（通信与信息系统专业论文）短距离无线接入技术的研究与实现.pdf

颂u | j 论文 短距离无线接入技术的硼究与实现 摘要 用无线电或者红外线代替传统的电缆，实现个人信息终端的智能化互连，组建个 人化的办公或者家用信息网络是当今的热门技术。无线接入技术应用于家庭和办公室 内，实现数据通信、语音通信、办公设备的互连以及i n t e r n e t 接入等功能。 本文首先分析了两种主要的无线接入技术蓝牙和i e e e 8 0 2 1 l ，比较了它们的优 势与不足，然后提出了一种性价比较高的方案并且进行了具体电路的设计与实现。 本系统由物理层和数据链路层组成，物理层采用工作在2 ，4 0 h zi s m 频段的 r f w a v e s 公司的r f w l 0 2 芯片集，它采用直接扩频技术( d s s s ) ，调制方式为a s k 。 2 4 g h z i s m 频段无线电波传输理论和扩频技术的特点文中进行了比较详细的分析。 随后本文给出了物理层的电路原理图和p c b 图，介绍了相关芯片的工作原理。 数据链路层解决了数据传输中的协调工作，实现了线路规程、流量控制和差错控 制三大功能。本文分析了数据链路层上述三种功能的实现原理。在具体实现方面，本 系统采用了r f w a v e s 公司的r f w d 1 0 0 数据链路层接口芯片，论文介绍了这种芯片的 工作原理，给出了电路实现的原理框图和单片机控制程序流程。 r f w d 1 0 0 支持无线组网的关键技术c s m a ( 载波侦听多路访问) ，论文分析了c s m a 协议的原理，介绍了r f w d i 0 0 对c s m a 协议的支持。c s m a 协议主要由软件编程实现， 论文尝试给出了c s 姒实现的主要流程。 关键字：无线接入物理层数据链路层c s m a 协议 颂1 | j 论文 短距离无线接入技术的硼究与实现 a b s t r a c t w eu s ew i r e l e s so ri n f r , t r e di n s t e a do f t h et r a d i t i o nc a b l e ，a c h i e v em t e l l i g e n t i z eo f t h e p e r s o n a li n f o r m a t i o nt e r m i n a la n db u i l dt h ep e r s o n a lw o r k o rf a m i l yi n f o r m a t i o nn e t w o r k h i st h ef a s h i o n a b l et e c h n i q u en o w w i r e l e s sa c c e s st e c h n i q u ei su s e di nf a m i l ya n do f f i c e ； a c h i e v ed a t a t r a f f i c ，v o i c et r a f f i c ，o f f i c i a le q u i p m e n t ，i n t e m e ta c c e s sa n ds oo n f i r s t , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st w om a i nw i r e l e s s a c c a 镕s t e c h n i q u e s ：b l u e t o o t ha n d i e e e 8 0 2 11 ，a n a l y s e st h e i ra d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e t h e n ，w eb r i n gf o r w a r dac h e a p a n dh i g h q u a l i t yp r o j e c t a n d d e s i g n t h ec i r c u i t t h i ss y s t e mi sc o m p o s e dw i t h p h y s i c a ll a y e ra n d d a t al i n kl a y e r i np h y s i c a ll a y e rw e u s er f w l 0 2w h i c hw o r ka t2 4 g s mb a n d i ti sm a d e b yr f w a v e sc o m p a n y i ta d o p t d i r e c t l ys p r e a ds p e c t r a r na n d i t sm o d u l a t i o nm o d ei sa s k t h ea r t i c l ea n a l y s e st h e2 4 g i s mb a n dr a d i ow a r et r a n s m i s s i o nt h e o r ya n ds p r e a ds p e c t r u m t e c h n i q u ep a r t i c u l a r