CN111835382B - 一种基于Si446x集成射频芯片和R5F562N8单片机的跳频电台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Si446x集成射频芯片和R5F562N8单片机的跳频电台，本发明在结构上分为核心板和扩展板，二者通过贴片式接插件连接。核心板中采用单片机作为主控模块，完成调制解调、加密解密、生成跳频图案等功能；采用集成射频芯片作为射频模块的核心，完成跳频、解跳频、数模/模数转换、变频等功能；扩展板主要是电源电路和外设接口，完成电平转换和与其他设备的数据交换。跳频电台可通过上位机进行配置，修改跳频电台的中心频率、操作模式、串口波特率、空中速率、秘钥、电台的ID号等参数。本跳频电台可以根据自定协议实现定频通信和跳频通信，具有体积小、可扩展性强、灵活方便的优点。

Description

一种基于Si446x集成射频芯片和R5F562N8单片机的跳频电台

技术领域

本发明为一种基于Si446x集成射频芯片和R5F562N8单片机的跳频电台，属于无线通信领域，涉及跳频扩展频谱通信技术。跳频电台具有较强抗干扰性，广泛应用于军事领域，同时在民用方面应用越来越广泛。

背景技术

传统的无线数据传输电台，其仅仅在一个频点上进行数据的传输，当该频点受到外部环境的干扰时，会使数据传输出现失误，造成传输不稳定。并且随着无线通信的发展，频率之间的冲突越来越严重，因此传统的无线数据传输电台面临着抗干扰的问题。

跳频通信是一种双方在约定规律进行频率跳变的通信方式，与传统无线通信相比，跳频通信具有很强的抗截获、抗干扰能力。只要对方不清楚载频跳变的规律就很难截获通信内容，保证了无限通信的秘密性；同时，即使有部分的频点被干扰，跳频电台仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的数据通信，使电台具有较强的抗干扰性。无线跳频电台因其较强的抗干扰性和较好的保密性在军事领域和民用领域均得到了广泛的应用。

发明内容

本发明提供了一种基于Si446x集成射频芯片和R5F562N8单片机的跳频电台，能够实现数据的无线传输。该跳频电台的特点是体积小、抗干扰性强。除此之外，通信频率可以根据用户实际需要而改变，变化范围是200MHz～950MHz；输出功率变化范围100mW～1W；跳频带宽支持8MHz、16MHz、32MHz、64MHz等多种范围可选。

本发明讲述的是一种基于Si446x集成射频芯片和R5F562N8单片机的跳频电台，系统中相关模块之间连接关系及其功能如下：

1.一种基于Si446x集成射频芯片和R5F562N8单片机的跳频电台，由核心板和扩展板组成，二者通过贴片式接插件连接，其特征在于：

跳频电台的核心板有基带部分和射频部分，基带部分包括单片机模块(7)，射频部分包括射频芯片(10)、双向功率放大器模块(11)和低通滤波器(12)；核心板完成跳频电台的主要工作：包括跳频图案的生成、同步、加密、解密、纠错、跳频、解跳频、信号功率放大、滤波以及收发切换等功能，以实现数据的无线传输；

扩展板是跳频电台的接口板，包括RS-232转换模块(2)、I/O数据端口(4)、电源转换模块(3)、复位电路(5)、JATG下载端口(9)；扩展板的功能是：RS-232信号与TTL信号的转换、将12V直流电压转换为核心板和其它模块所需的电压、提供电台与其他设备的连接接口；

2.根据权利要求1所述的跳频电台，其特征在于：该跳频电台中双向功率放大模块(11)采用一种微带+电容的混合匹配方法，即在放大器输入和输出端口同时使用微带线和电容进行阻抗匹配；采用功率回退法来减少功率放大器的非线性失真，使功率放大器脱离饱和区，进入线性工作区；

3.根据权利要求1所述的跳频电台，其特征在于：跳频电台的跳频带宽和频率可变，通过修改射频集成芯片的配置，更改相应的寄存器，即可改变跳频带宽；

4.根据权利要求1所述的跳频电台，其特征在于：跳频电台可方便快速的对传输参数和工作模式进行修改：

跳频电台参数可以根据需要来定制，跳频电台和计算机通过串口连接，在计算机中使用串口调试助手修改跳频电台的串口波特率、空中速率、跳跃间隔、输出功率参数；在单片机中将计算机发出的指令进行解析，提取参数，然后根据指令修改寄存器，以完成配置功能；电台提供了对参数的记忆功能，即保证每次开机保持最近一次的配置。

本发明具有以下优点：

1.跳频电台的电路板采用模块化设计，整个系统按照功能和要求进行划分，并由上下两块电路板组成，通过贴片式接插件连接，不仅减小了跳频电台的面积，且便于独立进行调试和生产。

