中国868mhz频段微功率无线电应用射频设备的要求

2008年中国政府为微功率（短距离）无线电应用增加了868mhz~ 868.6mhz的工作频率。其对无线电设备的射频要求如下：

（1）发射功率限值：5mw（e.r.p）;

（2）发射信号的占空比限值：1%;

（3）载波频率容限：100×10-6;

并把该类设备归类于“各类民用设备的无线电控制装置中。

从上面的规定中可以看到，该频段可用带宽为600khz，但并没有明确在该频道使用的带宽，数据速率以及调制方式方面要求，这就给予了应用很大的空间。本文主要是基于868mhz频段的要求，设计了比较简单通用的无线收发系统，该系统可适用于该频段的不同的无线传输应用。

sx1231介绍及性能描述

sx1231芯片是semtech公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的uhf rf收发器。其工作电压为1.8v~3.6v，24引脚qfn封装，工作频率包括3155mhz、4335mhz、 8685mhz和915mhz无许可证的ism频段;内部集成sigma-delta小数分频锁相环、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、66字节 的发送和接收数据fifo、数据包处理、数据加密功能aes，以及6个可配置的dio等，所有主要的rf通信参数是可编程的，大多数可动态设定。采用16 节的fir通路滤波器，因而有好的选择性;发射功率可编程输出，从-18dbm到+17dbm;有多种调制解调方式：fsk、gfsk、msk、gmsk 和ook等;sx1231在使用时所需的外部元件很少，1个32mhz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，设计简单且成本低。 sx1231在1.2kbps时的灵敏度高达-120dbm，主要用在无线抄表（amr）、无线传感器网络、家庭和建筑物自动化、无线告警和安全系统、工 业监视和控制等领域。

无线射频收发系统设计

系统总体方案

无线射频收发系统的结构框图如图1所示，由stm8l151k2单片机控制sx1231实现无线数据的收发。发送模块中的stm8l151k2将数 据传送给sx1231，然后sx1231对数据进行包格式处理，包括增加前导码、同步字、crc校验码，如果需要也可以对数据进行加密处理。最后数据包经 天线发送给接收模块。接收模块对接收到的射频信号放大、解调、解包之后，再将数据送给主控制器stm8l151k2进行相应的处理，如送显示屏或pc数据 处理中心等。该系统包括按键和液晶显示屏等人机交互界面，以及rs232接口，这实现了与pc的通信功能。

图1 系统方框图

系统硬件设计

主控芯片选用st公司推出的单片机stm8l151k2。stm8l151k2有1k bytes的ram和8k bytes的flash以及256bytes的eeprom，片上集成了包括串口、spi、i2c、adc、触摸屏控制功能等外围模块接口，完全满足本系 统对微控制器的要求;有多种电源管理模式（如等待模式、低功耗运行模式、低功耗等待模式等）。

stm8l151k2可以通过spi接口对sx1231的内部寄存器进行读写操作，灵活配置各项参数。通过4线spi接口完成对sx1231的初始化配置、读写数据、访问fifo等操作，使sx1231正常工作在发射、接收模式，完成数据在空中的传播。

sx1231是15脚~18脚的标准的spi接口，dio0~dio5可以通过内部寄存器来配置成不同的中断信号。映射关系如表1所示，这样可以很 方便地获取sx1231的工作状态。如果需要了解fifo满、fifo不是完全空，工作模式ready，有效的数据包发送或接收、电池电压低、rssi、 pll锁定等状态，都可以配置寄存器来把这些信号映射到dio pin，然后单片机stm8l151k2通过检测这些dio pin的电平来获得或者主动通知mcu某个状态发生。可用19脚（rxtx）控制射频收发开关以进行发射通路和接收通路的切换，高电平时为发射状态。图2 中采用upg2214tb射频开关，v1和v2分别为开关的控制脚。由于sx1231只有一个控制脚，因此增加一个三极管反相器就完成了开关的控制。21 脚（rfio）是发射和接收共用的pin，但是该pin的最高输出功率为13dbm。如果需要输出更高的功率（17dbm或20dbm），就必须把发射接 至23脚（paboost），这时21脚（rfio）只当作接收pin。

图2 硬件设计原理图

sx1231接收端的输入阻抗可设置成50ω和200ω，通常设成200ω，此时同一匹配值在全频段仍可获得很好的灵敏度。

sx123节省功耗方面有一些很重要的特性：

（1）工作电压范围宽：从1.8v~3.6v都可以正常工作，且任何特性都保持不变。特别是对于发射，工作电压低至1.8v时仍然保持相同的输出功 率，即电压从1.8v~3.6v，输出功率都能到达17dbm或20dbm，不随电压而变。但是其他类似的芯片，输出功率则随着电压的下降而降低。这样一 种特性，使得该系统能够使电池的利用最大化，延长电池的使用寿命，这对低功耗的应用来说具有非常重大的意义。

