（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的研究.pdf

基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的研究 碩士生 劉麗娟 專業(yè) 通信與信息系統(tǒng) 指導(dǎo)老師 周淵平教授 摘要 本文主要研制開發(fā)了一種可應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 且具有高可靠性的無(wú)線遙控 系統(tǒng) 該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集發(fā)送端 數(shù)據(jù)接收端及執(zhí)行電路三部分組成 其基本 工作原理如下 系統(tǒng)在發(fā)送端采用時(shí)分方式將多種控制指令編碼為一個(gè)數(shù)據(jù)幀 采用跳頻的方式發(fā)送數(shù)據(jù) 接收端接收跳頻信號(hào)并解調(diào)出控制指令 之后控制 指令被傳送執(zhí)行電路 并由執(zhí)行電路將控制指令轉(zhuǎn)換為具體的操作動(dòng)作 現(xiàn)有工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)通常采用單一頻點(diǎn)進(jìn)行通信 若頻點(diǎn)受到干擾則會(huì) 導(dǎo)致通信中斷 同時(shí)民用無(wú)線遙控系統(tǒng)則都是采用p w m p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n 調(diào)制方式 在通信時(shí)容易受到干擾 基于這種情況 在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中創(chuàng)新的運(yùn)用跳頻通信技術(shù) 解決了工業(yè) 無(wú)線遙控系統(tǒng)中的用戶容量少 抗干擾能力差 可靠性差 穩(wěn)定性不足等問題 采用跳頻技術(shù)可使得該系統(tǒng)部分工作頻點(diǎn)受到干擾時(shí) 系統(tǒng)可以通過跳頻方式 保持通信的順暢 通過共用頻譜資源 可以增大用戶數(shù) 系統(tǒng)采用全數(shù)字化的 設(shè)計(jì) 同時(shí)采用擴(kuò)頻編碼 校驗(yàn)編碼等技術(shù) 大大提高了遙控系統(tǒng)的抗干擾能 力 可靠性和穩(wěn)定性且可以工作于惡劣的工作環(huán)境 本文首先闡述了無(wú)線遙控系統(tǒng)的特點(diǎn) 跳頻的基本概念 跳頻的重點(diǎn)及難 點(diǎn) 以及該產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì) 然后詳細(xì)介紹了根據(jù)市場(chǎng)需求設(shè)計(jì)的工 業(yè)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及方案選擇 并根據(jù)優(yōu)選方案設(shè)計(jì)了基于跳頻技術(shù)的工業(yè) 無(wú)線遙控系統(tǒng) 同時(shí)還提供了該系統(tǒng)中各個(gè)部分電路的具體設(shè)計(jì)以及電路選型 依據(jù) 最后針對(duì)新設(shè)計(jì)的工業(yè)遙控系統(tǒng)給出測(cè)試方案的測(cè)試結(jié)果并對(duì)未來(lái)系統(tǒng) 的升級(jí)給出相關(guān)方案 關(guān)鍵詞 跳頻工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)抗干擾性能p c m 調(diào)制 i n d u s t r i a lw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n f r e q u e n c y h o p p i n gt e c h n o l o g y m a j o r c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e l i ul i j u a n s u p e r v i s o r p r o z h o uy u a n p i n g a b s t r a c t i nt h i st h e s i st h ew i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ls y s t e mf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sw i t h h i g hr e l i a b i l i t yi ss t u d i e d t h er e m o t ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so fat r a n s m i t t e r ar e c e i v e r a n do t h e re l e c t r o n i cc i r c u i t s t h es y s t e mu s e st h et i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs c h e m e w i t ht h ec o n t r o li n s t r u c t i o n se n c o d e d 嬲ad a t af r a m e f r e q u e n c yh o p p i n gt e c h n i q u ei s u s e df o rd a t at r a n s m i s s i o n u p o nt h er e c e i v e df r e q u e n c yh o p p i n gs i g n a l s c o n t r o l c o m m a n d sa r ed e m o d u l a t e da n dt h e nt h e ya r es e n tt ot h ei m p l e m e n t a t i o nc i r c u i t sf o r s p e c i f i co p e r a t i o na c t i o n s i nt h ee x i s t i n gi n d u s t r i a lw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g i e s t h es i n g l ec a r r i e r f r e q u e n c yw i r e l e s ss y s t e m sa r eu s u a l l yu s e d w h i c ha r el a r g e l ys u b j e c tt oi n t e r f e r e n c e a n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c e sa r eo f b e nd e g e n e r a t e dd u et oi n t e r f e r e n c e t h e c o m m e r c i a lw i r e l e s sr e m o t es y s t e m sg e n e r a l l ya d o p tp w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n m e t h o dw h i c hi sv e r yv u l n e r a b l et oi n t e r f e r e n c e i nt h i st h e s i sw ea p p l yf r e q u e n c yh o p p i n gt e c h n i q u ei nt h ei n d u s t r i a lw i r e l e s s r e m o t ec o n t r o ls y s t e m st or e d u c ei n t e r f e r e n c ea