l y a n d t h e n , a u t h o rd e s i g n e dt h ec i r c u i ta n dd e b u g d a t al i n kl a y e rs o l v e st h ep r o b l e mo ft h ed a t at r a n s m i s s i o ni nl i n e a c h i e v e sl i n e r u l e s ，f l u xc o n t r o la n de r r o rc o n t r o lf u n c t i o n a u t h o ri n v e s t i g a t e ot h ep r i n c i p l eo f t h e s e f u n c t i o n sa n dt h e nd e s i g n e dt h ec i r c u i tw i t hd a t al i n kl a y e rs u r f a c ec h i p - - f r w - d 1 0 0 w h i c hi sm a d eb yr f w a v e s c o m p a n y t h ea r t i c l ei n v e s t i g a t e dt h ew o r kp r i n c i p l eo f t h e c h i pa n dd e s i g n st h ec i r c u i ta n dm c up r o g r a m r f w d 1 0 0i si nc h a r g eo f c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) ，w h i c hi st h ek e y t e c h n i q u eo f t h ew l a n t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo f c s m a , i n v e s t i g a t e sc s m a p r o t o c o li nr f w - d 1 0 0 b e c a u s ec s m a p r o t o c o li sc o m e t r u eb ys o f t w a r e a u t h o rt r i e dt o w r i t et h ep r o g r a mo f c s m a k e y w o r d s ：w i r e l e s sa c c e s s p h y s i c a ll a y e r d a t al i n k l a y e r c s m a 颂1 | j 论文短距离无线接入技术的硼究与实现 1 绪论 1 1 课题背景 有线通信在现代通信网络占有重要席，各种通信电缆五花八门，不但办公室中 电缆无处不在，随着家用设备的发展，居室也成了充满电缆的世界。从计算机间的通 信电缆、计算机和打印机之间的连接电缆到耳机线，以及电视机和各种影视设备的连 接线，真可谓丰富多彩。有线电缆在成为人们生活所需之物的同时，也给人们带来不 少的问题，诸如使用不便、连线频出故障、各种电缆之间无法通用等。为解决线缆在 现代通信中的美中不足，人们希望能有个取代线缆的短距离无线连接技术去弥补这 些不足，无线接入技术便应运而生了。 利用短距离无线通信实现各种信息电子产品( 包括通信产品、计算机产品和消费电 子产品) 之间的无线连接，以无线替代有线( 电缆) 是无线接入开发的初衷和萁最基本的 用途。 本文分析了现在典型的无线接入技术如蓝牙，i e e e 8 0 2 1 1 等，利用r f w a v e s 公司 的物理层和数据链路层芯片组，提出了种性价比较高的方案。 1 2 无线网络的三种典型接入技术简介 1 , 2 1 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 蓝牙无线技术是爱立信的工程师根据公元十世纪统一了国家的丹麦国王h a r a l d b l u e t o o t h 的名字命名的，寓意实现不同设备问的无线连接通信的统一与和谐。这项 技术的诞生，是以因特网的数据通信和移动通信技术高速发展为基础：又是现代信息 社会实现计算机、互联网和通信互联，保证每个人每件智能设备能随时随地、方便地 连接网络上的关键。它定位在现代通信网络最后1 卜1 0 0 米，像一种无处不在的数字 化神经末梢一样，把现有的各种信息化设备在近距离内连接起来。我国人口众多拥 有全球最大的家电、移动通信和计算机网络。发展蓝牙技术有着更广阔的应用前景和 巨大的潜在市场，它将给人们的工作、生活方式带来深刻的变革。 蓝牙无线技术是信息技术发展的一个热点，它代表宽带无线接入技术的一个发展 方向。该技术在1 9 9 4 年由爱立信公司提出，1 9 9 8 年爱立信、诺基亚、东芝、i b m 、i n t e l 等公司联合开发了蓝牙1 0 标准，于1 9 9 9 年7 月向全球公布。在短短几年里，全球已 有2 5 0 0 多家公司先后加盟b l u e t o o t hs i g ( 特别利益集团) ，包括国内3 0 多家公司企 业，可以说对该技术的如此关注和支持是前历未有的。 