（2）可以在sleep/standby模式下读写寄存器：该特性节约了写fifo时的功耗。在sleep模式下的电流为0.1μa，而在接收模式下的电流为16ma，节约了160000倍的功耗。

表1 dio pin 与信号的映射关系表

系统软件设计

系统中各主要功能模块均编成独立的函数由主程序调用。功能模块包括：初始化程序（包括初始化stm8l151k2、sx1231）、无线发送程序、 无线接收程序等。无线发送程序负责写入数据载荷到sx1231，并根据通信协议来配置芯片的前导码、同步字及crc校验码，最后sx1231把其组装成数 据包将其发送出去;无线接收程序负责接收并处理数据。首先，sx1231接收到一个完整的数据包，之后逐步的把前导码、同步字以及crc码去除，最后 mcu从其fifo中取出有效数据。

无线收发模块之间的通信是以数据包的形式发送的，本系统定义的数据包格式如表2所示。

表2 本文系统定义的数据包格式

其中，preamble（前导码）是一连串的10101010（0xaa）或01010101（0x55），其数量为0~655635字节，具体几 个字节可以根据应用的需要来设定。前导码主要用来进行帧同步，接收机主要依靠前导码来进行有用信号识别，完成频率控制，以及自动增益控制、信号强度判断等 动作以确保用最佳的状态接收正确的数据。syncword（同步字）在前导码之后，通过设定好的同步字来作为同步模式的标志码，也可以作为一个网络的 id，相同网络的设备用相同的同步码。而接下来的地址码（address）可以作为网络内每个设备的id，如果数据包中的地址于本设备的地址相同，则接收 数据，否则不予处理。有效载荷（message）是真正需要传输的数据。最后是crc校验码，由芯片自动完成。

初始化程序

初始化程序包括stm8l151k2的初始化以及sx1231的收发频率、工作模式、调制方式、数据速率以及数据包处理等寄存器的初始化配置。

系统上电后，stm8l151k2处于默认状态，根据系统功能需求重新进行初始化配置。sx1231也处于默认状态，需要进行配置才能工作。sx1231的初始化是一个重要的部分，正确的配置对系统最终的通信性能有很大的影响。

数据发送程序

无线发送程序流程如图3所示。完成stm8l151k2、sx1231的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化rf控制字;然后通过spi连续写寄 存器向tx fifo内写入需要发送的数据;再切换到发射模式。当数据发送完后，packetsent寄存器置1，同时映射的dio pin会变成高电平通知mcu数据包发送完成。然后写数据到fifo，发送，如此循环。直到所有数据发送完成，进入sleep模式。

图3 数据收发流程图

数据接收程序

程序完成stm8l151k2、sx1231的初始化后，配置寄存器写入相应的初始化rf控制字，把sx1231配置为接收状态。检测payloadready为高电平时，表明已经收到数据，然后mcu从fifo中读取数据，并进行处理。如此循环直至完成接收。

系统测试结果

系统测试条件及设置

该部分为本系统测试时的设置，根据不同的应用需求，部分设置可用作相应的变动。

•电源电压：3.3v

•频率：868.3mhz

•数据速率：4.8kbps

•频偏：5.0khz

•接收机带宽：10khz

•数据类型：pn15

•功率设定：4dbm

测试结果

发射功率

从图4中可以看到，发射功率为6.86dbm。低于5mw（7dbm）的规范要求。

图4 发射功率

载波频率容限：100x10-6

从图5中可以看出，设置为868.3mhz输出，实际测量的频率为868.2960mhz，则频率偏差为（（868.30-868.296）mhz/868mhz）=4.6×10-6，小于规定的载波频率容限100×10-6。

图5 载波频率容限

发射信号的占空比限值：1%

发射信号的占空比通常指在一定时间内，发射信号的时间与未发射信号的时间比值。这主要取决于应用的要求，但是对类似短距离无线通信，发射器的发射的 时间是非常的小，适合于各种控制类应用。如抄表的应用中，每个月抄表一次，而且每次发射的时间都小于1秒，这个占空比远远小于1%。

图6 信道间隔和占用带宽

图7 邻信道功率

信道间隔和占用带宽

对于25khz的信道间隔，允许的占用带宽为8.5khz~16khz之间。从图6的结果中可以看到，占有99%的能量的占用带宽为14.7247khz，小于16khz。

邻信道功率

在载波25khz频率偏移处的功率须小于载波功率40db。

接收灵敏度

【email protected】【email protected】以达到600m左右。

从测试结果可看出该系统具有很好的性能，精准的频率控制，高的接收灵敏度，可以满足于宽带的应用要求，而且结果也表明完全适合于窄带应用。完全满足 于中国年微功率（短距离）无线电应用对于868mhz~868.6mhz频段的规范要求。在本系统的基础上，稍作改变就可适用于不同的应用环境。

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