n di n c r e a s et h es y s t e mc a p a c i t y i nt h e n e w s y s t e mt h eo p e r a t i o nr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t ya r ea l s oe n h a n c e d w h e na ni n t e r f e r e r a p p e a r s t h es y s t e ma u t o m a t i c a l l ys k i p st oa n o t h e ro p e r a t i o nf r e q u e n c yd i f f e r e n tf r o m t h a to ft h ei n t e r f e r e rt om a i n t a i ni t so p e r a t i o n b ys h a r i n gs p e c t r u mr e s o u r c e s t h e n u m b e ro fu s e r sc a nb ei n c r e a s e d n es y s t e ma d o p t st h ed i g i t a ld e s i g n s p r e a ds p e c t r u m c o d i n g p a r i t yc h e c kc o d i n ga n ds oo nt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h er e m o t ec o n t r o l m s y s t e ma n d t om a k ei tw o r ki nv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s t h i st h e s i sd e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ls y s t e m sw i t h t h eb a s i cc o n c e p to ff r e q u e n c yh o p p i n g t h et e c h n i c a li s s u e so ff r e q u e n c yh o p p i n g 嬲 w e l l 私t h ea d v a n t a g e so fu s i n gf r e q u e n c yh o p p i n gt e c h n i q u ei nt h es y s t e m t h i si s f o l l o w e db yad e t a i l e dd e s i g no fa ni n d u s t r i a lr e m o t ec o n t r o ls y s t e mu s i n gt h en e w m e t h o da c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ad e t a i l e dc i r c u i td e s i g ni sp r e s e n t e d a n dt h ef e a t u r e so ft h en e ws y s t e ma r es h o w n f i n a l l y t h ed e s i g n e dc i r c u i t sw e r e c o n s t r u c t e da n dw e r et e s t e dw i t ht h er e s u l t s f o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t t h ed i s c u s s i o n s a n ds u g g e s t i o n so nt h es y s t e md e s i g na r eg i v e n k e yw o r d s f r e q u e n c yh o p p i n g i n d u s t r i a l w i r e l e s sr e m o t ec o n t r o l s y s t e m a n t i j a m m i n gc a p a b i l i t y p c mm o d u l a t i o n i v 圖2 1 圖2 2 圖2 3 圖2 4 圖2 5 圖2 6 圖2 7 圖2 8 圖2 9 圖2 1 0 圖4 1 圖4 2 圖4 3 圖 圖知5 圖4 6 圖4 7 圖4 8 圖4 9 圖4 1 0 圖4 1 l 圖4 1 2 圖4 1 3 圖4 1 4 圖4 1 5 圖4 1 6 圖4 1 7 圖4 1 8 圖4 1 9 圖4 2 0 圖4 2 l 圖4 2 2 圖4 2 3 插圖 跳頻通信系統(tǒng)原理框圖 5 跳頻序列的時(shí)頻矩陣表示 7 n 級(jí)m 序列發(fā)生器框圖 1 0 直接頻率合成法的原理圖 1 2 組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1 2 鎖相環(huán)合成器原理圖 1 3 直接數(shù)字合成法的原理圖 1 3 跳頻系統(tǒng)受到噪聲及多徑干擾 1 6 兩個(gè)用戶正交的跳頻圖案 1 7 不同序列長(zhǎng)度時(shí)跳頻系統(tǒng)正常工作的概率 1 8 系統(tǒng)的總體框圖 2 6 m i c r f 5 0 6 的結(jié)構(gòu)框圖 2 8 跳頻模塊的正面圖 3 0 a t m e g a l 6 l 的結(jié)構(gòu)框圖 3 3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端的總體框圖 3 4 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端的電路原理圖 3 5 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端電源模塊的電路圖 3 6 低電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)圖 3 7 模擬量采集外圍電路的設(shè)計(jì) 3 8 開關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路圖 3 9 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端與無(wú)線模塊的接口 4 0 用戶號(hào)采集電路 4 l c p h a 0 時(shí)s p 的傳輸格式 4 2 c p h a l 時(shí)s p i 的傳輸格式 4 3 所設(shè)計(jì)的時(shí)序圖 4 3 數(shù)據(jù)接收端的總體框圖 4 4 數(shù)據(jù)接收端的硬件電路圖 4 5 電源l 的電路圖 4 6 數(shù)據(jù)接收端與p w m 驅(qū)動(dòng)模塊的接口 4 7 數(shù)據(jù)接收端與開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊的接口 4 8 開關(guān)量接收與驅(qū)動(dòng)模塊的電路框圖 4 9 開關(guān)量模塊的電路圖 5 0 p w m 模塊的電路圖 5 2 圖5 1中間層的差錯(cuò)控制 5 5 圖5 2 射頻設(shè)置軟件 5 7 圖5 3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端的設(shè)計(jì)思路 5 7 圖5 4 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端的軟件流程圖 6 4 圖5 5 數(shù)據(jù)接收端的軟件設(shè)計(jì)思路 6 5 v 圖5 6 圖5 7 圖5 8 圖5 9 圖5 1 0 圖5 1 l 圖5 1 2 圖5 1 3 圖5 1 4 圖5 1 5 圖5 1 6 數(shù)據(jù)接收端的軟件流程圖 6 7 脈寬調(diào)制的波形 6 s 