颂1 | j 论文短距离无线接入技术的硼究与实现 1 2 2i e e e 8 0 2 1 1 系列接入技术 1 9 9 7 年6 月，i e e e 通过了8 0 2 1 1 标准，它是一个无线局域网的标准，主要对网 络的物理层( p h ) 和媒质访问控制层( 鼢c ) 进行了规定，各厂商的产品在同一物理层上可 以相互操作，逻辑链路控制层( l l c ) 一致。这使得无线网的两种主要用途“同网 段内多点接入”、“多网段互联”易于实现，于是无线网络有了进一步的发展，i e e e 8 0 2 i i 标准得到了广泛的应用。 在m a c 层以下，i e e e 8 0 2 1 1 规定了三种发送及接受技术：扩频( s p r e a ds p e c t r u m ) 技术、红外技术、窄带( n a r r o wb a n d ) 技术。扩频技术( 也称展频技术) 又分为直接序列 ( d i r e c ts e q u e n c e ，d s ) 扩频技术( 简称直扩) 和跳频( f r e q u e n c yh o p p in g ，f h ) 技术。 直扩技术可以同时使用整个子频段，信号被扩展多次而无损耗，跳频技术是连续问跳 跃使用多个频点，当跳跃至某个频点时，判断是否有噪音干扰，若有则根据其算法跳 至下一频点继续，否则直接传输信号。因此跳频技术的频率及传输率都会变化，很可 能因为信号延时及响应时间的限制，重复发送包信息，采用直扩技术带宽比跳频方式 更大。在抗干扰性方面，直扩方式不如跳频扩频，跳频可得到较好的信噪比，高速无 线网络产品中一般常用直接扩频技术，在具有相同带宽情况下，最好采用跳频技术。 1 3 h o m 匝i t f h o m er f 技术是无绳电话技术d e c t ( d i g i t a le n h a n c e d c o r d l e s s t e l e p h o n e ) 和无线局域网( w l a n ) 技术相互融合发展的产物。在i t u 的赞助下和c o m p a q 、i n t e l 、 p h i l i p s 、h p 、i b m 和m i c r o s o f t 等几家大公司的参与下，h o m er f 工作小组致力于实 现p c 与其它来自不同制造商的家用电器设备之间的数字通信，它于1 9 9 8 年制定了共 享无线接入协议( s w a p ，s h a r ew i r e l e s sa c c e s sp r o t o c 0 1 ) 。s w a p 协议结合了d e c t 和i e e e s 0 2 1 1 的特点，使用t d m a 十c s m a c a 方式，适合语音和数据业务，h o m er f 也工作于2 4 g h zi s m 频段。 1 4 论文的主要工作和成果 本文研究了当今两种主要的无线接入技术的体系结构和实现方案，分析了它们所 面临的一些问题。然后提出了一种性价比较高的解决方案。提出了这种解决方案的系 统框图，完成了硬件电路的设计，制作。本系统采用了r f w a v e s 公司的物理层和数据 链路层芯片组，使用8 x c 5 1 单片机作为主控c p u 。由于物理层电路已由2 0 0 0 级同学完 成，本文重点考虑了数据链路层的电路，编写了单片机程序完成对数据链路层主要芯 片r f w d 1 0 0 的初始化和数据的发送和接收。使用i n s i g h ts e 一5 2 单片机仿真开发系统 2 堡茎笙苎 塑堕堕查丝堡垒塾查堕竺至兰：茎! l 对实际电路进行了调试。该解决方案成本低，采用的芯片体积小，容易嵌入到如头戴 设备、手持设备中去，应用范围广泛，主要协议功能在通用的m c u 中实现，开发方便。 在其基础上进行应用层的开发后可用于计算机间短距离通信，工业控制和自动化，消 费电子，无线抄表，计算机的无线外设等。该方案既可用于点对点通信，又可在若干 设备间组网，同一区域可有多个网络共存而互不干扰。采用直接序列扩展频谱( d s s s ) 技术，工作在2 4 g h z 频带，数据传送速率最高为1 m b p s ，可以在噪音环境下工作、功 耗低，是一种性价比较高的解决方案。 1 5 本论文的内容安捧 本文第二章详细介绍了当今两种主要的无线接入技术蓝牙和i e e e 8 0 2 11 的体系 结构，实现方案，并对它们各自的特点进行了比较，分析了蓝牙技术未能广泛应用的 原因。由于本系统的物理层采用直接扩频技术，且工作在2 4 g i s m 频段上，文章的第 三章分析了本系统所实现的理论基础2 4 g h z i s m 频段无线电波传输理论、扩频通 信原理等。在理论研究的基础上，第四、五两章介绍了这种解决方案的系统结构，分 别介绍了物理层和数据链路层的主要功能和主要芯片的工作原理以及实现的具体电 路，重点介绍了数据链路层电路的设计和调试，由于数据链路层大部分功能有软件完 成，本文给出了m c u 程序，介绍了调试的过程，给出了程序的流程图。第六章提出了 本系统尚待完善的地方，包括数据链路层的一些较为复杂的功能如流量控制功能中的 滑动窗口协议、m a c 层协议。尝试提出了它们的实现方案，软件实现流程图。 