2.跳频电台的空中速率、跳跃间隔、输出功率可变。本发明中可通过在计算机直接在自定义的配置界面中修改对应的参数，灵活方便地的对跳频电台的串口波特率、空中速率、跳跃间隔、输出功率等参数进行修改。

3.跳频电台可以实现定频通信和快速跳频通信，同时也可实现点对点的数据通信和多个电台之间的数据通信，跳频通信提高了电台的抗干扰能力。

4.本发明设计的跳频电台体积小，可扩展性强，可在其硬件电路的基础上，通过提升硬件和软件的开发能力，实现更为复杂的功能。

附图说明：

图1跳频通信系统原理框图；

图2跳频电台总体结构框图；

图3双向功率放大器结构框图；

图4跳频电台参数配置流程图。

具体实施方式

跳频电台由扩展板和核心板两块电路板组成。下面参照附图具体说明跳频电台的实现方法。

图1所示为本跳频电台通信系统原理框图，系统工作模式为TDD半双工模式，本发明中，单片机负责跳频图案和同步部分，射频芯片则完成所有射频处理、发送和接收功能。在发送链路射频芯片通过频率合成器与信源信息进行调制，再经滤波和功率放大经天线发送；在接收链路射频芯片通过天线接收无线信号，经低噪放、滤波，再经混频得到中频信号，在同步系统的控制下对中频信号进行解调得到原始信号送至单片机处理。

跳频电台总体架构如图2所示，跳频电台分为核心板和扩展板两部分。核心板主要包括单片机主控模块和射频模块：主控模块包括单片机模块(7)、时钟电路(8)、JATG下载端口(9)，主控模块主要完成信号同步，信号的加密解密，寄存器的配置，为跳频系统提供跳频图案，解跳频、寄存器的配置，数模/模数转换等功能；射频模块包括射频芯片(10)、双向功率放大模块(11)和低通滤波器(12)，主要完成信号的变频、工作频段和输出功率的设置，数字信号的调制解调、信号功率放大、空中信号与电台信息的转换，天线(13)负责信号的发射和接收。

图2所示的跳频电台其核心板和扩展板之间通过传输稳定的贴片式接插件连接，并用4个螺钉固定。扩展板包括：RS232转换模块(2)、电源转换模块(3)、IO数据端口(4)、复位开关(5)，主要完成电平转换、串口信号的转换、与核心板和外围设备进行连接等功能。

图3是双向功率放大模块(11)的结构框图，该模块采用微带+电容的混合匹配方法进行阻抗匹配、采用功率回退法减少功率放大器的非线性失真。即在放大器输入和输出端口同时使用微带线和电容进行阻抗匹配。在ADS(Advanced Design System)中完成功放芯片的原理图设计，并对模型插入其S参数，利用Smith圆图设计阻抗匹配网络；把功率放大器的输入功率从1dB压缩点向后回退6-10个分贝，使功率放大器脱离饱和区，进入线性工作区。图3中射频前端输入的信号经定向耦合器(14)送往发射电路，经过功率放大器(19)，将放大信号传输至下一级；接收电路的功能主要是将接收到的电信号，经过低噪声放大器(18)放大输出后通过电子切换开关(17)，经定向耦合器(14)到射频前端进行信号处理；收发切换电路主要将射频前端发射时的耦合功率经过功率检测电路(15)之后输出线性直流电压，然后通过电平转换电路(16)转成控制电平以控制电子切换开关(17)的通断，实现收发切换。以此完成双向功率放大器的工作。

参照图2和图3，待发送的数据由计算机(1)通过串行数据端口送入RS232转换模块(2)，然后通过接插件(6)送往核心板中的单片机主控模块(3)进行调制、加密、上变频、功率放大和滤波等处理，并通过SPI串口送至射频芯片(10)中；射频芯片(10)根据主控模块提供的跳频图案进行跳频处理，同时完成上变频、数模转换等处理。电台处于发送状态时，电子切换开关(17)将射频芯片(10)通过功率放大器(19)与低通滤波器(12)相连，经过低通滤波器(12)滤除杂波后，信号即可通过天线(13)发射出去。

电台处于接收状态时，电子切换开关模块(17)将天线(13)通过低噪声放大器与射频芯片(10)相连接。接收到的信号经过低噪声放大器(18)进行功率放大，然后在射频芯片(10)中根据相应的跳频同步方案使接收电台完成解跳频，同时完成下变频，模数转换，解调等；而后通过SPI接口将数据传输至单片机电路，完成信号的解密纠错，恢复出原始数据；恢复出的信号即接收信号通过接插件送往扩展板进行进一步处理，处理后的接收信号，通过串口转换模块(2)转换成计算机(1)所需的串行数据，并在计算机(1)显示。至此完成整个发送和接收工作的过程。