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端的電路板 6 9 數(shù)據(jù)接收端的電路板 7 0 脈寬編碼調(diào)制 嗍 驅(qū)動(dòng)模塊的電路板 7 0 開關(guān)凝接收與驅(qū)動(dòng)模塊的電路板 7 l 整個(gè)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 7 2 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端串口出來(lái)的數(shù)據(jù) 7 3 j 模擬量下產(chǎn)生的p w m 波形 7 4 大模擬量下產(chǎn)生的p w m 波形 7 4 跳頻閹案 7 s 表格 表2 一l p 5 時(shí)所有的素?cái)?shù)跳頻序列 1 l 表4 im i c r f 5 0 6 的引腳功能 3 0 表4 2c p h a 和c p o l 的功能 4 2 表5 l端口a 的設(shè)置 5 8 表5 2 端口b 的設(shè)置 5 8 表5 3 端口c 的設(shè)置 5 8 表5 4 端口d 的設(shè)置 5 9 表5 5 寄存器l 值的設(shè)置 6 0 表5 6u s a r t 各寄存器的初始化值 6 l 表5 7s p i 寄存器的初始值 6 2 表5 8 不同功率對(duì)應(yīng)不同的可遙控距離 7 l i x 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú) 立進(jìn)行研究工作所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論 文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果 對(duì)本文 的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本 人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 學(xué)位論文作者簽名 毒0 麗娟 日期 椰年 月d 6 日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本人完全了解中山大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 學(xué) 校有權(quán)保留學(xué)位論文并向國(guó)家主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的電子 版和紙質(zhì)版 有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文 進(jìn)入學(xué)校圖書館 院系資料室被查閱 有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有 關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用復(fù)印 縮印或其他方法保存學(xué)位論文 學(xué)位論文作者簽名 糾勱媧 導(dǎo)師簽名 幅云 它c(diǎn) 代 日期 7 o o 眸f 月 6 日日期 口 踔f 月形日 第l 章緒論 1 1 課題背景 第1 章緒論 與有線工業(yè)用遙控器相比 無(wú)線遙控器可以避免由電纜線所造成的不便 擴(kuò)大操作人員的活動(dòng)范圍 使工業(yè)操作更方便 同時(shí)提高了工作人員的安全性 但相對(duì)于有線系統(tǒng) 無(wú)線系統(tǒng)更加容易受到環(huán)境的影響 并且在工業(yè)環(huán)境中 存在著各種各樣的電磁 射頻干擾以及極端惡劣的溫度條件 而在所有的無(wú)線 射頻通信系統(tǒng)中 信號(hào)都是以電磁 e m 波的形式傳播的 我們所說的干擾一 般是指電磁波干擾 e m i 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端向空間輻射載有信息的無(wú)線電信號(hào) 數(shù)據(jù)接收端從復(fù)雜的電磁環(huán)境中檢測(cè)出這些有用的信號(hào) 正是由于這種開放式 的發(fā)射和接收通信信號(hào)的特點(diǎn) 使得無(wú)線電信號(hào)易被截獲和干擾 1 2 現(xiàn)有的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)一般通過單一頻點(diǎn)進(jìn)行通信 即定頻通信 若頻 點(diǎn)受到干擾如噪聲增加 將使通信質(zhì)量下降 嚴(yán)重時(shí)甚至使通信中斷 在抗干 擾的問題上 目前國(guó)內(nèi)國(guó)際上較先進(jìn)的工業(yè)遙控系統(tǒng)只是在頻點(diǎn)受到干擾時(shí)手 動(dòng)轉(zhuǎn)到其它頻點(diǎn)或者自動(dòng)掃描轉(zhuǎn)到其它未受到干擾的頻點(diǎn)上來(lái)克服 雖然它可 以暫時(shí)保持通信的順暢 但在多臺(tái)機(jī)器同時(shí)工作 且頻譜資源受限的條件下 仍然無(wú)法保證通信的質(zhì)量 跳頻技術(shù)可以充分利用有限的頻譜資源 即使同一工作場(chǎng)地有超過頻點(diǎn)數(shù) 的用戶同時(shí)工作 只要彼此的跳頻圖案不同 就可以無(wú)干擾的運(yùn)行 并且當(dāng)某 一個(gè)頻點(diǎn)受到干擾 它會(huì)自動(dòng)跳到其它未受干擾的頻點(diǎn)上去 上世紀(jì)7 0 年代 跳頻通信技術(shù)首先在軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 7 0 年代末 第一部跳頻電臺(tái)問世以后 就顯示出強(qiáng)勁的勢(shì)頭 到了8 0 年代 世界各國(guó)軍隊(duì) 普遍裝備跳頻電臺(tái) 廣泛使用跳頻電臺(tái)曾被譽(yù)為8 0 年代v h f 頻段無(wú)線電通信發(fā) 展的主要特征 9 0 年代至今 跳頻通信發(fā)展更為迅猛 在軍用跳頻通信領(lǐng)域成 熟的同時(shí) 跳頻通信的應(yīng)用又拓寬到民用領(lǐng)域 g s m 系統(tǒng)率先采用跳頻技術(shù)抗 多徑干擾 藍(lán)牙 b l u e t o o t h 也采用跳頻技術(shù)來(lái)抗工業(yè)干擾 目前 跳頻通信 的理論和技術(shù)已走向成熟 3 4 中山大學(xué)碩十學(xué)位論文基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的研冗 本論文嘗試把跳頻通信技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域 設(shè)計(jì)一款基于跳頻通信技術(shù) 的工業(yè)用無(wú)線遙控器 基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)具有以下新的特點(diǎn) 更強(qiáng)的抗干擾能力 若某個(gè)頻點(diǎn)受到干擾 它可以自動(dòng)跳到其它頻點(diǎn) 來(lái)克服 使得通信保持通暢 可以工作于惡劣的工作環(huán)境 如強(qiáng)電磁 干擾 粉塵 工業(yè)級(jí)溫度 4 0 8 5 攝氏度 等 更多的用戶數(shù) 通過共用頻譜資源 使得在同一工作場(chǎng)地 可以允許 超過規(guī)定頻點(diǎn)數(shù)的機(jī)器無(wú)干擾的同時(shí)工作 更可靠 更穩(wěn)定 采用全數(shù)字化的設(shè)計(jì) 極大的提高了遙控系統(tǒng)的可 靠性 穩(wěn)定性 較少的硬件數(shù) 常用的控制系統(tǒng)要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) 然后 數(shù)據(jù)接收端再將接收到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制 