颂1 | j 论文短距离无线接入技术的硼究与实现 2 蓝牙与i e e e8 0 2 1 1 的体系结构与比较 2 1 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 2 1 ，1 蓝牙的体系结构 蓝牙协议栈的体系结构如图2 1 所示。它是由底层硬件模块，中间层和高端应用 层三大部分组成。 2 1 1 1 底层模块 图2 1 蓝牙体系结构 底层模块是蓝牙技术的核心模块，所有嵌入蓝牙技术的设备都必须包括底层模 块。它主要由链路管理层l m p ( l i n km a n a g e rp r o t o c 0 1 ) 、基带层b b ( b a s eb a n d ) 和射 频r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 组成。其功能是：无线连接层( r f ) 通过2 4 g h 2 无需申请的 4 颂1 | j 论文 短距离无线接入技术的硼究与实现 s m 频段，实现数据流的过滤和传输：它主要定义了工作在此频段的蓝牙接收机应满 足的要求；基带层( b b ) 提供了两种不同的物理链路( 同步面向连接链路s c o s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n o rr e n t e d 和异步无连接链路a c l a s y n c h r o n o u s c o n n e c t j o nl e s s ) ，负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输，且对所有类型的数据包提 供了不同层次的前向纠错码f e c ( f r e q u e n c y e r r o rc o r r e c t i o n ) 或循环冗余度差错 校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) ；l m p 层负责两个或多个设备链路的建立和拆除 及链路的安全和控制，如鉴权和加密、控制和协商基带包的大小等，它为上层软件模 块提供了不同的访问入口：蓝牙主机控制器接口h c i ( h o s tc o n t r o l l e ti n t e r f a c e ) 由基带控制器、连接管理器、控制和事件寄存器等组成。它是蓝牙协议中软硬件之间 的接口，提供了一个调用下层b b 、l m 、状态和控制寄存器等硬件的统一命令，上、 下两个模块接口之间的消息和数据的传递必须通过h c i 的解释才能进行。h c i 层以上 的协议软件实体运行在主机上，而h c i 以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过 传输层进行交互。 2 1 l 2 中间协议层 中间协议层由逻辑链路控制与适配协议l 2 c a p ( l o g i c a ll i n kc o n t r o la n d a d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) 、服务发现协议s d p ( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 、串口仿 真协议或称线缆替换协议( r f c o m ) 和二进制电话控制协议t c s ( t e l e p h o n yc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 组成。l 2 c a p 是蓝牙协议栈的核心组成部分，也是其它协议实现的基础。它 位于基带之上，向上层提供面向连接和无连接的数据服务。它主要完成数据的拆装、 服务质量控制、协议的复用、分组的分害0 和重组( s e g m e n t a t i o na n dr e a s s e m b l y ) 及组 提取等功能。l 2 c a p 允许高达6 4 k b 的数据分组，s d p 是个基于客户服务器结构的 协议。它工作在l 2 c a p 层之上，为上层应用程序提供一种机制来发现可用的服务及其 属性，而服务的属性包括服务的类型及该服务所需的机制或协议信息。r f c o m m 是一个 仿真有线链路的无线数据仿真协议，符合e t s i 标准的t s0 7 1 0 串口仿真协议。它在 蓝牙基带上仿真r s 一2 3 2 的控制和数据信号，为原先使用串行连接的上层业务提供传 送能力。t c s 是一个基于i t u tq 9 3 1 建议的采用面向比特的协议，它定义了用于蓝 牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令( c a l lc o n t r o ls i g n a l i n g ) ，并负责处理 蓝牙设备组的移动管理过程。 2 1 1 ，3 高端应用层 高端应用层位于蓝牙协议栈的最上部分。一个完整的蓝牙协议棱按其功能又可划 颂1 | j 论文短距离无线接入技术的硼究与实现 分为四层：核心协议层( b b 、l m p 、l c a p 、s d p ) 、线缆替换协议层( r f c o m m ) 、电话控制 协议层( t c s b i n ) 、选用协议层( p p p 、t c p 、t p 、u d p 、o b e x 、i r m c 、w a p 、w a e ) 。