CN103684508A - 运用于复杂环境下的低功耗无线传输模块架构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种能用于复杂环境下的低速，低功耗无线通信模块的设计架构，可以适用于多种应用场合，具有强健的纠错能力和信号处理能力，可以显著的提升模块在恶劣使用环境下的接收灵敏度和性能。通过使用2块不同频段的射频传输芯片，同时发射相同的基带数据包，接收端对不同频段接收到的数据包副本进行CRC校验码的比对，互相补足。由于不同频段载波在同样传输环境下受到障碍物的衰减，反射等效果是不一样的，通过比较不同频率的接收副本，可以起到一个频率分集增益的效果。同时无线模块的功耗管理由控制处理器来完成，由于很多应用中仅需要短时间集中发送和接收数据，大部分时间芯片处于休眠状态。目前32位处理器与无线收发芯片的工艺已经可以保证在休眠状态只有不到2uA的电流，使得电池可以长时间工作。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种可用于复杂环境下的低速率、低功耗的无线通信模块设计。
背景技术
随着计算机与物联网技术的不断发展，非联网类的短距低速无线通信应用越来越广泛，从智能家庭、汽车电子、安防监控、医疗监护到工业传感测量，这些非联网协议类的短距低速无线通信都集中在不需要许可证的诸多频段，如315M/433M/900M/2.4G等。与蓝牙，WIFI等重型联网协议相比，非联网技术还具有一些至关重要的优点：首先便是成本，非联网技术无需采用大量的协议栈，这使得它们能够采用更小、更廉价的微处理器；另一个优点是功耗，较轻的协议加上强健的纠错能力有助于减少无线电传送时间，这直接影响到功耗并使设备具有较长的电池使用寿命。这些优点使得非联网技术将解决方案的低成本与蓝牙、WIFI等技术的长处结合在了一起，成为一类健壮的轻型技术，可显著地减少在给消费电子设备增添无线功能时所花费的时间和成本。
目前上述频段都有成熟的专用无线收发芯片，支持OOK/BPSK/GFSK等不同调制，1k~2M间速率的应用。但是绝大多数在售无线芯片只留出了标准的SPI(Serial Peripheral Interface)数字接口，使用的时候，需要专门连接微控制器对其进行操作，而且市售的大多数无线模块，只包含无线收发芯片及其少量的外围天线电路，所以用户一般需要根据自己的特别应用场合，定制专用的无线模块。
一个功能完整的无线模块，至少要在同一块PCB上包含射频收发芯片，天线外围电路，处理器芯片，专用接口元器件等部分。专用接口部分根据应用需要一般为模拟量输入口，串行通信口，USB通信口，SD存储器接口等部件。
发明内容
要解决的技术问题：非联网类短距无线模块的应用非常广泛，但是复杂多变的使用环境带来最多的一个问题是通信死区问题。由于短距无线模块受到功耗的限制，在发射功率被严格约束的情况下，无线信号在复杂的环境下衰减很快，经常影响接收。如使用广泛的无线抄表计量模块，由于水，电，气，热等计量仪表经常处于屏蔽，障碍比较多的角落位置，无线信号在穿过墙壁后强度往往衰减到无法被位于楼道内公共场所的信号收集器接收的程度；又比如工业应用中测量高温、高压、辐射等人难以接近的设备，无线信号往往被诸多金属容器，金属管道，金属隔断等干扰，造成难以成功接收。
从技术角度而言，非联网类短距无线通信在应用中，传输速率一般都在1Mbps以下，属于典型的窄带应用。这意味着一般室内环境下多径造成的频率选择性衰落可以忽略，主要的信道影响都体现为信号强度的衰减，所以无线模块接收效果的好坏主要在于如何采用各种手段提升接收的灵敏度。
本发明旨在提供一种能用于复杂环境下的低速，低功耗无线通信模块的设计架构，可以适用于多种应用场合，具有强健的纠错能力和信号处理能力，可以显著的提升模块在恶劣使用环境下的接收灵敏度和性能。
技术方案：本发明提出了一种可以在恶劣复杂的使用环境下具有较高接收灵敏度和鲁棒性的无线传输模块。
本发明所涉及的无线模块的实现结构如图1所示，该无线模块主要由如下组成部分：2个不同频段的射频收发芯片（1、2），2个功放芯片（9），2个50欧姆阻抗匹配天线的接口电路（10），一个基于32位处理器内核的SOC芯片（3）。
模块采用的32位处理器SOC芯片需拥有如下内嵌模块：内嵌多通道ADC（4），内嵌USB协议模块（5），UART通用异步串口逻辑（6），内嵌SDIO接口逻辑模块（8），至少2个独立的SPI接口（7）。
此外无线模组的PCB上还需有相应的接口器件：模拟输入端子SMA（11），标准USB插槽（12），Micro-SD卡插槽（13）。