而本系統(tǒng)無(wú)須再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換 直接將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制 p w i v 從而可以直接接一個(gè)l c 電路濾波后對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制 它的優(yōu)點(diǎn)是減少 硬件器件數(shù) 降低噪聲污染并提高其抗干擾性能 1 2 論文主要工作 本文的的主要工作為t l 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用要求提出了相應(yīng)的方案設(shè)計(jì) 包括模擬量的采集方案 模擬量的輸出方案 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及無(wú)線射頻部分的設(shè)計(jì)方案 詳細(xì) 方案設(shè)計(jì)如第3 章中的方案設(shè)計(jì)中闡述 而后根據(jù)相應(yīng)的方案 本論文設(shè)計(jì)出了基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖 隨后的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)都是基于此框圖的基礎(chǔ) 上產(chǎn)生的 2 系統(tǒng)各部分如電源 d s p 模擬量輸入電路 開關(guān)量輸入電路 設(shè)備i d 號(hào)輸入電路 a d 轉(zhuǎn)換 編碼控制等器件的選型 本論文是基于電路板級(jí)的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)好系統(tǒng)的總體框圖后 接下來(lái) 的工作就是為總體框圖的各個(gè)部分進(jìn)行芯片選型 芯片選型要基于該芯片 的功能及成本是否能滿足本系統(tǒng)的各項(xiàng)要求 2 第1 章緒論 3 系統(tǒng)各部分的原理圖設(shè)計(jì) 在進(jìn)行完相應(yīng)的芯片選型后 要針對(duì)各芯片的電氣特性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部 分的連接 即將系統(tǒng)的總體框圖落實(shí)到各個(gè)具體的芯片上 4 印制電路板 p c b 的設(shè)計(jì) 電路焊接與調(diào)試 電路原理圖繪制完成后 就要進(jìn)行相應(yīng)的印制電路板 p c b 的設(shè)計(jì) p c b 的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容 設(shè)計(jì)板形 添加封裝庫(kù) 引入網(wǎng)絡(luò)表 p c b 布局 p c b 布線 在完成p c b 的設(shè)計(jì)后 要進(jìn)行相應(yīng)的電路焊接 將具 體的芯片 電容及電阻焊接到電路板中 為以后的調(diào)試做準(zhǔn)備 5 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端電路 數(shù)據(jù)接收端電路 p w m 電路與開關(guān)量電路等底層 測(cè)試軟件的編寫與測(cè)試工作 在完成相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)后 就要針對(duì)所設(shè)計(jì)的通信協(xié)議對(duì)系統(tǒng)的各部 分作相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì) 在軟件設(shè)計(jì)調(diào)試成功后 就要通過串行下載線下載 到所設(shè)計(jì)的硬件電路板上進(jìn)行調(diào)試 調(diào)試成功后對(duì)整個(gè)統(tǒng)的功能作相應(yīng)的 測(cè)試 1 3 論文結(jié)構(gòu)安排 論文首先對(duì)目前市場(chǎng)上的工業(yè)用無(wú)線遙控系統(tǒng)的性能作簡(jiǎn)單介紹 而后針 對(duì)現(xiàn)有的工業(yè)用無(wú)線遙控器的一些不足進(jìn)行了改進(jìn) 提出了基于跳頻的工業(yè)用 無(wú)線遙控系統(tǒng)以及系統(tǒng)新的特點(diǎn) 第二章闡述了該系統(tǒng)開發(fā)中所用到無(wú)線通信技術(shù) 介紹了跳頻通信系統(tǒng)的 組成 比較分析了幾種跳頻序列的設(shè)計(jì)及同步方法 最后 對(duì)跳頻系統(tǒng)的抗干 擾性能進(jìn)行仿真分析 第三章詳細(xì)介紹電路設(shè)計(jì)的方案以及根據(jù)現(xiàn)今新技術(shù)新特點(diǎn)結(jié)合市場(chǎng)需求 設(shè)計(jì)基于跳頻的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng) 第四章介紹系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集發(fā)送端 數(shù)據(jù)接收端 電源及執(zhí)行電路的硬件 設(shè)計(jì) 第五章給出軟件部分的設(shè)計(jì) 詳細(xì)解釋軟件流程圖及相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果 第六章是工作總結(jié)及展望 3 第2 章跳頻通信技術(shù)的摹本原理 第2 章跳頻通信技術(shù)的基本原理 2 1 跳頻通信系統(tǒng)概述 2 1 1 跳頻通信系統(tǒng)的組成 跳頻是最常用的擴(kuò)頻方式之一 其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波 頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式 也就是說通信中使用的載波頻率 受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變 從時(shí)域上來(lái)看 跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的 頻移鍵控信號(hào) 從頻域上來(lái)看 跳頻信號(hào)的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間 隔隨機(jī)跳變的1 5 j 跳頻通信系統(tǒng)的原理圖如圖2 1 所示 2 1 圖2 1 跳頻通信系統(tǒng)原理框圖 2 1 跳頻系統(tǒng)中的跳頻序列發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列 相對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng) 偽隨機(jī) 序列并不直接傳送 而是用來(lái)選擇信道 即合適的載波 并控制頻率合成器產(chǎn) 生所需要的頻率 頻率合成器將一個(gè)或若干個(gè)高穩(wěn)定度和高精度的參考頻率 經(jīng)過相加 相或等各種處理技術(shù) 生成具有同樣穩(wěn)定度和高精度的大量離散頻 率 在跳頻通信系統(tǒng)中 要求頻率合成器具有很高的頻率切換速度f(wàn) 2 1 在圖2 1 中 跳頻通信系統(tǒng)的發(fā)送端 數(shù)據(jù)調(diào)制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制 跳頻 序列發(fā)生器控制頻率合成器產(chǎn)生載波并與調(diào)制后的數(shù)據(jù)相與 通過高通濾波器 濾波后通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去 與發(fā)送端相比 接收端多了一個(gè)同步電路 因?yàn)樵谔l通信系統(tǒng)中 發(fā)射 