CN104868928A - 一种基于wia-pa协议的选频装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于WIA-PA协议的选频装置，包括顺序连接的双路锁相环单元、MCU和射频窄带滤波放大单元，双路锁相环单元与连有天线、调制解调器的射频窄带滤波放大单元连接。选频方法包括当MCU接收到上位机的切换命令，配置双路锁相环单元并输出第一本振和第二本振；调制解调器发出接收触发信号后，控制第一、第二射频开关切换到接收链路，接通接收链路的供电；射频窄带滤波放大单元将接收到的射频信号进行低噪声放大，通过第一级混频，产生中频信号并进行滤波放大后，通过第二级混频恢复成射频信号，放大后通过第二射频开关将射频信号输出。本发明通过增加接收链路的中频滤波能够有效的滤除WLAN信号的干扰，提高设备接收灵敏度，增加传输距离。

Description

一种基于WIA-PA协议的选频装置和方法

技术领域

本发明属工业物联网领域，具体地说是一种应用于工业控制系统中的WIA-PA抗干扰装置和方法。

背景技术

WIA-PA工业无线网络应用2.4GHz自由免费频段，在2.4GHz自由频段中存在WLAN、蓝牙设备等，使WIA-PA无线设备受到严重的干扰，尤其是WLAN干扰最为严重，目前三大运营商已经将WLAN进行规模商用，为了保证下载速度，必须保证信号强度，目前室外WLAN基站射频发射功率一般为2W，另外私有的无线路由、井口监控无线摄像头对WIA-PA的干扰也不可忽略，造成WIA-PA设备的接收灵敏度下降，数据传输不稳定。

发明内容

本发明目的是克服对现有WIA-PA接收芯片抗干扰能力的不足之处，解决与2.4GHz自由频段其它网络共存问题的装置和方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于WIA-PA协议的选频装置，包括顺序连接的双路锁相环单元、MCU和射频窄带滤波放大单元；双路锁相环单元与连有天线、调制解调器的射频窄带滤波放大单元连接。

所述双路锁相环单元包括：基准源的一个输出端通过依次连接的第一跟踪芯片、第三射频开关、第四射频放大器与第五射频开关连接；基准源的另一个输出端通过依次连接的第二跟踪芯片、第四射频开关、第五射频放大器与第五射频开关连接；第五射频开关的输出端口与功分器输入端口连接，功分器的两个输出端口均与射频窄带滤波放大单元连接；上述三个射频开关的负载口均通过负载接地；上述射频开关与跟踪芯片均与MCU连接。

所述射频窄带滤波放大单元包括依次连接的发射链路、第一射频开关、接收链路和第二射频开关并形成环路；所述发射链路包括第三射频放大器；所述接收链路包括顺序连接的低噪声放大器、第一混频器、中频声表滤波器、第一射频放大器、第二混频器、第二射频放大器；第一混频器、第二混频器的本振输入接口分别与功分器的两路输出端口连接；第一射频开关的两个射频接口分别与第三射频放大器输出端、低噪声放大器输入端连接，其输入口连有天线；第二射频开关的两个射频接口分别与第二射频放大器输出端、第三射频放大器输入端连接，其输出接口连有调制解调器；第一射频开关与第二射频开关的控制端均与调制解调器的控制端口连接。

所述低噪声放大器、第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器的电源端均通过电源开关与电源连接，电源开关的控制端与调制解调器连接。

一种基于WIA-PA协议的选频方法，包括以下步骤：

当MCU接收到上位机的切换命令，配置双路锁相环单元使其输出第一本振和第二本振；

调制解调器发出接收触发信号，控制第一、第二射频开关切换到接收链路，接通接收链路的供电；射频窄带滤波放大单元将通过天线接收到的射频信号进行低噪声放大，然后通过第一混频器与第一本振进行混频，产生中频信号并进行滤波放大后，通过第二混频器与第二本振混频恢复成天线接收到的射频信号，进行功率放大后通过第二射频开关将射频信号输出给调制解调器。

所述配置双路锁相环单元使其输出第一本振和第二本振包括以下步骤：

MCU接收到上位机的切换命令后启动内部计数器；定时时间结束时，则接通未工作的跟踪芯片电源，配置该芯片内部寄存器，并在定时器到达设定值时关闭另一个跟踪芯片的电源，将与其连接的射频开关切换到负载端；

然后将配置完成的跟踪芯片连接的射频开关切换到射频端，并将第五射频开关切换到该跟踪芯片，使跟踪芯片输出的射频信号通过功分器输出第一本振与第二本振。

所述第一本振与第二本振的频率范围为2545MHz～2625MHz。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明通过增加接收链路的中频声表滤波能够有效的滤除WLAN等2.4GHz自由频段的干扰信号，提高接收数据灵敏度，增加传输距离；

