.6V，24引腳QFN封裝，工作頻率包括3155MHz、4335MHz、 8685MHz和915MHz無許可證的ISM頻段;內部集成SIGMA-DELTA小數分頻鎖相環(huán)、功率放大器、喚醒定時器、數字調制解調器、66字節(jié)的發(fā)送和接收數據FIFO、數據包處理、數據加密功能AES，以及6個可配置的DIO等，所有主要的RF通信參數是可編程的，大多數可動態(tài)設定。采用16節(jié)的FIR通路濾波器，因而有好的選擇性;發(fā)射功率可編程輸出，從-18dBm到+17dBm;有多種調制解調方式：FSK、GFSK、MSK、GMSK和OOK等;SX1231在使用時所需的外部元件很少，1個32MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設計簡單且成本低。SX1231在1.2kbps時的靈敏度高達-120dBm，主要用在無線抄表(AMR)、無線傳感器網絡、家庭和建筑物自動化、無線告警和安全系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)視和控制等領域。

　　無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設計

　　系統(tǒng)總體方案

　　無線射頻收發(fā)系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示，由STM8L151K2單片機控制SX1231實現無線數據的收發(fā)。發(fā)送模塊中的STM8L151K2將數據傳送給SX1231，然后SX1231對數據進行包格式處理，包括增加前導碼、同步字、CRC校驗碼，如果需要也可以對數據進行加密處理。最后數據包經天線發(fā)送給接收模塊。接收模塊對接收到的射頻信號放大、解調、解包之后，再將數據送給主控制器STM8L151K2進行相應的處理，如送顯示屏或PC數據處理中心等。該系統(tǒng)包括按鍵和液晶顯示屏等人機交互界面，以及RS232接口，這實現了與PC的通信功能。

　　圖1 系統(tǒng)方框圖

　　系統(tǒng)硬件設計

　　主控芯片選用ST公司推出的單片機STM8L151K2。STM8L151K2有1K bytes的RAM和8K bytes的Flash以及256bytes的EEPROM，片上集成了包括串口、SPI、I2C、ADC、觸摸屏控制功能等外圍模塊接口，完全滿足本系統(tǒng)對微控制器的要求;有多種電源管理模式(如等待模式、低功耗運行模式、低功耗等待模式等)。

　　STM8L151K2可以通過SPI接口對SX1231的內部寄存器進行讀寫操作，靈活配置各項參數。通過4線SPI接口完成對SX1231的初始化配置、讀寫數據、訪問FIFO等操作，使SX1231正常工作在發(fā)射、接收模式，完成數據在空中的傳播。

　　SX1231是15腳~18腳的標準的SPI接口，DIO0~DIO5可以通過內部寄存器來配置成不同的中斷信號。映射關系如表1所示，這樣可以很方便地獲取SX1231的工作狀態(tài)。如果需要了解FIFO滿、FIFO不是完全空，工作模式Ready，有效的數據包發(fā)送或接收、電池電壓低、RSSI、PLL鎖定等狀態(tài)，都可以配置寄存器來把這些信號映射到DIO PIN，然后單片機STM8L151K2通過檢測這些DIO PIN的電平來獲得或者主動通知MCU某個狀態(tài)發(fā)生?？捎?9腳(RXTX)控制射頻收發(fā)開關以進行發(fā)射通路和接收通路的切換，高電平時為發(fā)射狀態(tài)。圖2中采用UPG2214TB射頻開關，V1和V2分別為開關的控制腳。由于SX1231只有一個控制腳，因此增加一個三極管反相器就完成了開關的控制。21腳(RFIO)是發(fā)射和接收共用的PIN，但是該PIN的最高輸出功率為13dBm。如果需要輸出更高的功率(17dBm或20dBm)，就必須把發(fā)射接至23腳(PABOOST)，這時21腳(RFIO)只當作接收PIN。

　　圖2 硬件設計原理圖

　　SX1231接收端的輸入阻抗可設置成50Ω和200Ω，通常設成200Ω，此時同一匹配值在全頻段仍可獲得很好的靈敏度。

　　SX123節(jié)省功耗方面有一些很重要的特性：

　　(1)工作電壓范圍寬：從1.8V~3.6V都可以正常工作，且任何特性都保持不變。特別是對于發(fā)射，工作電壓低至1.8V時仍然保持相同的輸出功率，即電壓從1.8V~3.6V，輸出功率都能到達17dBm或20dBm，不隨電壓而變。但是其他類似的芯片，輸出功率則隨著電壓的下降而降低。這樣一種特性，使得該系統(tǒng)能夠使電池的利用最大化，延長電池的使用壽命，這對低功耗的應用來說具有非常重大的意義。

　　(2)可以在sleep/standby模式下讀寫寄存器：該特性節(jié)約了寫FIFO時的功耗。在sleep模式下的電流為0.1μA，而在接收模式下的電流為16mA，節(jié)約了160000倍的功耗。

　　表1 DIO PIN 與信號的映射關系表

　　系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨立的函數由主程序調用。功能模塊包括：初始化程序(包括初始化STM8L151K2、SX1231)、無線發(fā)送程序、無線接收程序等。無線發(fā)送程序負責寫入數據載荷到SX1231，并根據通信協(xié)議來配置芯片的前導碼、同步字及CRC校驗碼，最后SX1231把其組裝成數據包將其發(fā)送出去;無線接收程序負責接收并處理數據。首先，SX1231接收到一個完整的數據包，之后逐步的把前導碼、同步字以及CRC碼去除，最后MCU從其FIFO中取出有效數據。