中山大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于跳頻技術(shù)的t 業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的研究 i 一 i 鼉曼曼曼寰曼曼曼量邑曼曼量曼曼曼曼曼皇曼鼉曼曼罡曼曼曼曼鼉鼉曼量皂曼曼曼曼曼舅 端沒有同步信號(hào) 同步機(jī)制只有接收端才有 在接收端 同步電路的作用是保 證數(shù)據(jù)接收端的本振頻率與數(shù)據(jù)采集發(fā)送端的載波頻率同步跳變 天線所收到 的數(shù)據(jù)經(jīng)過與同步電路控制產(chǎn)生的頻率相與 再經(jīng)過帶通濾波器濾出有用的數(shù) 據(jù)信息 再經(jīng)過數(shù)據(jù)解調(diào)器 即可得到解調(diào)后的數(shù)據(jù)信息 在下一節(jié)中將分別詳細(xì)介紹跳頻序列設(shè)計(jì) 跳頻頻率合成器及跳頻同步等 因?yàn)閷?shí)現(xiàn)跳頻通信 需要在常規(guī)定頻通信技術(shù)的基礎(chǔ)上 解決這幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù) 2 1 2 跳頻通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 跳頻通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有 2 1 跳頻帶寬 跳頻系統(tǒng)工作時(shí)最高頻率與最低頻率之間所占的頻帶寬度 稱為跳頻帶寬 跳頻帶寬的大小與抗寬帶或部分頻帶噪聲干擾能力有關(guān) 跳頻帶寬越寬 抗噪聲干擾能力越強(qiáng) 因此 最好能在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)跳頻 2 跳頻頻率數(shù)目 跳頻系統(tǒng)工作時(shí)跳變的載波頻率點(diǎn)的數(shù)目 稱之為跳頻頻率數(shù)目 跳頻頻率數(shù)目與抗單頻和多頻連續(xù)波干擾的能力有關(guān) 跳頻頻率數(shù)目越多 其抗單頻及多頻干擾的能力就越強(qiáng) 3 跳頻速率 跳頻速率是指跳頻系統(tǒng)載波跳變速率 通常用每秒鐘載波跳變的次數(shù)來(lái)表 示 跳頻速率與抗跟蹤式干擾的能力有關(guān) 跳頻速率越高 其抗跟蹤式干擾的 能力越強(qiáng) 4 跳頻同步時(shí)間 跳頻同步時(shí)間指的是系統(tǒng)使收發(fā)雙方的跳頻圖案完全同步并建立通信所需 要的時(shí)間 系統(tǒng)同步時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響到系統(tǒng)的頑存程度 因?yàn)橥竭^程一旦被敵方 破壞 就不能實(shí)現(xiàn)收 發(fā)跳頻圖案的完全同步 則將使通信系統(tǒng)癱瘓 因此 希望同步建立的過程越短越好 越隱蔽越好 當(dāng)然 一個(gè)跳頻系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)依照實(shí)際應(yīng)用的目的 要求以及性 6 第2 章跳頻通信技術(shù)的基本原理 能價(jià)格比等方面進(jìn)行綜合考慮 從而得到才能做出最佳的設(shè)計(jì)方案 2 2 跳頻通信序列的設(shè)計(jì) 2 2 1 跳頻序列的作用及漢明相關(guān) 跳頻序列的設(shè)計(jì)是跳頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一 它決定著跳頻通信系統(tǒng) 的性能 每一組跳頻序列集1 1 對(duì)應(yīng)著一組通信系統(tǒng)的載波頻率 而控制頻率 跳變的規(guī)律有兩種表示方法 一種是時(shí)頻矩陣表示法 如圖2 2 所示 橫坐標(biāo) 表示時(shí)間 縱坐標(biāo)表示載波頻率 另一種是序列表示法 用符號(hào)或數(shù)字表示 通常在研究中使用 圖2 2 時(shí)頻矩陣對(duì)應(yīng)的序列表示為 o 3 4 2 5 1 隧 緩 緩 緩 隧 緩 財(cái)秘 圖2 2 跳頻序列的時(shí)頻矩陣表示 跳頻通信系統(tǒng)通過不斷的改變載波頻率以達(dá)到抗干擾的目的 而載波頻率 改變的規(guī)律取決于跳頻序列改變的規(guī)律 如果兩個(gè)系統(tǒng)在同一時(shí)隙工作于同一 載波頻率 稱兩通信系統(tǒng)發(fā)生碰撞 則其誤碼率將會(huì)大大的提高 甚至?xí)斐?通信中斷 l 但是 為了容納更多的用戶 允許通信系統(tǒng)有一定數(shù)量的碰撞是 必要的忉 因此 跳頻序列設(shè)計(jì)的根本任務(wù)之一就是要使系統(tǒng)發(fā)生碰撞的次數(shù) 7 5 4 3 2 l 鎊爨 中山大學(xué)碩十學(xué)位論文 基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的研究 曼蔓量曼曼曼曼量曼量曼鼉曼曼皇璺呂曼 旨量鼉曼曼曼皇量量曼曼曼鼉皇皇曼曼i i 盡可能的小 為了有效地表征碰撞的概念并進(jìn)行計(jì)算 跳頻序列使用漢明相關(guān) 函數(shù) 8 設(shè)有q 個(gè)載頻可供跳頻 形成頻率集合a 石 石 正 六一 長(zhǎng)度為l 的 某個(gè)跳頻序列表示為 s 慨 o 氣 1 u 也犯一1 既 ea 2 1 有兩個(gè)序列甌 屯 和s 僅 在相對(duì)時(shí)延f 時(shí)的周期漢明相關(guān)定義 為 且 一l h f 辦h n 了 f 0 fs l 一1 2 2 j o h s s f o 當(dāng)s j f 時(shí) h s j f l 當(dāng)s j s j f 時(shí) 2 3 2 4 當(dāng) 1 時(shí) h f 稱為周期漢明互相關(guān) 表示兩個(gè)跳頻序列鼠和s 在相 對(duì)時(shí)延為f 時(shí) 在一個(gè)序列周期里發(fā)生頻率重合的次數(shù) 當(dāng) v 時(shí) h 0 稱為周期漢明白相關(guān) 表示s 甌 與自身平移f 時(shí) 在一個(gè)序列周期里發(fā)生頻率重合的次數(shù) 同時(shí)定義 h s s max h f 2 5 os fsl h s 2max h f 2 6 0sfs l h r 表示序列s 與序列s 在任意時(shí)延下重合次數(shù)的最大值 它影響系統(tǒng) 的抗干擾性能 而日 表示序列與其自身平移之間重合次數(shù)的最大值 它影 響系統(tǒng)的同步性能 2 2 2 跳頻序列設(shè)計(jì)的一般要求 在設(shè)計(jì)跳頻序列時(shí) 通常應(yīng)考慮以 f j l 個(gè)要求 9 8 第2 章跳顆通信技術(shù)的基本腺理 1 跳頻j 亭列集合孛的任意兩個(gè)跳頻序列 在所有相對(duì)時(shí)延下發(fā)生頻率重 合的次數(shù)應(yīng)盡可能的少 即峨或 越小越好 2 跳頻序列集合是的任意跳頻序列 與其平移序列的頻率重合次數(shù)盡可 能少 也邸要求h s 越小越好 3 為了有更多的跳頻序列以提供用戶使用 跳頻序列集合中的序列數(shù)目 盡可能多 4 為了使跳頻系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能 應(yīng)使各頻率在一個(gè)序列周期 在出現(xiàn)的次數(shù)基本擺圊 5 跳頻序列的產(chǎn)生電路比較簡(jiǎn)單 2 2 3 幾種常用的跳頻序列的設(shè)計(jì)及比較 在跳頻序列的設(shè)計(jì)中 主要有基于m 序列構(gòu)造跳頻序列族和基于素?cái)?shù)序列 構(gòu)造跳頻序列族等這兩種方法 l 基于m 序列構(gòu)造跳頻序列族 基于m 序列構(gòu)造跳頻序列族有3 種方法 第一種是使用m 狀態(tài)序列 也就 是使用不同的m 序列分給不同用戶 每個(gè)用戶的頻率由m 序列的狀態(tài)確定 a a s h a a r 分析了這種構(gòu)造方法的漢明相關(guān)性能 o l 第二種方法是使用抽頭法 1 9 