而 高端应用层是由选用协议层组成。选用功- 议层中的p p p ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 是点到点协议，由封装、链路控制协议、网络控制出议组成，定义了串行点到点链路 应当如何传输因特网协议数据，它主要用于l a n 接入、拨号网络及传真等应用规范； t c p i p ( 传输控制协议网络层协议) 、u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 对象交换协议) 是三种已有的协议，它定义了因特网与网络相关的通信及其他类型计算机设备和外围 设备之间的通信。蓝牙采用或共享这些已有的协议去实现与连接因特网的设备通信， 这样，既可提高效率，又可在一定程度上保证蓝牙技术和其它通信技术的互操作性； o b e x ( o b j e c te x c h a n g ep r o t o c 0 1 ) 是对象交换协议，它支持设备间的数据交换，采用 客户服务器模式提供与h t t p ( 超文本传输协议) 相同的基本功能。该协议作为一个 开放性标准还定义了可用于交换的电子商务卡、个人日程表、消息和便条等格式； w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 是无线应用协议，它的目的是要在数字蜂窝电 话和其它小型无线设备上实现因特网业务。它支持移动电话浏览网页、收取电子邮件 和其它基于因特网的协议。w a e ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o i le n v i r o n m e n t ) 是无线应用环 境，它提供用于w a p 电话和个人数字助理p d a 所需的各种应用软件。 2 1 2 蓝牙硬件的实现 蓝牙的技术规范除了包括协议部分外还包括蓝牙的应用部分( 即应用模型) 。在 实现蓝牙的时候，一般是将蓝牙分成两部分来考虑，其一是软件实现部分，它位于 h c i 的上面，包括蓝牙协议栈上层的l 2 c a p 、r f c o m m 、s d p 和t c s 以及蓝牙的一些应 用：其二是硬件实现部分，它位于h c i 的下面，亦即上面提到的底层硬件模块，它己 在图l 中标示出。下面讨论蓝牙硬件模块的结构与性能。 蓝牙硬件模块由蓝牙协议栈的无线收发器( r f ) 、基带控制器( b b ) 和链路管理 层( l m p ) 组成。目前大多数生产厂家都是利用片上系统技术s o c s y s t e m o n - o h i p ) 将这三层功能模块集嵌在同一块芯片上。图2 2 为单芯片蓝牙硬件模块结构图。它由 微处理器( c p u ) 、无线收发器( r f ) 、基带控制器( b b ) 、静态随机存储器( s r a m ) 、 闲存( f l a s h 程序存储器) 、通用异步收发器( u a s t ) 、通用串行接口( u s b ) 、语 音编解码器( c o d e c ) 及蓝牙测试模块组成。下面分别叙述各部分的组成及功能。 颂1 | j 论文短距离无线接入技术的硼究与实现 ， 静态随机 阏存 存储器 纂 p 弋弋弋弋卜 收 - - 、j 。 带 。 动态范围，则系统不能工作。 系统工作的最远距离的确定，在某点处到达接收机的功率刚好= 接收机灵敏度， 则该点的传播损耗可求得，进而可求得距离，就是最大工作距离。 ( 2 ) 传播损耗 传播损耗是指发射端发出的射频功率经发送天线、无线传播介质、接收天线后到 达接收机相比发送时损耗的功率。 1 4 颂u | j 论文 豫距离无线接入技术的硼究与实现 传播损耗与天线的增益有关系，接收功率 睁只蚰，x g , 。亩 2 p t 是发射功率，g i 和g ，分别是发射和接收天线的增益，传播损耗= p t , , r p ，所以， 传播损耗是辐射功率与接收功率的差值，不完全是由路径损耗决定的。在短距离无线 通信应用中，发射机和接收机之间的传播路径不是简单的直接射线，由于一般在室内， 要受到家具和墙壁的发射和干涉，到达接收机的信号是由很多路径出来的信号的混合 物。要在这样的传播路径下分析传播损耗是比较复杂的，而自由空问的直线传播的传 播损耗的估算是比较简单的。一个比较实用的方法是在不同的环境下实测传播损耗， 根据实测的数据得到相对于自由空间的修正因子，以后在估算一般的传播损耗时用自 由空间的传播损耗一修正因子，可得到一个近似的结果。下面就引出自由空间的传播 损耗的计算公式。 ( 2 ) 自由空间的传播损耗 自由空间的传播模型仅是一般室内环境下传播损耗的一个好的近似，该环境是指 接收天线和发射天线靠得足够近，使得两者的距离比到任何发射体的距离要小很多。 任何的反射和折射都不用考虑，在室外环境中这样的例子是当两者天线的距离比天线 对地的高度要小，这样的话，从地面反射来的波将足够小，不会干扰直射波。 由菲涅斯传输公式 p f = g , x g rx ( 去 ： 将该式写为常用的对数形式，得到传播损耗 p l = g ，+ g + 2 2 + 2 0 1 0 9 i l ( 3 2 3 ) ，l p l 和g 。