　　無線收發(fā)模塊之間的通信是以數據包的形式發(fā)送的，本系統(tǒng)定義的數據包格式如表2所示。

　　表2 本文系統(tǒng)定義的數據包格式

　　其中，Preamble(前導碼)是一連串的10101010(0XAA)或01010101(0X55)，其數量為0~655635字節(jié)，具體幾個字節(jié)可以根據應用的需要來設定。前導碼主要用來進行幀同步，接收機主要依靠前導碼來進行有用信號識別，完成頻率控制，以及自動增益控制、信號強度判斷等動作以確保用最佳的狀態(tài)接收正確的數據。SyncWord(同步字)在前導碼之后，通過設定好的同步字來作為同步模式的標志碼，也可以作為一個網絡的ID，相同網絡的設備用相同的同步碼。而接下來的地址碼(Address)可以作為網絡內每個設備的ID，如果數據包中的地址于本設備的地址相同，則接收數據，否則不予處理。有效載荷(Message)是真正需要傳輸的數據。最后是CRC校驗碼，由芯片自動完成。

　　初始化程序

　　初始化程序包括STM8L151K2的初始化以及SX1231的收發(fā)頻率、工作模式、調制方式、數據速率以及數據包處理等寄存器的初始化配置。

　　系統(tǒng)上電后，STM8L151K2處于默認狀態(tài)，根據系統(tǒng)功能需求重新進行初始化配置。SX1231也處于默認狀態(tài)，需要進行配置才能工作。SX1231的初始化是一個重要的部分，正確的配置對系統(tǒng)最終的通信性能有很大的影響。

　　數據發(fā)送程序

　　無線發(fā)送程序流程如圖3所示。完成STM8L151K2、SX1231的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字;然后通過SPI連續(xù)寫寄存器向TX FIFO內寫入需要發(fā)送的數據;再切換到發(fā)射模式。當數據發(fā)送完后，PacketSent寄存器置1，同時映射的DIO PIN會變成高電平通知MCU數據包發(fā)送完成。然后寫數據到FIFO，發(fā)送，如此循環(huán)。直到所有數據發(fā)送完成，進入Sleep模式。

　　圖3 數據收發(fā)流程圖

　　數據接收程序

　　程序完成STM8L151K2、SX1231的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字，把SX1231配置為接收狀態(tài)。檢測PayloadReady為高電平時，表明已經收到數據，然后MCU從FIFO中讀取數據，并進行處理。如此循環(huán)直至完成接收。

　　系統(tǒng)測試結果

　　系統(tǒng)測試條件及設置

　　該部分為本系統(tǒng)測試時的設置，根據不同的應用需求，部分設置可用作相應的變動。

　　電源電壓：3.3V

　　頻率：868.3MHz

　　數據速率：4.8kbps

　　頻偏：5.0kHz

　　接收機帶寬：10kHz

　　數據類型：PN15

　　功率設定：4dBm

　　測試結果

　　發(fā)射功率

　　從圖4中可以看到，發(fā)射功率為6.86dBm。低于5mW(7dBm)的規(guī)范要求。

　　圖4 發(fā)射功率

　　載波頻率容限：100x10-6

　　從圖5中可以看出，設置為868.3MHz輸出，實際測量的頻率為868.2960MHz，則頻率偏差為((868.30-868.296)MHz/868MHz)=4.6×10-6，小于規(guī)定的載波頻率容限100×10-6。

　　圖5 載波頻率容限

　　發(fā)射信號的占空比限值：1%

　　發(fā)射信號的占空比通常指在一定時間內，發(fā)射信號的時間與未發(fā)射信號的時間比值。這主要取決于應用的要求，但是對類似短距離無線通信，發(fā)射器的發(fā)射的時間是非常的小，適合于各種控制類應用。如抄表的應用中，每個月抄表一次，而且每次發(fā)射的時間都小于1秒，這個占空比遠遠小于1%。

　　圖6 信道間隔和占用帶寬

　　圖7 鄰信道功率

　　信道間隔和占用帶寬

　　對于25kHz的信道間隔，允許的占用帶寬為8.5kHz~16kHz之間。從圖6的結果中可以看到，占有99%的能量的占用帶寬為14.7247kHz，小于16kHz。

　　鄰信道功率

　　在載波25kHz頻率偏移處的功率須小于載波功率40dB。

　　接收靈敏度

　　接收靈敏度是-113.4dBm@0.1%。整個系統(tǒng)的接收鏈路預算為120.2dB。通信距離可以達到600m左右。

　　從測試結果可看出該系統(tǒng)具有很好的性能，精準的頻率控制，高的接收靈敏度，可以滿足于寬帶的應用要求，而且結果也表明完全適合于窄帶應用。完全滿足于中國年微功率(短距離)無線電應用對于868MHz~868.6MHz頻段的規(guī)范要求。在本系統(tǒng)的基礎上，稍作改變就可適用于不同的應用環(huán)境。