2.本发明通过双路锁相环的硬件装置，实现了伪随机序列跳频，能够有效的避免干扰。

3.本发明在接收端进行射频放大20dB，提高接收灵敏度；

4.发射链路进行射频放大，使发射功率达到22dBm，增加覆盖距离；

附图说明

图1为本发明的装置的结构框图；

图2为本发明的射频窄带滤波放大单元结构框图；

图3为电源开关电路框图；

图4为低本振频谱示意图；

图5为高本振频谱示意图；

图6为WIA-PA时隙图；

图7为双路锁相环图；

图8为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明主要有4部分组成，分别是电源，射频窄带滤波放大单元，MCU和双路锁相环单元；其中电源主要是给其它单个单元进行供电，MCU主要功能是配置贴片频踪芯片移位寄存器和第三、第四、第五射频开关，达到输出所需本振的目的；调制解调器提供接收与发射链路射频放大器的电源控制与第一、第二射频开关的控制。本发明主要阐述说明射频窄带滤波单元与双路锁相环单元。

如图2所示，在射频窄带滤波放大单元接收链路接收到空间的WIA-PA信号，由于WIA-PA为TDMA时分系统，通过第一射频开关进行切换，经第一射频开关输出进行低噪声放大，保证整个系统接收信号的噪声系数，然后将射频信号（频率为2405MHz～2485MHz）输入到用于第一级混频的HMC574混频器的RF管脚，与双路锁相环产生的第一本振进行混频，从而产生140MHz中频；从而便于滤波处理；中频信号经过C·TECH厂家型号为352213的中频声表滤波器，滤除WIA-PA信道外的干扰信号，其中52213芯片的中心频点为140MHz，带宽为3MHz，能够保证有用信道外的抑制达到50dBc。中频滤波后进行第一级射频功率放大，放大后的中频信号接到用于第二级混频的HMC574的中频输入端，与第二本振混频恢复成射频信号（频率为2405MHz～2485MHz），由于中频声表滤波器与两级混频器对信号衰减较大，需要应用第二级射频放大器2进行功率放大，放大后通过射频开关2将射频信号输出，实现接收端窄带滤波功能。

如图3所示，调制解调器输出两路触发信号IO1和IO2分别与接收链路与发射链路的电源开关芯片IRF7416的控制脚相连，当IO1或IO2为低电平时，电源开关打开，分别给接收链路或发射链路供电；同时IO1与IO2对第一射频开关与第二射频开关进行控制；当IO1为低电平、IO2为高电平时切换到接收链路，同时接收链路的电源打开，切换到接收链路工作；当IO1为高电平、IO2为低电平时切换到接收链路，同时发射链路的电源打开，切换到发射链路工作；其中，与电源开关芯片连接的为发射链路中的低噪声放大器、第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器。

本振的选择：对于中频的选择可以应用高本振与低本振；

如果选择低本振，假使WIA-PA输入信号频率为2475MHz，本振频率为2335MHz，幅度约为2dBm；本振与射频的隔离大约为25dB；落入射频的信号强度约为-23dBm，此时-23dBm就会与WLAN1号频点（2412MHz）产生的互调三阶互调正好落入2475MHz频段内，增加了WIA-PA工作信道内的底噪声，从而降低了WIA-PA的接收灵敏度；故不选择低本振；如图4所示。

选择高本振，在极限条件下选择WIA-PA11号频点（2405MHz），本振为2545MHz，改本振与WLAN信号的混频均落在WIA-PA工作频带外，不影响WIA-PA信道内的信噪比，不影响WIA-PA的接收灵敏度。所以本设计采用高本振。如图5所示。

中频声表滤波器设计：

中频滤波选择中心频点为140MHz，带宽为3MHz，抑制为50dBc抑制中频声表，该方案能够有效的抑制WIA-PA带外的抑制，能够很好的抑制带外其它信号的干扰，避免其带内干扰；

如图6所示的WIA-PA的时隙格式，其中晶振与电源准备时间为3.90625ms，要求锁相环锁定完成要小于该时间,否则会产生数据丢失，为了满足WIA-PA时隙要求本设计采用双路锁相环设计，这样能够保证在下一个时隙开始之前本振选择已经完成，保证数据的完整性传输。

本次设计选用国家半导体的LMX25312270贴片频踪，其理论锁定时间为4ms不能满足设计要求。本发明采用双路锁相环切换电路，满锁定时间的要求。

如图7所示，发明过程如下：基准源输出12.8MHz的正弦波，输出后分为两路，分别接到LMX2531的OSCin引脚作为跟踪芯片的基准输入。通过MCU配置LMX2531的移位寄存器设置贴片频踪的射频信号输出2545MHz∽2625MHz的频率，为了避免未工作的LMX2531输出的射频信号泄露到输出端，将LMX2531后面增加射频开关，当未工作时射频开关切换到负载端，负载直接将射频信号吸收；由于混频器本振输入需要2～6dBm的信号强度，需要将射频开关3、4输出的射频信号进行放大。应用MCU控制第三、四、五射频开关进行切换。