7 4 年 a l e m p e l 和h g r e c n b e r g e r 提出了著名的l g 模型 8 1 第三種方法 是使用非線性方法f 7 l 本文主要說明構(gòu)造m 序列的一般方法 m 序列是一種線性移位寄存器序列 如果一個(gè)系統(tǒng)可用頻隙數(shù)為q 2 l 剿可用n 級(jí)m 序列發(fā)生器來(lái)控制頻率合戒器的頻率合成 它的生成可用線性反 饋寄存器的n 次多項(xiàng)式來(lái)表示 l l 1 2 1 3 j 嵌x 然l a l x a 2 x 2 a n i x n l a n x 魏 2 7 n 級(jí)m 序列發(fā)生器框圖如圖2 3 所示 2 l 9 中山大學(xué)碩士學(xué)位論文基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的研究 圖2 3l l 級(jí)m 序列發(fā)生器框圖 2 j t f l 序列輸出 在圖2 3 中 n 個(gè)小方框代表n 個(gè)寄存器 從左到右依序稱為第l 級(jí) 第2 級(jí) 第n 級(jí) 專0 專表示加法器 寸口一表示乘法器 圖中的 a l 為乘法 系數(shù) 開始時(shí) 設(shè)第n 級(jí)寄存器的內(nèi)容是c 0 第n l 級(jí)寄存器內(nèi)容為的內(nèi)容t 1 第1 級(jí)寄存器的內(nèi)容為 則移位寄存器第1 級(jí)到第n 級(jí)的初始狀態(tài)為 靠斗f 盹 q c o 當(dāng)加上一個(gè)移位脈沖時(shí) 就把每一級(jí)的內(nèi)容移到下一級(jí) 第 n 級(jí)的內(nèi)容作為輸出 同時(shí) 將各級(jí)內(nèi)容送給相應(yīng)的乘法器 而將加法器的輸出 q 口l q i a 2 c 一2 a c o 反饋到第1 級(jí) 這樣 經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘后 移位寄 存器第1 級(jí)到第n 級(jí)的狀態(tài)變成了 q q 小 q 而輸出是 不斷的加移 位脈沖 上述移位寄存器的輸出就是一個(gè)m 元序列c o q c 州c 其 中巳 一 q 勺一 jzn 這個(gè)序列就稱為n 級(jí)線性移位寄存器所產(chǎn)生的m 序列 i l 2 基于素?cái)?shù)序列構(gòu)造跳頻序列族 1 9 8 1 年 e l t i t l c b b a u m 提出基于線性同余式的跳頻碼 稱為l c c 碼 l c c 碼的構(gòu)造方法是采用模p 乘法表 其中p 為素?cái)?shù) 因此 也稱為素?cái)?shù)序列族 1 4 1 它的構(gòu)造方法非常簡(jiǎn)單 設(shè)p 為素?cái)?shù) 且頻率數(shù)目q p 素?cái)?shù)跳頻序列為 2 1 s 巧r oo d p o 1 p 一1 2 8 1 0 第2 章跳頻通信技術(shù)的摹本原理 其中掛是一個(gè)號(hào)每零域元 其取值范圍是l u p i r o o d 表示整數(shù)取余 運(yùn)算 設(shè)素?cái)?shù)p 為5 由式2 8 可得所有的跳頻序歹 j 如表2 l 所示 表2 1p 5 時(shí)所有的素?cái)?shù)跳頻序列 筐n ol234 lol234 2o2毒 3 303l42 40432l 與基于m 序列的構(gòu)造跳頻序列族楣眈 基于素?cái)?shù)構(gòu)造的跳頻序列族具有較 佳的性能 具有非重復(fù)性 一次重合特性等 1 3 能達(dá)到2 2 2 節(jié)所提出的5 個(gè)要 求 2 3 跳頻頻率合成器 跳頻序列通過頻移鍵控的形式控制頻率合成器生成相應(yīng)的頻率 其性能指 標(biāo) 尤其是其跳頻規(guī)律和跳速對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著決定性的作用 頻率合成器要求 轉(zhuǎn)換快 輸出的頻譜純及無(wú)雜波 頻率合成技術(shù)發(fā)展至今 主要有以下三種方 式 l 直接頻率合成法 1 5 1 直接頻率合成法指的是將一個(gè)或多個(gè)參考頻率經(jīng)過混頻 倍頻 分頻 濾 波后對(duì)參考晶振再進(jìn)行加減乘除運(yùn)算生成所需要的頻率 其優(yōu)點(diǎn)是換頻速度快 但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 難以集成 成本高 體積大 輸出頻譜純度不高 其原理如圖 2 4 1 5 j 所示 中山大學(xué)碩士學(xué)位論文基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的研究 a a i i f f l l f l m 圖2 4 直接頻率合成法的原理圖 1 5 l 其中n 個(gè)組件的結(jié)構(gòu)均相同 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 5 t 1 5 1 所示 圖2 5 組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1 5 1 如圖2 4 所示 直接頻率合成法由n 個(gè)組件構(gòu)成 每一單元輸入中心頻率f 每 z 7 控電路輸入m 個(gè)間隔頻率為 e 的參考頻率 f 2 f m 由l o g 朋個(gè)編 碼 即v l 0 9 2 所 并聯(lián)輸x n f j 控電路 使其選擇輸出分布在f 兩邊的m 個(gè)頻 率 改變編碼可使頻率發(fā)生跳變 它可以選擇輸出m 個(gè)頻率 即 2 2 如圖2 5 所示 每個(gè)組件內(nèi)部分頻器的分頻系數(shù)分m 的話 則各輸出頻率之間 的間隔為a f f o m 2 鎖相環(huán)合成法 p l l 1 6 l 由于數(shù)字技術(shù)的發(fā)展 頻率合成器的技術(shù)也得到了相應(yīng)的提高 出現(xiàn)了鎖 相環(huán)技術(shù) p l l 該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 頻率能做得很高 但其頻率轉(zhuǎn)換 時(shí)i h l n 相對(duì)較長(zhǎng) 其原理如圖2 6 t 1 6 1 所示 第2 章跳頻通信技術(shù)的基本原理 一i 量量罾皇量量暑鼉曼量曼皇曼曼曼量曼鼉 頻率控制編碼 圖2 6 鎖相環(huán)合成器原理副1 6 1 如圖所示 壓控振蕩器輸出的頻率f 0 經(jīng)過分頻器得到的頻率進(jìn)入鑒相器與 輸入的頻率 進(jìn)行相位比較 如果不匹配 誤差信號(hào)經(jīng)過環(huán)路濾波器與壓控振 蕩器后 調(diào)整輸出頻率f 0 使得f o m f 鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài) 壓控振蕩器的輸 出頻率f o x m 而通過頻率控制編碼可以改變程序分頻器的分頻因子m 從 而改變輸出頻率c 輸出頻率的分辯力為 軾 3 直接數(shù)字合成法 d d s 1 7 直接數(shù)字合成法也是隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展而被提出來(lái)的 納米技術(shù)的應(yīng)用 使得芯片的速度得到大幅度的提高 頻率的轉(zhuǎn)換時(shí)間也相應(yīng)的縮短 其原理圖 如圖2 7 1 7 l 所示 圖2 7 直接數(shù)字合成法的原理圖n 7 l 如圖所示 在參考時(shí)鐘c 的驅(qū)動(dòng)下 相位累加器對(duì)頻率控制字進(jìn)行累加 而后將信號(hào)輸 k 至 j 波形存器尋址得到相應(yīng)的輻度碼 經(jīng)數(shù) 模轉(zhuǎn)換器生成正弦 波幅度的數(shù)字量函數(shù) 而后通過低通濾波器得到所需頻率的連續(xù)波形 假設(shè)頻 中山大學(xué)碩士學(xué)位論文基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙挖系統(tǒng)的研究 