信号与信息处理

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1、第一章绪论第一节课题背景我们今天的时代，已经进入了一个无线无处不在的时代。出门：我们使用手机打电话、发短信；在家：我们使用无绳电话；开车：我们使用GPS导航找路；上班：我们使用无线网卡上网，办公等等。随着技术进步，无线通讯和无线网络将迅速向我们日常生活中的各个方面扩展，嵌入式的无线通讯和无线网络正在向我走来，以无线片上系统(SoC)为核心的低功耗，小体积，低价格嵌入式无线通讯和无线网络系统近年来得到了迅速发展，已经产生无数的新应用和新的市场。传统的传感器采集系统是有线的，如果要采集多个地方的数据，布线将变的非常复杂，如果距离稍远些数据传输的可靠性将大大降低、并

2、且数据传输速度也慢！如果我们采用无线数传方案，只需要在要采集数据的地方放置几个有无线收发模块的前端数据采集装置（分机）。手中只需一个有无线收发模块的主机，我们就可以管理那些前端的数据采集装置工作。并且主机具有良好的人机交互界面，操作简单，界面美观、清晰，达到实用的目的！这种计算机技术和射频无线技术相结合的无线数据采集技术将大大减轻人们的工作量。目前，新兴的无线传输技术“蓝牙科技BLUETOOTH”、“nRF技术”以无方向性与穿墙性的优势，迅速席卷市场；而“红外线传输IrDA”为应用较成熟普及的技术；红外传输（IrDA）技术虽然很普及、很成熟，但是其距离太短，抗

3、干扰能力差，传输速度慢；蓝牙科技（BLUETOOTH）虽然具有无方向性与穿墙优势，但是它开发成本高、软件及其协议编程不但复杂，传输距离只有10M；而nRF方案集成了全部RF和基带处理，真正的单片化，具有成本更低、功耗更低、协议简单、软件开发更简易等特点，传输几十米、数百米，甚至更远，其开发成本也远远低与蓝牙。挪威Nordic公司的无线通信芯片产品（NRF系列）收发合一，工作频率一般为国际通用的ISM频段，采用低发射功率、高接收灵敏度的设计，所以使用时对周围干扰很小，无需申请许可证，传输速率为20～76.8kbit/s，而在诸如远程抄表、双向无线数据传输等应用领

4、域，完全可以满足其要求。这种低成本无线通信技术和解决方案适合中国国情，相信将会在中国拥有更广阔的市场前景。28第一节无线传感器网络系统的特点目前市场上销售的无线传感数据采集系统千差万别，形式各异。但就一套配置齐全、性能良好的无线数据采集系统而言，概括起来不外乎由传感器、数据采集系统、无线收发模块等几个主要部分组成，如框图1.21所示从图中可以看出无线传感器数据采集系统由主机和前端数据采集装置(单片机)组成。主机主要完成的任务是：控制各前端数据采集装置（分机），对采集数据的实时处理和显示；分机主要的功能是：接收主机命令，完成相应的功能（如完成数据采集和数据传输控

5、制）。主机和分机的信息交换以射频无线（nRF技术）的方式实现，采用半双工的工作方式，通讯协议采用标准的MODBUS(RTU)协议。GFSK频率工作在ISM频段，不需要申请。主机可连接多达255台分机，每分机可采集4路数据，并可实时监控分机的工作状态，采集速度及缓存容量均可通过软件编程设定。整个系统可随时通过RS232接口更新软件，方便以后系统升级！28第二章总体方案设计第一节系统总体方案设计与论证根据前面的介绍，我们知道目前新兴的短距离无线传输技术有：红外线传输IrDA，蓝牙科技BLUETOOTH，nRF技术（事实上nRF并不是一种协议，只是由于其NORDIC

6、公司的nRF芯片应用十分广泛，因此在此与Bluetooth和IrDA等协议相提并论）。由于红外线传输IrDA距离太短，抗干扰能力差，传输速度慢，所以舍弃这种方案。下面仅将蓝牙与nRF作比较：表2.1蓝牙与nRF方案比较方案硬件设计接口方式编程通讯速率通信距离蓝牙方案由多个芯片组成，由发射接收处理，基带处理等多个芯片组成，硬件较复杂。复杂，时序要求严格。通信协议和软件堆栈复杂，需要较长时间熟悉。300-400Kbps10米nRF方案高频电感和滤波器等已全部内置，所需外围元件较少。简便，只需和单片机I/O口或SPI口相连。编程较方便。100-1MKbps室内约30

7、-100米，室外约100-500米。比较nRF方案集成了内部RF和基带处理，真正的单片化，设计调试容易，成本低。nRF较为方便。nRF方案开发周期短。nRF速率较高，更适合多频道的数据传输。nRF距离更远，更适合无线数据采集系统。从上面的比较可以看出，采用nRF方案要优于蓝牙。因此，本系统初步选定NORDIC公司生产的nRF905芯片作为系统无线收发模块的核心。上表中的“通信距离”中给出的数值源于媒体的报道与推广该芯片的公司给出的宣传材料，下面我们根据nRF905Datasheet中给出的一些器件参数来计算nRF905的通信距离。首先给出自由空间传播时的无线通

8、信距离的计算方法（所谓自由空间传播指天