、g t 的单位均是( 1 b ，r 是发射天线和接收天线之间的距离， 是波长， 单位是m 。若用频率= 2 4 4 g h z 带入上式，得到工作在2 4 4 g h z 时的传播损耗公式 p l = - - g ，一g t + 4 0 2 + 2 0 l o g ( r )( 3 2 4 ) 当系统的动态范围给定时，同样可利用上式来求得系统工作的最大距离。 以上给出的是自由空间的传播损耗计算公式，在应用中，还需根据具体的环境来 选择相应的修正因子，前人经过大量的实验已得出一些经验公式，如室内环境的传播 损耗 p l ( 室内) = 4 0 + 3 l l o g ( r ) 8 ( 3 2 5 ) 从公式所得到的损耗和距离的曲线看，在距离很小时，损耗随距离的增大减小的 颂1 | j 论文 短距离无线接入技术的硼究与实现 很快，而当距离达到7 0 米以上后，又减小的很慢。【5 】 3 3 本系统硬件实现结构介绍 本系统硬件上主要采用r f w a v e s 公司的物理层及数据链路层芯片集和i n t e l 公 司的8 0 3 1 通用单片机。系统框图如图3 2 。 在物理层采用r f w l 0 2 芯片集来完成无线收发的电路，该电路工作在2 4 g h zi s m 频段，采用d s s s 直扩技术，抗噪性能好，功耗低，速率最高可达i m b p s ，操作简单， 采用p c b 天线，一是降低了成本，二是节省了空间。 在数据链路层采用r f w d 1 0 0 数据链路层接口芯片，该芯片提供了一个接收单片 机并行数据到提供r f w l 0 2 串行数据的串并转换接口。它内部有发送和接收的f i f 0 ， 减轻了单片机的实时数据处理的负担。本系统主要的m a c 协议由单片机完成， r f w d 1 0 0 提供了对数据链路层协议包括c s 姒协议的支持。 r f w w d l 0 0 r f w l 0 2 图3 2 本系统硬件实现框图 硕1 ：论文 媳距离无线接入技术的研究与实现 4 物理层的主要功能与本系统物理层的实现 4 1 物理层实现的功能 为了在所有类型的计算机系统之间建立通信的网络系统，o s i 模型提供一个用来 进行网络系统设计的层次化框架。它包括七个相互独立但又互相关联的层次，每一层 都定义了一部分用于穿过网络传递信息的协议。物理层位于o s i 七层模型的最底层。 物理层包含那些在物理媒介上传输比特流必须的功能。它定义了基本连接的机械和电 气特性，包括把两个节点连接在网络上的电缆、连接口以及信号选项等等。 物理层从上层数据链路层获得数据并将其转化为在通信链路上可以传输的格 式。它监管比特流转换成电磁信号、并通过媒介传输的过程。 这个看起来简单的任务要考虑以下系列问题： 线路配置两个或两个以上的设备如何能实际地连接起来，传输线路是被共享还 是由两个设备专用；线路可用与否。 一数据通信模式在两个设备问的传输流向是单向还是双向。 拓扑结构网络设备是如何安置的，它们相互直接传输数据还是通过一个中继设 备。 一信号在信息传输中何种信号是有用的。 编码在可用的信号系统中0 、l 比特分别如何表示，数据如何通过信号表示。 一接口为实现和便利通信过程，在两个紧密相连的设备间需要共享何种数据，共 享这类数据的最有效方法。 媒介数据传输的物理环境。【8 】 4 2 本系统物理层硬件实现框图 本方案在物理层采用r f w a v e s 公司新推出的r f w l 0 2 芯片集来完成无线收发器的 设计。该收发器工作在2 , 4 g h z 的i s m 频段，采用d s s s 直扩技术，为半双工工作方 式。外围电路简单( 仅需一些无源器件) ，尺寸小，功耗低，操作简单。对外的射频 输出端口是差分输出的，可以接差分的p c b 天线，也可接外置的单端天线。可置为等 待模式，以节省功耗。从等待模式唤醒为正常工作模式所需的时间极短，仅为2 0 u s 。 该芯片的详细方块图如图4 1 。” ( 1 ) 工作原理 该收发器采用基于s a w 器件的d s s s 技术，调制方式是a s k 。扩频码采用的是 1 3 b i t 的b a r k e r 码序列。r f w l 0 2 使用了特殊的比特结构，即单极性归零码，用个正 硕1 ：论文 媳距离无线接入技术的研究与实现 脉冲来表示l ，0 电平表示0 ，在发送端，用基带数据去控制一个4 8 8 m h z 振荡器的开 关，使得比特1 对应一个4 8 8 m h z 的脉冲，比特0 仍是对应0 电平。用4 8 8 m h z 的中 频脉冲作为一个s a w 相关器的激励，s a w 对输入脉冲用1 3 比特的巴克码做相关运算， 输出就是扩频后的中频信号，扩频的c t f i p 速率为2 3 m c h i p s 。其后是一个象频干扰抑 制混频器，把信号从4 8 8 m h z 搬到2 4 g h z ，然后经过射频功率放大，最后通过天线发 送出去。 在接收过程中天线进来的信号首先经过低噪声放大，然后做下混频，变换到 4 8 8 m h z ，再送给s a w 相关器做解扩，s a w 相关器之后是a s k 接收器。最后是判决 单元，输出基带信号。 