率控制字為k 相位累累加器長(zhǎng)度為m 則輸出的頻率f o f o w 2 n 頻率分辯 力 噬 2 n 由上述分析可知 三種頻率合成法各有優(yōu)劣 選用哪種方法 如何選用 應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行組合 2 4 跳頻同步 上節(jié)詳細(xì)介紹了跳頻序列的設(shè)計(jì)以及頻率合成技術(shù) 它們都是跳頻通信系 統(tǒng)的重要組成部分 本節(jié)將討論而跳頻通信系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)一跳頻同步 因?yàn)檎_接收跳頻信號(hào)的前提條件是 收發(fā)雙方必須實(shí)現(xiàn)跳頻同步 倘若沒有 適合當(dāng)同步方法 再好的跳頻序列及頻率合成器都起不了作用 跳頻的同步內(nèi)容包括 1 8 跳頻序列相同 跳變的起止時(shí)刻相同 跳頻頻率 表相同 即要求數(shù)據(jù)接收端必須知道數(shù)據(jù)采集發(fā)送端采用哪一張?zhí)l頻率表 采用什么樣的跳頻序列 在什么時(shí)刻哪一頻率開始跳 一般在實(shí)際應(yīng)用中 跳 頻表及跳頻序列是接收雙方約定好的 主要解決的問題是使頻率跳變的起止時(shí) 刻相同 跳頻通信的同步方法有好幾種 大致可分為外同步法和自同部法 1 9 1 2 0 1 1 外同步法 外同步法指的是將同步信息加載到其它信息碼元中的方法 主要有獨(dú)立信 道法及同步字頭法 獨(dú)立信道法是專門用 個(gè)信道來(lái)傳送同步信信息 數(shù)據(jù)接 收端根據(jù)從該信道傳過來(lái)的信息設(shè)置數(shù)據(jù)接收端的跳頻序列 跳頻頻率表及跳 變的起止時(shí)刻 同步字頭法是指在建立通信之前 先發(fā)送一個(gè)同步字頭 該同 步字頭包含著全部所需的信息 獨(dú)立信道法對(duì)信道質(zhì)量依賴性過強(qiáng) 比較容易受到干擾 而同步字頭法一 般能快速同步 但同步字頭易遭到干擾 一般用來(lái)協(xié)助其它的同步方法 2 自同步法 自同步法指的是通過數(shù)據(jù)采集發(fā)送端發(fā)送的信息序列中隱含的同步信息 在數(shù)據(jù)接收端中將同步信息提取出來(lái) 從而實(shí)現(xiàn)同步的方法 采用自同步法 無(wú)需發(fā)射同步碼字 無(wú)需專門的同步信道 其中自同步法主要有等待自同步法 1 4 第2 章跳頻通信技術(shù)的基本原理 舅曼喜詈量 量曼曼量量皇曼皇量 曼皇曼鼉魯鼉量曼舅皇曼曼曼量曼曼曼量皇曼皇曼曼曼曼鼉i ii i 舅量皇曼曼曼曼鼉曼曼曼曼皇鼉量量魯一 滑動(dòng)相關(guān)同步法及位移等待同步法 等待自同步法指的是接收方在一直某一個(gè) 固定的頻點(diǎn)上等待發(fā)射方的頻點(diǎn)與其一致 從而實(shí)現(xiàn)同步 滑動(dòng)相關(guān)同步法指 的是接收方的頻點(diǎn)如果與發(fā)射方的一致 則進(jìn)入跟蹤狀態(tài) 如果不一致 則通 過改變跳頻序列從而改變頻率合成器的頻率輸出 直到與發(fā)方一致 位移等待 同步法指的收發(fā)方頻率不一致時(shí) 收方直接跳到上一個(gè)頻率去等 直到一致 相對(duì)于等待同步法來(lái)說 滑動(dòng)相關(guān)同步法以及位移等待同步法是一個(gè)比較 積極的方法 因?yàn)槿绻骋粋€(gè)等待頻點(diǎn)受到干擾時(shí) 適時(shí)的跳到其它的頻點(diǎn)是 必要的 并且 它可以縮短同步等待時(shí)間 但滑動(dòng)相關(guān)同步法每接收到一個(gè)信 號(hào)都要經(jīng)過一個(gè)周期的搜索 同步時(shí)間相對(duì)于位移等待同步法來(lái)說較長(zhǎng) 因此 如何選用同步方法亦需根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定 2 5 跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力分析 跳頻通信系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力 能工作于強(qiáng)干擾環(huán)境下 在本系統(tǒng) 中 主要是用來(lái)抗數(shù)據(jù)接收端及數(shù)據(jù)采集發(fā)送端內(nèi)部干擾 噪聲多徑干擾及多 用戶干擾等 其中跳頻通信系統(tǒng)能否正常工作與跳頻序列的長(zhǎng)度也有一定的關(guān) 系 下面就相關(guān)問題作詳細(xì)的說明分析 l 數(shù)據(jù)接收端及數(shù)據(jù)采集發(fā)送端的抗干擾措施 該系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)接收端 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端及執(zhí)行電路組成 數(shù)據(jù)采集發(fā)送 端是便攜式的 主要采用電池供電 其干擾源主要來(lái)自空間電磁干擾及本身的 一些干擾等 可以采用加屏蔽措施及電源濾波來(lái)克服 而數(shù)據(jù)接收端是固定在 車輛上的 主要采用車輛的點(diǎn)火系統(tǒng)供電 其主要干擾源來(lái)自車輛的電源干擾 火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)及空間的電磁干擾 可以通過對(duì)電源進(jìn)行濾波 增加金屬屏蔽 罩并接地及正確安裝數(shù)據(jù)接收端天線的位置等措施來(lái)抗干擾 2 噪聲多徑干擾及抗干擾措施 2 i l 在無(wú)線通信中 噪聲二般存在于所有的信道中 雖然其在整個(gè)頻帶上的總 功率很大 但是平均分布在每個(gè)信道上 而在某個(gè)特定信道上 噪聲功率小于 用戶的信號(hào)功率 用戶還是可以成功地實(shí)現(xiàn)通信 多徑干擾只存在于部分信道 中 通常在某個(gè)頻率上存在 在下一跳期間就不會(huì)存在 運(yùn)用跳頻技術(shù)能起到 較好的抗多徑干擾 但是卻無(wú)法躲避噪聲 只能在硬件及軟件設(shè)計(jì)中使其對(duì)用 1 5 筌 些墼塑 i 墼 i 些 戶的影響達(dá)到最小化 噪聲及多徑的干擾如圖2 8 所示 翱 口m m m 陋f 執(zhí)仵m 1 月 仆 道i i 槐蛐m 镕 1 2 o t 1 0 圖2 8 跳頻系統(tǒng)受到噪聲及多徑干擾 如圖 在時(shí)間上有六個(gè)區(qū)間 分別對(duì)應(yīng)的跳頻序列為 0 3 4 2 5 1 跳頻頻率為 e 系統(tǒng)在所有信道上都存在著噪聲干擾 在頻率厶 及 時(shí)間段 t 2 t 及 t 5 i 上受到干擾 導(dǎo)致系統(tǒng)通信不正常 但是跳頻系統(tǒng) 可以在下 b e 間段上正常通信 并且每一跳駐留的時(shí)間都很短 3 多用戶干擾及抗干擾措施 本系統(tǒng)是用于工業(yè)場(chǎng)合 不可避免地受到其它用戶的干擾 雖然可用的頻 點(diǎn)只有1 5 個(gè) 如果選用5 個(gè)頻點(diǎn)來(lái)跳的話 組合數(shù)有c 5 3 0 0 3 種之多 每一 組頻率組合又有a5 5 1 2 0 4 即可以有3 0 0 3 x 1 2 0 3 6 0 3 6 0 張?zhí)l頻率表可供用戶 使用 而在同一工作場(chǎng)地是不可能有這么多機(jī)子在同時(shí)工作的 最多的情況下 也只有幾十臺(tái) 而在這3 0 多萬(wàn)張中挑選出幾十張正交的跳頻頻率表相對(duì)來(lái)說是 比較容易的 這也就要求在設(shè)計(jì)跳頻序列時(shí)要注意其頻率的正交性 如圖2 9 所示 兩個(gè)用戶采用的就是兩張正交的頻率表 雖然它們選用的可用頻點(diǎn)相同 第2 章跳頻通信技術(shù)的基本原理 撾 紡 位 n 甜潤(rùn) h眨a鬈4繡曬 圖2 9 兩個(gè)用戶正交的跳頻圖案 口 圈 如圖所示 兩個(gè)用戶采用兩個(gè)不同的跳頻頻率表 在同一時(shí)間段內(nèi)不會(huì)跳 