基于FSK调制方式的2.4GHz无线Mesh网卡的设计与实现

罗耀荣，黄建青，林凡

（广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）

1 引言

随着无线网络技术的发展日新月异，新的无线网络架构和技术被不断提出[1]。近年出现一种无线Mesh网络（无线网状网络）[2]可以有效增加无线通信网络的覆盖范围，减少节点之间的布线需求。该网络不仅具有分布式网络所提供的冗余机制特点，还有重新路由的功能。网络中的任意节点既可以实现信号的发送和接收，还可以与一个或者多个节点进行直接通信。这种通信架构有利于当相邻较近的无线节点由于数据流量过大而出现数据拥塞时，数据流量过大的节点可以自动重新连接到附近通信数据流量较小的节点进行传输，有利于在网络高峰时降低网络数据的传输压力。本文主要从硬件角度介绍FSK（Frequency-Shift Keying，频移键控）调制方式的无线Mesh网卡的硬件设计与实现。FSK是经ITU（国际电信联盟）标准化的一种重要数字调制方式[3]，具有抗干扰性强的特点。本设计无线Mesh网卡具有对调制信号零中频响应、结构简单、适用性高、频率响应快等优点。

2 硬件设计与实现

2.1 总体设计架构

无线Mesh网卡主要由中央处理单元[4]（EP2C5F256 C8N）、接口单元（FT8U232BM）、电源管理单元、射频单元及外围接口芯片等组成。其中，射频单元主要由2.4GHz信号处理器分单元（RF6505）、射频开关分单元（RF1236）、2.4GHz的FSK收发器分单元（ML2730）等组成。本设计总体硬件框图如图1所示：

图1 总体硬件框图

射频信号由天线进入，在射频频段接收范围内经过射频滤波器连接到射频开关，通过射频开关将射频信号输入到FSK收发器中转换成中频信号，为了维持信号的中频输出电平恒定，内部中频AGC（Automatic Gain Controller，自动增益控制器）可以提供足够的增益控制。然后对该中频信号进行处理解调出数字信号，将数字信号输入到中央处理单元的主存储器中缓存数据给处理器进行处理，处理后的数据再通过USB接口传输到电脑端上完成接收功能。电脑端通过USB接口将发送的数据通过中央处理单元处理，将数字信号输出给FSK收发器芯片ML2730，在FSK收发器芯片ML2730内的合成子系统中控制信号合成转换成射频信号后，通过射频开关和信号处理器再由天线完成发射功能。

2.2 硬件单元设计

（1）中央处理单元

本设计选择使用Altera公司的Cyclone® II系列FPGA EP2C5F256C8N作为主控芯片。中央处理单元设计由DMA控制模块、Mesh网络路由协议处理模块[5]、基带数据处理模块、数据传输模块、数据加密模块、参数配置模块和异步串行通信模块等组成。中央处理单元主要是对数据包进行Mesh网络路由协议的处理并控制射频前端的基带处理芯片（ML2730）和USB接口芯片，同时也可利用存储器进行数据缓存；中央处理单元通过一个三线式串行接口编程ML2730作为配置寄存器控制模块运行；另一端通过UART接口对USB芯片与电脑端的数据进行交互。通过这种设计可以充分发挥FPGA的优点，完成Mesh网络路由协议算法处理及完美实现系统的逻辑功能。

（2）接口单元

本网卡设计采用的FT8U232BM是一款单芯片USB转UART（通用异步收发传输器）数据转换器，符合USB规范2.0的要求，内置USB收发器。接口设计采用FT8U232BM芯片主要是因为它传输速度快[6]、占用资源少以及真正意义上的即插即用。应用接口芯片FT8U232BM设计的无线Mesh网卡一方面可自动从电脑端接收USB数据并将其转换成UART信息格式发送给中央处理单元；另一方面可自动从中央处理单元接收UART数据格式转换为USB数据格式传送给电脑。事实证明，数据信号由电脑端传到网卡端及网卡端传到电脑端产生的EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）和RFI（Radio Frequency Interference，射频干扰）较大，如不采取相应的措施，很容易给后级接收和发送带来串扰。在解决EMI和RFI问题时，最常使用到的滤波器都是属于低通滤波[7]。其中，π型滤波器（π-Model Filter）[8]是最有效率的滤波装置，设计USB接口的电源端采用π型滤波器来减少电脑端和网卡设备的EMI和RFI，同时增加去耦电容和旁路电容，以提高电路的抗干扰性能。

（3）电源单元

本设计网卡主电源由外设USB接口提供，电源规划框图如图2所示。

图2 网卡电源规划框图

主电源输入经过电源稳压单元后输出3.3V电压，分别提供给电源稳压单元2和电源升压单元；电源稳压单元2输出三组电源，分别是1.2V、1.8V、2.5V提供给中央处理单元工作；电源升压单元输出4.0V的电压供射频前端信号处理芯片。

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（4）射频单元

射频单元框图如图3所示：

图3 射频单元框图

本网卡射频单元主要包括天线端口、2.4GHz信号处理器分单元、射频开关分单元、2.4GHz的FSK收发器分单元。其中，2.4GHz的FSK收发器分单元ML2730和2.4GHz信号处理器分单元RF6505由中央处理单元控制器编程控制配置参数，射频单元主要对信号进行数据发送与接收这2个方面的处理。