图4 1r f w l 0 2 详细方块图 下面是对方块图中几个关键的部分傲的解释： ( i ) 本系统中的s a w 器件的作用： 1 0 脚的s a w 器件r f w 4 8 8 c a 可看作一个横向的1 3 b i t 巴克码相关器，该相关器 在系统中的功能是扩展解扩。s a w 器件由在石英衬底上的一系列叉指换能器实现， 是非差分的。 s a w 相关器可表示成一系列延迟线和反相器，等效于一个匹配滤波器，被设计用 来匹配一个1 3 b i tb a r k e r 码。当输入信号和匹配滤波器自身的脉冲响应函数达到相 关时，输出达到峰值能量，即顶峰标志着检禊4 到了自己的相关函数。为降低能量损耗， s a w 相关器的三个端口都被外部无源元件匹配到2 0 0q 。 6 脚的s a w 器件r f w 4 8 8 r a 是做一个谐振器，在主芯片r f w 2 4 - a i 内部有频率产 生电路，利用此s a w 器件达到谐振，输出4 8 8 删z 的中频信号，为系统提供载波振荡 1 8 颂1 | j 论文 短距离无线接入技术的硼究与实现 源；在主芯片r f w 2 4 一a 1 内部有4 倍频单元，把4 8 8 m h z 的中频信号倍频到1 9 5 2 m h z ， 供混频时用。 ( 2 ) 接收信号的检测 接收部分由4 个单元组成：a 低噪声功能块( 低噪放大器和下变换器) ：b s a w 相关器( 用来解扩) ；c 对数峰值检测器( 中频到基带的解调) ；d 判决级( 接收电 平判决) 。 峰值检测器：峰值检测器是s a w 相关器的后一级。它的功能是检测信号的包络， 把信号从i f 直接搬移至基带。它是个a s k 接收器，特点是具有很高的动态范围， 运用两个并行的峰值检测器被：一个快的，一个慢的。两者输出结果被送到一个比较 器的两个输入端，快的和慢的峰值检测器之间的区别是它们的输出带宽，快的为 1 0 m t z ，慢的带宽由连在r f w 2 4 一a 1 的1 3 脚和地之间的外部电容决定。为了支持所需 的高的动态范围，该电路应用了一个对数峰值检测器，它的模型是v o , t = a , p i n ，p i n 的单位是d b m ，v 。的单位是伏特，即检测器的输出电压( 以对数值为单位) 与输入 信号的功率( 线性值) 的关系是成正比的，变化的斜率是a 。 判决级：判决级是接收支路的最后一级，是最后的信号处理阶段，它的输出是 数字脉冲，恢复出原始信息。它由一个模拟比较器和一个简单的状态机组成。在高斯 白噪声环境下对a s k 接收器的门限作了优化以后，一个等效于6 d b 的电压偏移被从慢 的峰值检测器中减去。判决的第一个阶段是一个模拟电压比较器，用来比较前级两 个峰值检测器的输出，快速峰值检测器的输出连接到比较器的正输入端，慢速峰值检 测器的的输出( 减过6 d b 电压偏移以后) 连接到负输入端。比较器之后是一个数字状 态机，用来形成数字输出脉冲。 ( 3 ) 对r f w l 0 2 操作时的发送时序图和接收时序图( 见图4 2 和图4 3 ) ： t r a n s m i t t i m i n g 图4 2 发送时序图 其中：t 。：发送比特l 时对应的脉冲宽度；t d ：从基带数据输入到功率输出的 颂1 | j 论文 短距离无线接入技术的硼究与实现 延迟；t o p ：每比特1 对应的r f 信号持续的时间。 图4 3 接收时序图 接收时序：l ：从待机到唤醒所花的时间；t 。c q 信号捕获时间t “从功率 接收完到恢复的比特输出所用的时间。tp - 接收脉冲宽度 ( 4 ) 状态机 状态机是芯片的数字部分。它完成芯片所有的时序和控制和数字处理。 图4 4 是基带部分关于发送和接收的状态机示意图。其中a c t 是激活信号，把 r f w l 0 2 从待机方式唤醒到正常工作方式。t x r x 是收发开关，l 代表发送，0 代表接 收。 陬黜一l | * 一 图4 4 状态机 颂u | j 论文 短距离无线接入技术的硼究与实现 在无线系统的设计中，天线是很重要的一个环节，天线性能的优良与否，往往 在无线通信中起到事半功倍的作用。一个良好的天线需要考虑频带、阻抗、增益等问 题。在目前的短距离无线通信应用中，要满足小型化和轻便可靠的要求，故天线的形 状和体积也是要考虑的因素之一。印制天线由于重量轻、体积小、低剖面、易于共形 和集成等优点而得到了广泛的研究和应用。在目前的短距离无线应用如w l a n 、蓝牙、 h o m e r f 中，基本上都使用印制天线。在本系统中使用的也是印制天线，其形状是矩 形框，在与无线收发芯片连接处有一缝隙，用来耦合电磁波。无线收发芯片的输出功 放是一个差分形式的放大器，与之相适应的是印制天线也是一个差分天线( 即平衡 的) 。若使用的是单端天线，则需要用巴仑( b a l u n ) 元件完成从双端到单端的转换。 使用该天线时要注意的是：在无线收发模块的r f 端口存在着0 9 p f 的寄生的差 分电容。这个电容代表在2 4 4 g h z 有一7 3 i 欧的虚阻抗。而印制天线的阻抗是3 0 0 欧， 是个实阻抗，从阻抗匹配的角度来说，r f 端的虚阻抗必须被谐振抵消，否则将出现 信号的反射，不能把最大的能量馈给天线。 所以必须在r f 输出端和天线之间提供电感性负载，用于提供正的虚阻抗。