如图8所示，在每个WIA-PA时隙开始后，MCU通过RS232接收到上位机下发的切换命令，解析出当前使用的信道号、将要切换到的信道号以及切换时间，启动计数器。这样能够保证在数据传输时，物理信道已经转换完成。计数器设置为切换时间减去8ms，MCU判断是否切换到跟踪芯片1，如果切换到跟踪芯片1，则打开跟踪芯片1的电源，MCU对跟踪芯片1进行配置；当定时器时间即切换时间结束时，关闭跟踪芯片2的电源，并将第四射频开关切换到负载端；MCU将第三射频开关切换到射频端，并将第五射频开关切换到跟踪芯片1的射频方向；当MCU判断切换到跟踪芯片2，则接通跟踪芯片2的电源，MCU对跟踪芯片2进行配置，当定时器时间即切换时间结束时，关闭跟踪器1的电源，并将第三射频开关切换到负载端，MCU将第四射频开关切换到射频端，并将第五射频开关切换到跟踪芯片2的射频方向。

表一为增加选频功能后WIA-PA无线模块传输距离的改善实测数据，其中在WLAN干扰信号的幅度为-25dBm～-40dbm的情况下改善效果明显，可以得出增加选频模块能够有效的改善WIA-PA无线通信模块的接收灵敏度，进而增加数据传输距离，有效增大WIA-PA网络覆盖范围。

表格1选频模块改善传输距离

WLAN干扰幅度	未加选频传输距离	增加选频传输距离	改善距离
				-40	642.2	170.1	472.1
-35	203.1	109.3	93.8
				-30	76.7	20.3	56.4
-25	24.2	7.7	16.5

Claims (7)

1.一种基于WIA-PA协议的选频装置，其特征在于包括顺序连接的双路锁相环单元、MCU和射频窄带滤波放大单元；双路锁相环单元与连有天线、调制解调器的射频窄带滤波放大单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于WIA-PA协议的选频装置，其特征在于所述双路锁相环单元包括：基准源的一个输出端通过依次连接的第一跟踪芯片、第三射频开关、第四射频放大器与第五射频开关连接；基准源的另一个输出端通过依次连接的第二跟踪芯片、第四射频开关、第五射频放大器与第五射频开关连接；第五射频开关的输出端口与功分器输入端口连接，功分器的两个输出端口均与射频窄带滤波放大单元连接；上述三个射频开关的负载口均通过负载接地；上述射频开关与跟踪芯片均与MCU连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于WIA-PA协议的选频装置，其特征在于所述射频窄带滤波放大单元包括依次连接的发射链路、第一射频开关、接收链路和第二射频开关并形成环路；所述发射链路包括第三射频放大器；所述接收链路包括顺序连接的低噪声放大器、第一混频器、中频声表滤波器、第一射频放大器、第二混频器、第二射频放大器；第一混频器、第二混频器的本振输入接口分别与功分器的两路输出端口连接；第一射频开关的两个射频接口分别与第三射频放大器输出端、低噪声放大器输入端连接，其输入口连有天线；第二射频开关的两个射频接口分别与第二射频放大器输出端、第三射频放大器输入端连接，其输出接口连有调制解调器；第一射频开关与第二射频开关的控制端均与调制解调器的控制端口连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于WIA-PA协议的选频装置，其特征在于所述低噪声放大器、第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器的电源端均通过电源开关与电源连接，电源开关的控制端与调制解调器连接。

5.一种基于WIA-PA协议的选频方法，其特征在于包括以下步骤：

当MCU接收到上位机的切换命令，配置双路锁相环单元使其输出第一本振和第二本振；

调制解调器发出接收触发信号，控制第一、第二射频开关切换到接收链路，接通接收链路的供电；射频窄带滤波放大单元将通过天线接收到的射频信号进行低噪声放大，然后通过第一混频器与第一本振进行混频，产生中频信号并进行滤波放大后，通过第二混频器与第二本振混频恢复成天线接收到的射频信号，进行功率放大后通过第二射频开关将射频信号输出给调制解调器。

6.根据权利要求5所述的一种基于WIA-PA协议的选频方法，其特征在于：所述配置双路锁相环单元使其输出第一本振和第二本振包括以下步骤：

MCU接收到上位机的切换命令后启动内部计数器；定时时间结束时，则接通未工作的跟踪芯片电源，配置该芯片内部寄存器，并在定时器到达设定值时关闭另一个跟踪芯片的电源，将与其连接的射频开关切换到负载端；

然后将配置完成的跟踪芯片连接的射频开关切换到射频端，并将第五射频开关切换到该跟踪芯片，使跟踪芯片输出的射频信号通过功分器输出第一本振与第二本振。

7.根据权利要求5所述的一种基于WIA-PA协议的选频方法，其特征在于：所述第一本振与第二本振的频率范围为2545MHz～2625MHz。