基于单片机的简易软件无线电FSK的程序设计和电路设计

张更民 高云 王云隆

摘要：现代微控制器（MCU）内部资源丰富，工作速度快，例如STM32F103系列单片机有11个内部定时器，工作时钟可达72 MHz或更高，只有1-2美元的低价。在许多低速、近距离的无线应用环境中，我们倾向于使用软件无线电而不是无线通信硬件来实现通信。一种更自由、方便和经济的方式，特别适用于ASK和FSK通信方式。

关键词：微控制单元（MCU）;软件无线电;振幅移位键控（ASK）;频移键控（FSK）

现代手持设备的一般尺寸为3-10厘米，蓝宝石和大多数无线网络的工作频率在2.4GHz左右。从公式λ=C/f我们可以看到波长接近12.5cm。根据等效天线的原理l=1/4λ，大多数设备的天线尺寸约为3cm。这也就是说，它可以很容易地固定在手持设备的外壳中。因此，近几年来，这种频率的射频器件得到了迅速的发展，并在市场上得到了广泛的应用，其次是相应的通信模块。另一方面，额外的通信模块不可避免地会增加硬件成本和设备功耗，外部固定的模块不能满足改变通信环境和通信质量的灵活要求。相反，现代MCU具有计算速度快、工作时钟频率高、内部资源相对丰富等优点，使其可以完成具有较高的计算速度、高工作时钟频率和相对丰富的内部资源的简单的软件RADI 修改后的任务。这就是为什么我们做这个实验的原因。

1.由丰富的内部定时器和高速IO支持的STM32F103的软件无线电优势

在2001年STM32F103是一种以ARM的Crotex-M3为核心的32位单片机。基本配置包括ADC的常规接口、多级中断处理、I2C、UART、CAN总线等。最吸引人的设计是它众多的定时器。有3个一般16位定时器，其中一个用于PWM控制，另两个定时器是看门狗定时器，尽管在许多应用情况下，我们实际上不使用它们中的每一个。此外，还包括24位自还原计数器。引脚周转率高达50 MHz，接近射频.由单片机软件无线电控制的输出波形为方波，其傅里叶级数包含有效的高阶谐波频率。假设我们使用7次或13次谐波作为有效载波频率，然后，从公式λ=C/f我们可以获得85.71cm或46.2cm的波长，有效的天线长度为21.4cm或11.5cm，这保证了我们可以直接连接IO接口和微带PCB天线。从而大大简化了射频通信电路，大大降低了成本。

2.标准ASK/FSK信号与单片机产生信号在时域和频域上的差异

ASK是一种振幅键控调制方式，在时域上，它可以看作是存在或不存在的正弦振荡信号，对应于无线信号“1”和“0”。但单片机不产生正弦信号，而是产生正方形信号，也对应于“1”和“0”。如上所述，方波信号包含高次谐波频率，接收机接收不同谐波频率的标准ASK信号的组合。我们可以看到，在时域，引脚的输出仍然是问号信号：振荡的存在或不存在表示‘1和‘0。同时，振动的实现变得更加容易，只需检测方波的存在。对于FSK，唯一的区别是符号变化时方波输出频率的变化。首先，单片机内部定时器产生方波，然后根据所需频率进行信号传输的软件控制。如果通过低速单片机开关将输出信号简单地连接到不同频率的振荡器上，就会产生问题。外部振荡器在振荡开始和结束时存在时间延迟，时间延迟长度不确定，导致符号宽度‘1和‘0不同。同时，由于时间延迟，在符号切换时，波形的相位不能连续变化，从而导致波形失真，产生额外的频率分量。相位的两倍微分是频率的变化率，这意味着相位的不连续性会带来很大的频率变化，这将给我们带来很大的麻烦。滤波电路设计和后端天线设计的可行性。

3.软件设计思想

在功率谱分析中，为了简化前向滤波电路和天线设计，必须大大集中输出信号的功率。这要求输出信号在时域上接近具有相对稳定频率的周期信号。另一方面，这类信号的信息量相对较小。为了解决这一矛盾，我们必须在交换载波时进行编程上的调整。

4.基本电路设计

作为近场通信实验，我们选择了一种相对简单的环形天线与电容器并行的方案，因为它经常用于RFID环境中。在我们连接到PCB板之后，可以调节电容并联固定。一个高速开关晶体管连接到单片机的IO端，以增加流向天线的电流。在接收机上，设计了一个类似的天线来完成频率选择，然后通过高频三极管放大、开关二极管检测和比较器塑料放大倍数，可产生标准电平的信号。当信号被发送到MCU时，完成了软件无线电数字通信的基本通信系统。在该电路中，天线设计和频率选择/识别模块可以同时完成。

5.单片机产生的波形特征

单片机管脚信号的高低，即三极管工作在高频开关状态，方波在天线上流动。如果软件无线电FSK中符号“1/0”的载波频率彼此接近，相邻的符号可以通过高电平或低电平连接，相位将是连续的，谐振频率点将相当接近。因此，信号的频谱带宽很窄，很容易在环形天线和并联可调电容形成的电感上进行调谐。

6.概要

在實际制作通信验证电路后，进行了以下实验。参数如下：FSK的载波频率为1.1MHz/1.05MHz，对应于“1”/“0”。我们用30圈的天线和0.8mm的漆线代替PCB板天线。在光谱计的调谐校准中，需要并联的可调电容。数字信号的传输距离为1.5m，传输速率为19200 bps。效果好，符号错误率小于5%。结果表明，前文讨论过的近场低速通信效果较好。原因包括两个方面：首先，“0”/“1”的频率是相近的。第二，采用软件无线电开关振荡后，载波的相位是连续的。因此，产生了一种新的频谱分量，使得频率选择电路和天线的设计实现了简单的设计。

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作者简介：张更民（1999-）男，汉族，河北保定人，本科。