经计 算可得所需要的电感值如下：需l n h 的串行电感和4 n h 的并行电感，且做成对称结构。 实际上，这么小的电感用s 岍元件是无法实现的。若使用标准的s m t 器件，很难在合 理的容差范围内获得这些值。另外，为s m t 器件所需的连接中的寄生电感增加了整个 电感，又进一步的减少了所需的器件的电感。然而，若使用印制板匹配网绍，这些困 难均可容易的解决，即使用p c b 技术来得到匹配网络所需的电感值。完成这样一个网 络的实现在图3 7 中。从芯片的端口出来的传输线代表串行电感，矩形环代表并行电 感，为完成环形结构，用通孔来连接表层和底层。另外注意到在环形结构的底层连接 到v c c ，是因为差分放大电路的放大管的电源供给是通过放大管的两个输出端引入 的。1 4 3 物理层电路原理图和p c b 图 本系统物理层硬件电路实现的原理图和p c b 图如图4 5 和4 6 2 l 颂1 | j 论文 短距离无线接入技术的硼究与实现 图4 5 物理层电路原理图 图4 6 物理层电路p c b 图 颂1 | j 论文短距离无线接入技术的硼究与实现 5 数据链路层主要功能和本系统数据链路层的实现 5 1 数据链路层所实现的主要功能 数据链路层最重要的功能主要有三个：线路规程、流量控制和错误控制。如图5 1 。 综合起来，这些功能叫做数据链路控制。 线路规程解决了“现在该由谁发送”这个问题。这对链接在一起的系统来说是 十分重要的。 流量控制负责调整在某个时间间隙中可以发送多少数据( 关键是传输速率) 。 它也提供让接收方应答帧正确无误到达的保证，因此与错误控制也相关。 错误控制实际指的是错误纠正。它允许接收方将传输中任何帧的丢失和破坏通 知发送方，并协调发送方重新发送这些帧 5 1 1 线路规程 图5 1 数据链路功能 不管是什么系统，设备在接收方可以接收，并且准备接收传输之前，不能允许该 设备进行传输。如果接收方并不准备接收传输，或正忙，或正在非工作状态又将如何? 如果没有确定接收方的办法，发送设备将不断地把数据发送到一个非工作态的接收方 或者可能干扰了旱已在链路上的信号。数据链路层的线路规程功能监视链路的建立， 以及在给定时刻一个具体设备进行数据传送的权利。 线路规程可以以两种方式实现：询问应答( e n q a c k ) 方式和轮询，选择方式。 第一种方法在对等通信中采用，第二种方法在主从式通信中采用。 颂1 | j 论文 短距离无线接入技术的硼究与实现 5 1 1 1 询问应答模式 询问应答模式经常在传输中不会存在错误的接收方的系统中采用，也就是说，当 两个设备之间存在一条专用的链路，因此唯一能够接收传输的设备也就是预期的设备 的时候才采用。 启动方首先发送一个询问帧( e n q ) 询问接收方是否可以接收数据。接收方如果 已经准备好接收，必须回答一个确认帧( a c k ) ，如果没有准备好就必须回答一个否 定帧( n a k ) 。如果在一定时间期限内既没有收到应答帧( a c k ) 也没有收到否定帧 ( n a k ) ，启动方就假定询问帧( e n q ) 在传输中丢失了，断开连接，并重新发送一 个副本。一个启动系统通常在放弃努力之前为建立链路进行三次这样的尝试。 5 1 1 2 轮询周消蟆式 轮询选择模式是在以一个设备设计为主设备而其它设备为从设备的拓扑结构中 采用的。多点系统必须在多个站点，而不是仅仅两个之间进行协调。因此，在这类情 形下，问题不仅仅是确定设备是否就绪，还要确定哪一个站点有权使用信道。 当一个多点链接由使用同一条传输线路的一个主设备和若干个从设备构成时，所 有的信息交换都必须通过主设备进行。主设备控制链路，从设备遵从其指令。必须由 主设备来决定在给定时刻哪一个设备才有权使用信道。因此主设备总是会话的发起者。 如果主设备希望接收数据，它将询问从设备是否有数据待发送，这个功能称作轮询。 如果主设备希望发送数据，它告知目标从设备准备好接收数据，这个功能称为选择。 5 1 2 流量控制 在线路规程之后，数据链路控制的第二个方面是流量控制。在大多数协议中，流量 控制是一组过程，这组过程是用来告诉发送方在等待接收方的应答信号之前最多可以 传送多少数据，有两个要点。 数据流不能使接收方过载。任何接收设备都有一个处理输入数据的速率限制， 并且存储输入数据的存储器容量也是有限的。接收设备必须在达到这些限制之前通知 发送设备并且请求发送设备发送较少的数据帧或是暂停一会。在使用输入数据之前必 须对它们进行校验和处理。这种处理的速率通常比传输速率要低。因此，每个接收设 备都有一块存储器，叫做缓冲区，它是用来在进行处理之前保存数据的。如果缓冲区 即将满，接收方也必须能够通知发送方暂停传输，直到接收方又能接收数据。 随着数据帧的到来，接收方对它们进行应答，或者是一帧帧迸彳亍，或者楚一次 颂1 | j 论文 短距离无线接入技术的硼究与实现 对若干帧一起进行。如果一个数据帧到达时已经被破坏，接收方发送一个出错消息( 一 个否定应答帧( n a k ) ) 。 在控制通过传输链路的数据流量上采用两种方法：停等协议和滑动窗口协议。 5 1 2 1 停等协议 在停等协议中，发送方每发出一帧后就等待一个应答帧。只有当接收到应答信号 后，才发送下一帧。这种发送和等待交替的过程不断重复，直到发送方发送了一个传 输结束帧( e o t ) 。如图5 2 图5 2 停等