内嵌的ADC模块（4）可以用来测量电压，温度，压力等模拟量，内嵌SDIO接口逻辑和Micro-SD卡插槽（8、13）可以用来记录存储测量数据，UART异步通用串行口（6）可以用来对32位处理器SOC进行编程，内嵌USB协议模块和mini-USB插槽（5、12）使得PC能直接读取无线模组的传送数据，SPI接口（7）用作对无线收发芯片进行配置和数据交互。
32位处理器与无线收发芯片SPI接口的引脚要求如图2。
UART的引脚要求如图3。
USB接口的引脚要求如图4。
Mini-SD接口的引脚要求如图5。
本发明采用了双发射模块的结构，用错开的频段发射相同的基带数据，接收时比较不同频率下收到的数据包的CRC校验码，当一种频率的某个数据包出错时，有可能从另一个频率的数据副本中得到正确的结果，过程如图6所示。
有益效果：本发明通过使用2块不同频段的射频传输芯片，同时发射相同的基带数据包，接收端对不同频段接收到的数据包副本进行CRC校验码的比对，互相补足。由于不同频段载波在同样传输环境下受到障碍物的衰减，反射等效果是不一样的，通过比较不同频率的接收副本，可以起到一个频率分集增益的效果。
无线模块的功耗管理由控制处理器来完成，由于很多应用中仅需要短时间集中发送和接收数据，大部分时间芯片处于休眠状态。目前32位处理器与无线收发芯片的工艺已经可以保证在休眠状态只有不到10uA的电流，使得电池可以长时间工作。
附图说明：
图1 高灵敏低功耗无线模块的总体结构示意图
图2 32位处理器与无线收发芯片SPI接口引脚要求
图3 UART接口引脚要求
图4 USB接口引脚要求
图5 Mini-SD接口引脚要求
图6 频率分集的数据包比较示意
具体实施案例：
下面通过一个具体的例子来说明采用了频率分集技术的无线模块。
一个根据图1结构制作的无线模块，32位处理器SOC（3）采用STMicroelectronics公司的STM32F103VET6芯片，射频收发芯片（1，2）采用了2片Nordic公司的nRF905芯片，2片nRF905和STM32F103VET6按照图2方式连接。USB插槽，UART引脚，Micro-SD卡插槽按照图2-6所示方法连接。
无线模块工作的时候，一片nRF905配制成在433M频段双工模式 ，一片nRF905配制成在915M频段双工模式，发射功率皆为10dbm，单频接收与频率分集接收灵敏度对比如下表：
表：单频与频率分集的接收效果对比
433M和915M的双收发模式带来的频率分集增益，约为4db左右。
休眠状态时，32位处理器的电流为10-15uA，无线收发芯片电流2.5uA，以最大功率发送时，电流不超过30mA。
Claims (4)
1.一种具有频率分集功能的低功耗无线模块，包括：2块不同频段的射频收发芯片（1、2），用来完成目标频段的数据收发功能；2个功放芯片（9），用来完成希望达到的输出功率；2个50欧姆阻抗匹配天线的接口电路（10），用来完成与各种天线的匹配与连接；一个基于32位处理器内核的SOC芯片（3），用来控制无线收发芯片的动作和完成基带数据的处理，并且可以完成休眠唤醒等功耗管理的功能；模拟输入端子SMA（11），用来接入高质量的模拟信号；标准USB插槽（12），用来接入PC上位机端读取SD卡内容；Micro-SD卡插槽（13），用来插入Micro-SD卡存储接收数据。
2.该低功耗模块的特征在于，2块不同频段的射频传输芯片，同时发射相同的基带数据包，接收端对不同频段接收到的数据包副本进行CRC校验码的比对，互相补足，由于不同频段载波在同样传输环境下受到障碍物的衰减，反射等效果是不一样的，通过比较不同频率的接收副本，可以起到一个频率分集增益的效果。
3.根据权利要求1的32位处理器内核的SOC芯片，其特征在于，具有嵌入式多通道ADC（4），能够监控，采集，处理多路从SMA口输入的模拟信号；具备内嵌USB协议模块（5），能够把无线模块配置成上位机的USB从机，使得上位机可以直接读取无线模块存储器内容或者直接监控无线数据；具备UART通用异步串口逻辑（6），可以对32位处理器SOC进行编程和串口通信；具备内嵌SDIO接口逻辑模块（8），可以把接收到的数据写入Micro-SD卡；具备至少2个独立的SPI接口（7），可以同时控制2片无线收发芯片，完成频率分集功能。
4. 根据权利要求1的频率分集功能，其特征在于，具体实现方式如图6所示，接收同样的基带数据包，通过比较不同频率的接收副本，起到互补和纠错的功能，从而提高分集接收的增益。
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