设计nRF9E5的抗干扰跳频通信

　　在民用无线通信应用领域，由于人们对短距离无线通信系统的不断开发和广泛应用，免申请的ISM频段资源越来越紧张，各系统之间频率的重合机会也越来越大，系统干扰也越来越严重，所以设计具有跳频功能的民用抗干扰通信系统具有很直接的现实意义。利用该技术，既可以提高系统的抗干扰能力，也可以大大降低系统维护的复杂度。跳频通信系统主要由信号调制解调器、跳频图案发生器、频率合成器和跳频同步器等部件组成，跳频功能主要是：（1） 改善衰落。（2） 处于多径环境中的漫速移动的移动台通过采用跳频技术，大大改善移动台的通信质量，相当于频率分集。本文主要介绍民用抗干扰慢跳频通信系统。

　　1 工作原理

　　nRF9E5的内部结构如图l所示。　所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，性能稳定且不受外界影响，对电源不敏感，距离更远独特的载波监测输出，地址匹配输出，就绪输出片上系统集成的主要部件有：与8051兼容的微处理器、4 KB RAM及相关特殊功能寄存器（SFR）、4输入通道10位80 ksps的A／D转换器、433／868／915 MHz的nRF905无线收发器、电源管理及复位电路、PWM控制器、SPI接口控制器、低功耗模式RC振荡器、看门狗定时器、端口逻辑及RTC定时器，等等。跳频的原理是：按全网预设的程序，自动操控网内所有台站在一秒钟内同步改变频率多次，并在每个跳频信道上短暂停留。周期性的同步信令从主站发出，指令所有的从站同时跳跃式更换工作频率。该芯片射频信号输出功率可编程，输出为10 dBm，通道转换时间小于650μs，具有载波监听功能，支持LBT（Listen Before Trans—mit）协议。

　　nRF9E5内部集成的无线收发器可工作于433／868／915 MHz频段范围内。内置完整的通信CRC，只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输，无线通信如同SPI通信一样方便。在图2所示的电路中，若系统要求工作于433 MHz频段，则相关器件按照表1第2列取值；若系统要求工作于868／915 MHz频段，则相关器件按照第3列取值。其中HFREQ_PLL设置工作频段，CH_NO设置工作频点，HFREQ_PLL为一控制位，CH_N0为9位数据。具体的无线载波频率由下列公式进行计算：

　　fOP=[422.4+（CH_NO／10）]×（1+HFREQ_PLL）

　　式中fOP的单位为MHz。若HFREQ_PLL=O，系统工作于433 MHz频段，频点间隔100 kHz，频段范围为422.4～473.5 MHz；若HFREQ_PLL=1，系统工作于868／915MHz，频点间隔200 kHz，频段范围为844.8～947 MHz。由此可见，如果系统程序按照跳频图案产生的伪随机数设置CH_NO，则nRF9E5可以分别实现2个频段512个频点的抗干扰跳频通信。

    光纤收发器在数据传输上打破了以太网电缆的百米局限性，依靠高性能的交换芯片和大容量的缓存，在真正实现无阻塞传输交换性能的同时，还提供了平衡流量、隔离冲突和检测差错等功能，保证数据传输时的高安全性和稳定性。因此在很长一段时间内光纤收发器产品仍将是实际网络组建中不可缺少的一部分，相信今后的光纤收发器会朝着高智能、高稳定性、可网管、低成本的方向继续发展。

　　nRF9E5内部集成的无线收发器采用半双工的方式工作，工作方式由TRX_CE和TX_EN控制位决定，如表2所列。光纤收发器，是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元，在很多地方也被称之为光电转换器（Fiber Converter）。在 ShockBurst接收方式下，当收到一个有效地址的射频数据包时，地址匹配寄存器位（AM）和数据准备好寄存器位（DR）通知片内MCU把数据读出。在ShockBurst发送方式下，nRF905自动给要发送的数据加上前缀和CRC校验。当数据发送完后，数据准备好寄存器位（DR）会通知MCU数据已经处理完毕。产品一般应用在以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中，且通常定位于宽带城域网的接入层应用；同时在帮助把光纤一公里线路连接到城域网和更外层的网络上也发挥了巨大的作用。跳频电台在实际应用中通常要组成跳频通信网，以实现网中的任何两个通信终端均能够做到点到点的正常通信。组网除了要避免近端对远端的干扰、码间干扰、电磁干扰等其它干扰以及由系统引起的热噪声等噪声干扰以外，还要注意避免由组网引起的同道干扰、邻道干扰、互调干扰、阻塞干扰等。具体的收发流程如图3和图4所示。

 

　　2 软件设计

　　在非军事无线通信系统中，如简单的无线数据采集、无线射频识别等，频谱干扰一般是由于频率资源的紧缺以及无线通信系统的无序和广泛应用引起的，所以干扰是随机和无意识的。频谱就是频率的分布曲线，复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。广泛应用在声学、光学和无线电技术等方面。 频谱是频率谱密度的简称。它将对信号的研究从时域引到频域，从而带来更直观的认识。这样的应用场景下，如果数据的传输速率要求也不很高，那么可以设计简单的跳频同步协议来实现抗干扰通信。本设计中，跳频图案的伪随机数存放在256字节的数组中，hopIdx表示数组序号。在通信的初始阶段，接收端一直处于监听状态，发送端从数组O开始选择频点发送数据。若超时，则 hopIdx加1继续发送，直到通信建立成功，然后发送端和接收端按照相同的跳频图案进行通信。

　　频谱利用率定义为：每小区每 MHz支持的多少对用户同时打电话；而对于数据业务来讲，定义为每小区每MHz支持的传输速率。在这里，小区的频率复用系数（f）非常重要：f越低，则意味着每小区可选的频率自由度越大。在CDMA系统中，每个小区都可以重复使用同一频带（f=1）。在一个小区内对每个移动台的总干扰是同区内其他移动台干扰加上所有邻区内移动台干扰之和。

　　发送过程如图5所示。首先初始化各参数，然后根据伪随机数选择发送频点，并在该频点上发送数据，等待3 ms时间。如果接收到数据则表明接收方处于同频点，然后在该频点上进行数据通信。如果3 ms超时，则再尝试；如果继续超时，则再次根据伪随机码选择下一个通信频点进行尝试；如果超时3 s，则退出本次发送过程。

　　接收过程如图6所示，主循环一直处于监听状态，循环调用接收函数。如果收到数据包，则发送响应包，发送完毕之后，hopIdx加1，收发器在另一个频点继续监听。如果在一个频点长时间超限没有收到数据，则转换到另一个频点继续监听。

　　本文以半双工通信过程为例介绍抗干扰跳频通信的实现过程。实现的编程环境为uVisionII，并在Keil C51V7.08编译环境下测试通过。

　　（1）初始化过程

　　初始化过程主要包括无线收发器相关参数的设定，如表3所列。

　　（2）发送过程

　　发送过程主要包括的子函数如表4所列。

　　发送过程主要函数由TransmitPacket实现。

　　（3）接收过程

　　接收过程主要包括的子函数如表5所列。

　　3 总 结

　　随着无线频谱资源的日益紧张，采取跳频通信实现抗干扰通信将会显得越来越重要；无线电的频谱资源也称为频率资源，通常指长波、中波、短波、超短波和微波。一般指9KHz－3000GHz频率范围内发射无线电波的无线电频率的总称而利用nRF9E5设计实现抗干扰跳频通信系统是一种廉价、方便的应对措施，所以必将会在民用市场受到越来越多的关注和应用。