当信号处理器分单元RF 6505为接收模式时，RF6505将接收到的2.4GHz信号送到LNA（Low Noise Amplifier，低噪声放大器）进行放大，再将放大处理完的信号通过射频开关分单元（RF1236）送入到ML2730进行进一步的解调。射频信号通过差分低噪声放大器的第一混频器将2.4GHz信号下变频成中频0.8GHz的信号，然后镜像抑制混频器将该中频信号下降到低中频。经ML2730芯片内部中频滤波，信号放大后解调出中频信号，其数据速率的设计值不小于2.048Mbps。

当信号处理器分单元RF6505为发射模式时，由中央处理单元提供给ML2730经过初步调制的基带信号，ML2730先对基带信号进行脉冲整形，在同步子系统中[9]，对整形后的信号进行信号同步及处理，处理后的信号进入上变频混频器进行混频（该载波信号由ML2730提供的原始频率信号经过锁相环、压控振荡器以及相交处理后，成为频率为2.4GMHz的载波分别与基带信号混频）。然后信号经过内置功率放大器输出；发射信号由射频开关分单元（RF1236）输入到2.4GHz信号处理器分单元（RF6505），2.4GHz信号处理器分单元（RF6505）对发射信号功率放大及谐波滤波，经天线端口发射出去。设计指标不小于27dBm。

2.4GHz前端模块（RF6505）电路如图4所示，前端模块整合传输路径中的PA（Power Amplifier，功率放大器）加上谐波滤波器与接收路径中带有旁路模式的LNA。

图4 2.4GHz前端模块（RF6505）电路

其中，t为铜箔厚度；h为板子厚度1.2mm；εr为板间介电常数，2.4GHz频段板间介电常数约为4.6。

2.4GHz FSK收发器（ML2730）电路如图5所示，ML2730模块整合了PA和LNA，实现单晶片全整合式FSK收发器。通过在单一晶片中整合PA和LNA，以更高的灵敏度和输出功率完成无线连接功能，同时缩减成本和电路板尺寸。

图5 2.4GHz FSK收发器（ML2730）电路

3 射频关键指标测试

3.1 发射功率测试

按图6所示连接测试无线Mesh网卡的输出功率，并从频谱仪中可读取测试数值，其测试结果如表1所示。通过表1中的实测数据可知，发射功率输出大于27dBm。

图6 发射功率测试连接框图

表1 发射功率测试结果

3.2 接收灵敏度测试

本网卡接收灵敏度设计值为-92dBm，在电脑端使用专用的测试软件，按图7所示连接，在发送端通过标准信号发生器发送数据包，接收端（电脑端）通过专用测试软件可以看到的ber为误码率，本网卡的误码率标准为1/1000。在测试时通过调节衰减器，使接收端误码率值为小于1/1000，这个数值就是系统的接收灵敏度。

图7 接收灵敏度测试连接框图

实际测试结果见表2，接收灵敏度的实际测试值优于-92dBm，完全达到设计要求。进行测试时，因本方案的设计特性对噪声的有效抑制及系统指标的优越，在同等路由算法协议的条件下，端到端的时延有明显降低。

表2 接收灵敏度测试结果

4 结束语

本文结合ML2730、RF6505、EP2C5F256C8N、FT8U232BM等芯片设计的无线Mesh网卡能够在系统上正常运行，通过引入虚拟网络通信层，在相邻多个节点间可以实现多跳的数据传输，实现了点对多点的网络通信传输。本设计对系统的射频指标有较大的改进，在同等条件下通信质量优于同类设备。通过实际测试相关的射频关键指标符合设计要求，有效地降低端到端的时延。本设计方案（无线Mesh网卡）可广泛应用于公共安全、反恐防暴、抢险救灾、社会管理等多个场景，随时随地快速构建专用应急通信网络，保障重要信息的及时、准确、畅通传输。

[1] 孙德东. 一种安全的无线Mesh网络快速切换协议MESH-FT的设计与实现[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2011.

[2] 宋杰. 基于无线mesh网络的安全路由协议分析[J]. 网友世界, 2013(23): 65-66.

[3] 胡泽文. 基于FPGA的FSK数字调制系统设计[D]. 成都: 电子科技大学, 2011.

[4] 王俊,吕俊,杨宁. 一种机载设备的中央处理单元模块的设计与实现[J]. 电子技术, 2014(7): 46-47.

[5] 杨海涛. 基于Linux平台实现无线Mesh网络路由协议研究[D]. 广州: 中山大学, 2009.

[6] 蔡江洪,史小军,朱为,等. 利用FT245BM实现FPGA与PC机的USB通讯[J]. 电子器件, 2005(1): 132-134.

[7] 张金玲. 电磁干扰低通滤波器的设计[J]. 中国科技信息, 2008(20): 162-164.

[8] 杨沛骐,李强,潘腾. π型电源滤波电路浅议[J]. 通信与广播电视, 2002(3): 39-42.

[9] 程少红. 基于SDH传输网的数据同步子系统的设计与实现[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2011.

[10] 黄振兴. 微波传输线及其电路[M]. 成都: 电子科技大学出版社, 2010.★