跳频电台的带宽可通过射频芯片完成更改，通过修改程序中相应的寄存器即可修改带宽，程序中与跳频带宽对应的参数分别为RF_MODEM_CLKGEN_BAND_1和RF_FREQ_CONTROL_INTE_8，前者设置频段，后者设置具体频率速率和频偏，本设计中速率、频偏、带宽的更改是同时的，其中任何一个参数改变了，另外的参数也要随之改变。

本发明可以通过修改单片机的参数使跳频电台的跳频频率在任意区间范围内设置，具体设置范围需根据射频集成芯片的频率范围；本发明的跳频带宽可配置为8MHz、16MHz、32MHz等。上述过程中，通过单片机主控模块(7)与射频芯片(10)产生频率为16MHz的信号和频率值在440MHz～456MHz之间快速跳变的载波信号，双向功率放大器(11)的工作频段定制为400MHz～500MHz，即实现了跳频带宽是16MHz，跳频范围是440MHz～456MHz的跳频通信。

图4是跳频电台参数配置的流程图。首先电台的串口模块处于数据监听状态，监听串口接收的数据，当用户按下开始配置按钮后，上位机软件会向串口发送配置指令+++。电台通过串口收到“+++”进入配置模式，串口助手屏幕上显示“OK”，电台状态变为配置状态CONFIG；进入配置模式后，输入配置指令如“ats102＝1”，该指令是将串口波特率修改为115200(串口初始波特率是9600，本电台可以配置15个波特率，对应0-14个值)，在输入每一个字节后，单片机都会将接收的数据存入set_data[]数组中，直到点击回车以后，串口助手屏幕上显示“OK”；之后进入config_process()函数中，该函数包括所有的参数设置，识别set_data[]数组中的字符，则修改相应功能的底层参数；通过串口助手输入配置指令“at&w”，再将参数写入内存，点击回车以后，串口助手屏幕上显示“OK”，则将新参数写入内存，以便下次开机时候调用；输入指令“ata”，点击回车退出配置模式，串口助手屏幕上显示“OK”，状态变为空闲低功耗状态(IDLE)。完成配置后，用户按下结束配置按钮，上位机软件则通过串口向电台发指令，电台监听到指令后退出配置进入通信状态。如果收到的不是连续的三个“+”，则说明串口接收到的是普通数据，则写入队列并送入射频模块准备发送。本发明中扩展了跳频电台可配置功能，使得非技术人员也能够针对不同应用环境，进行不同参数的修改和配置。

整个电台需要外部12V直流供电，通过扩展板的电源转换模块3，将12V电平转换为5V、3.3V供给各个模块正常工作。

本发明特点是体积小，可扩展性强。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (3)

1.一种基于Si446x集成射频芯片和R5F562N8单片机的跳频电台，由核心板和扩展板组成，二者通过贴片式接插件连接，其特征在于：

跳频电台的核心板有基带部分和射频部分，基带部分包括单片机模块(7)，射频部分包括射频芯片(10)、双向功率放大器模块(11)和低通滤波器(12)；单片机模块和射频芯片之间通过SPI接口进行数据和控制命令的传输、以及寄存器的配置，在此基础上采用FIFO模式进行数据处理；核心板完成跳频电台的主要工作：包括跳频图案的生成、同步、加密、解密、纠错、跳频、解跳频、信号功率放大、滤波以及收发切换等功能，以实现数据的无线传输；

扩展板是跳频电台的接口板，包括RS-232转换模块(2)、I/O数据端口(4)、电源转换模块(3)、复位电路(5)、JATG下载端口(9)；扩展板的功能是：RS-232信号与TTL信号的转换、将12V直流电压转换为核心板和其它模块所需的电压、提供电台与其他设备的连接接口；

跳频电台中双向功率放大器模块(11)采用一种微带+电容的混合匹配方法，即在放大器输入和输出端口同时使用微带线和电容进行阻抗匹配；采用功率回退法来减少功率放大器的非线性失真，使功率放大器脱离饱和区，进入线性工作区。

2.根据权利要求1所述的跳频电台，其特征在于：该跳频电台的跳频带宽和频率可变，通过修改射频集成芯片的配置，更改相应的寄存器，即可改变跳频带宽和频率。

3.根据权利要求1所述的跳频电台，其特征在于：该跳频电台可方便快速的对传输参数和工作模式进行修改：

跳频电台参数可以根据需要来定制，跳频电台和计算机通过串口连接，在计算机中使用串口调试助手修改跳频电台的串口波特率、空中速率、跳跃间隔、输出功率参数；在单片机中将计算机发出的指令进行解析，提取参数，然后根据指令修改寄存器，以完成配置功能；电台提供了对参数的记忆功能，即保证每次开机保持最近一次的配置。

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