到同一頻點(diǎn) 即它們之間的漢明相關(guān)最小 4 跳頻序列長(zhǎng)度與通信系統(tǒng)正常工作的關(guān)系 在跳頻通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步跟蹤后 只要能保證所選的頻率表中的兩個(gè)頻點(diǎn) 不受干擾就能實(shí)現(xiàn)正常工作 假設(shè)跳頻序列長(zhǎng)度為n 即有n 個(gè)頻點(diǎn)可選 則每個(gè)頻點(diǎn)受干擾的概率 見 1 n 要保證系統(tǒng)能正常工作 即至少有兩個(gè)頻點(diǎn)不受干擾的概率為 尸 n 乏 2c 一爭(zhēng) 其中3 n 1 5 圖2 1 0 為不同序列長(zhǎng)度n 所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)正常工作的概率 1 7 中山大學(xué)碩上學(xué)位論文基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的研究 i i q 0 9 5 褂 窶 g 0 9 世 h 粘 山0 8 5 f i k z 舊 k 0 8 柑 螺 曦0 7 5 p 一 j 一一r 一 24681 01 21 4 跳頻序列長(zhǎng)度n 圖2 一l o 不同序列長(zhǎng)度時(shí)跳頻系統(tǒng)正常工作的概率 1 6 本系統(tǒng)能用的頻點(diǎn)數(shù)為1 5 序列長(zhǎng)度即可選的跳頻系統(tǒng)的工作頻點(diǎn)為3 到1 5 個(gè) 不同長(zhǎng)度的序列對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)正常工作的概率都不相同 當(dāng)序列長(zhǎng)度為3 時(shí)跳頻 系統(tǒng)正常工作的概率最低 隨著跳頻序列長(zhǎng)度的增加 系統(tǒng)正常工作的概率逐漸增 加 當(dāng)序列長(zhǎng)度為4 時(shí) 概率己達(dá)到0 9 4 9 2 2 在序列長(zhǎng)度為6 時(shí) 已經(jīng)接近l 而采用定頻進(jìn)行通信時(shí) 由于本系統(tǒng)中可用頻點(diǎn)為1 5 個(gè) 則其正常工作的概率為 1 j 一1 4 o 9 3 3 3 3 也就是說 當(dāng)序列長(zhǎng)度為較小值的4 時(shí) 跳頻系統(tǒng)正常工作的概率 1 5 就已經(jīng)大于定頻系統(tǒng)正常工作的概率 即跳頻系統(tǒng)更具有抗干擾性 由此可見 采用跳頻技術(shù)可以大大的增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力 當(dāng)序列長(zhǎng)度越大 時(shí)其抗干擾能力最強(qiáng) 2 6 本章小結(jié) 在這一章中 首先闡述跳頻通信系統(tǒng)的原理并給相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo) 隨后就 跳頻通信系統(tǒng)的組成再分別介紹跳頻通信序列的設(shè)計(jì)及頻率合成器的相關(guān)技 術(shù) 在跳頻通信序列的設(shè)計(jì)中 先給出漢明相關(guān)性的概念 給出幾種常用的跳 1 8 第2 章跳頻通信技術(shù)的基本原理 頻通信序列的組成及設(shè)計(jì)方法 并分析其漢明相關(guān)性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 而在頻率合 成器的相關(guān)技術(shù)中 給出了幾種技術(shù)的原理及優(yōu)劣 最后 對(duì)跳頻通信系統(tǒng)的 抗干擾性能進(jìn)行分析 并將跳頻通信系統(tǒng)與定頻通信系統(tǒng)進(jìn)行比較 得出跳頻 通信系統(tǒng)更具有抗干擾性 1 9 第3 章基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 第3 章基于跳頻的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 3 1 基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的應(yīng)用及要求 本論文在工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)中新加了跳頻這項(xiàng)技術(shù) 使得系統(tǒng)在惡劣的工 業(yè)環(huán)境下可以起到抗干擾及增加用戶數(shù)的作用 基于跳頻的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng) 主要是用于水泥泵車上 實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥泵車的控制 同時(shí)系統(tǒng)還可以用于冶金 建筑 碼頭 港口 礦山 鐵路等眾多領(lǐng)域里各種設(shè)備的遙控操作 如超重機(jī) 皮帶運(yùn)輸車等 更可實(shí)現(xiàn)對(duì)整條生產(chǎn)線的無(wú)線遙控操作 所設(shè)計(jì)的遙控系統(tǒng)應(yīng) 該滿足以下要求 1 系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)接收端和數(shù)據(jù)采集發(fā)送端及執(zhí)行電路組成 每一對(duì)機(jī)器 對(duì)應(yīng)一個(gè)相同的設(shè)備識(shí)別號(hào) i d 數(shù)據(jù)接收端應(yīng)具有識(shí)別同一i d 號(hào)的數(shù)據(jù)采 集發(fā)送端的能力 2 要求系統(tǒng)有可靠性的設(shè)計(jì) 如低電壓檢測(cè)預(yù)警 指示燈及復(fù)位開關(guān)等 3 模擬量的路數(shù)不應(yīng)低于8 路 采集的模擬量必須通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成 轉(zhuǎn)換的精度不應(yīng)低于8 位 轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)在微秒級(jí) 4 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端采集的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 這些數(shù)字量傳送到數(shù)據(jù) 接收端 在數(shù)據(jù)接收端一端必須還原成模擬量 基于節(jié)約成本及提高可靠性的 要求 要求使用p 刪波代替d a 轉(zhuǎn)換器 5 開關(guān)量的路數(shù)不應(yīng)低于2 路 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端的每一路開關(guān)都可以實(shí) 時(shí)的無(wú)線控制相應(yīng)的鍵位 響應(yīng)時(shí)間不高于3 0 0 m s 6 跳頻點(diǎn)數(shù)不應(yīng)低于5 個(gè) 跳頻圖案 跳頻同步方案及跳頻序列的設(shè)計(jì) 應(yīng)該具有較強(qiáng)的抗干擾性 7 系統(tǒng)的可遙控距離應(yīng)大于8 0 米 8 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)接收端是安裝在車輛上 采用車輛的火花塞點(diǎn)為系統(tǒng)供電 而數(shù)據(jù)采集發(fā)送端是便攜式的 采用的是電池供電 因此在設(shè)計(jì)電源上應(yīng)充分 考慮這些因素并采取必要的電源抗干擾措施 2 l 中山大學(xué)碩士學(xué)位論文基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的研究 3 2 基于跳頻技術(shù)的工業(yè)無(wú)線遙控系統(tǒng)的