中國868MHz頻段微功率無線電應用射頻設備的要求

2008年中國政府為微功率（短距離）無線電應用增加了868MHz~ 868.6MHz的工作頻率。其對無線電設備的射頻要求如下：

（1）發射功率限值：5mW（e.r.p）；

（2）發射信號的占空比限值：1%；

（3）載波頻率容限：100×10-6；

并把該類設備歸類于“各類民用設備的無線電控制裝置中。

從上面的規定中可以看到，該頻段可用帶寬為600kHz，但并沒有明確在該頻道使用的帶寬，數據速率以及調制方式方面要求，這就給予了應用很大的空間。本文主要是基于868MHz頻段的要求，設計了比較簡單通用的無線收發系統，該系統可適用于該頻段的不同的無線傳輸應用。

SX1231介紹及性能描述

SX1231芯片是Semtech公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的UHF RF收發器。其工作電壓為1.8V~3.6V，24引腳QFN封裝，工作頻率包括3155MHz、4335MHz、 8685MHz和915MHz無許可證的ISM頻段；內部集成SIGMA-DELTA小數分頻鎖相環、功率放大器、喚醒定時器、數字調制解調器、66字節的發送和接收數據FIFO、數據包處理、數據加密功能AES，以及6個可配置的DIO等，所有主要的RF通信參數是可編程的，大多數可動態設定。采用16節的FIR通路濾波器，因而有好的選擇性；發射功率可編程輸出，從-18dBm到+17dBm；有多種調制解調方式：FSK、GFSK、MSK、GMSK和OOK等；SX1231在使用時所需的外部元件很少，1個32MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發系統，設計簡單且成本低。SX1231在1.2kbps時的靈敏度高達-120dBm，主要用在無線抄表（AMR）、無線傳感器網絡、家庭和建筑物自動化、無線告警和安全系統、工業監視和控制等領域。

無線射頻收發系統設計

系統總體方案

無線射頻收發系統的結構框圖如圖1所示，由STM8L151K2單片機控制SX1231實現無線數據的收發。發送模塊中的STM8L151K2將數據傳送給SX1231，然后SX1231對數據進行包格式處理，包括增加前導碼、同步字、CRC校驗碼，如果需要也可以對數據進行加密處理。最后數據包經天線發送給接收模塊。接收模塊對接收到的射頻信號放大、解調、解包之后，再將數據送給主控制器STM8L151K2進行相應的處理，如送顯示屏或PC數據處理中心等。該系統包括按鍵和液晶顯示屏等人機交互界面，以及RS232接口，這實現了與PC的通信功能。

圖1 系統方框圖

系統硬件設計

主控芯片選用ST公司推出的單片機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、觸摸屏控制功能等外圍模塊接口，完全滿足本系統對微控制器的要求；有多種電源管理模式(如等待模式、低功耗運行模式、低功耗等待模式等)。

STM8L151K2可以通過SPI接口對SX1231的內部寄存器進行讀寫操作，靈活配置各項參數。通過4線SPI接口完成對SX1231的初始化配置、讀寫數據、訪問FIFO等操作，使SX1231正常工作在發射、接收模式，完成數據在空中的傳播。

SX1231是15腳~18腳的標準的SPI接口，DIO0~DIO5可以通過內部寄存器來配置成不同的中斷信號。映射關系如表1所示，這樣可以很方便地獲取SX1231的工作狀態。如果需要了解FIFO滿、FIFO不是完全空，工作模式Ready，有效的數據包發送或接收、電池電壓低、RSSI、PLL鎖定等狀態，都可以配置寄存器來把這些信號映射到DIO PIN，然后單片機STM8L151K2通過檢測這些DIO PIN的電平來獲得或者主動通知MCU某個狀態發生。可用19腳（RXTX）控制射頻收發開關以進行發射通路和接收通路的切換，高電平時為發射狀態。圖2中采用UPG2214TB射頻開關，V1和V2分別為開關的控制腳。由于SX1231只有一個控制腳，因此增加一個三極管反相器就完成了開關的控制。21腳（RFIO）是發射和接收共用的PIN，但是該PIN的最高輸出功率為13dBm。如果需要輸出更高的功率（17dBm或20dBm），就必須把發射接至23腳（PABOOST），這時21腳（RFIO）只當作接收PIN。

圖2 硬件設計原理圖

SX1231接收端的輸入阻抗可設置成50Ω和200Ω，通常設成200Ω，此時同一匹配值在全頻段仍可獲得很好的靈敏度。

SX123節省功耗方面有一些很重要的特性：

（1）工作電壓范圍寬：從1.8V~3.6V都可以正常工作，且任何特性都保持不變。特別是對于發射，工作電壓低至1.8V時仍然保持相同的輸出功率，即電壓從1.8V~3.6V，輸出功率都能到達17dBm或20dBm，不隨電壓而變。但是其他類似的芯片，輸出功率則隨著電壓的下降而降低。這樣一種特性，使得該系統能夠使電池的利用最大化，延長電池的使用壽命，這對低功耗的應用來說具有非常重大的意義。

（2）可以在sleep/standby模式下讀寫寄存器：該特性節約了寫FIFO時的功耗。在sleep模式下的電流為0.1μA，而在接收模式下的電流為16mA，節約了160000倍的功耗。

表1 DIO PIN 與信號的映射關系表

系統軟件設計

系統中各主要功能模塊均編成獨立的函數由主程序調用。功能模塊包括：初始化程序（包括初始化STM8L151K2、SX1231）、無線發送程序、無線接收程序等。無線發送程序負責寫入數據載荷到SX1231，并根據通信協議來配置芯片的前導碼、同步字及CRC校驗碼，最后SX1231把其組裝成數據包將其發送出去；無線接收程序負責接收并處理數據。首先，SX1231接收到一個完整的數據包，之后逐步的把前導碼、同步字以及CRC碼去除，最后MCU從其FIFO中取出有效數據。

無線收發模塊之間的通信是以數據包的形式發送的，本系統定義的數據包格式如表2所示。

表2 本文系統定義的數據包格式

其中，Preamble(前導碼)是一連串的10101010（0XAA）或01010101（0X55），其數量為0~655635字節，具體幾個字節可以根據應用的需要來設定。前導碼主要用來進行幀同步，接收機主要依靠前導碼來進行有用信號識別，完成頻率控制，以及自動增益控制、信號強度判斷等動作以確保用最佳的狀態接收正確的數據。SyncWord(同步字)在前導碼之后，通過設定好的同步字來作為同步模式的標志碼，也可以作為一個網絡的ID，相同網絡的設備用相同的同步碼。而接下來的地址碼（Address）可以作為網絡內每個設備的ID，如果數據包中的地址于本設備的地址相同，則接收數據，否則不予處理。有效載荷（Message）是真正需要傳輸的數據。最后是CRC校驗碼，由芯片自動完成。

初始化程序

初始化程序包括STM8L151K2的初始化以及SX1231的收發頻率、工作模式、調制方式、數據速率以及數據包處理等寄存器的初始化配置。

系統上電后，STM8L151K2處于默認狀態，根據系統功能需求重新進行初始化配置。SX1231也處于默認狀態，需要進行配置才能工作。SX1231的初始化是一個重要的部分，正確的配置對系統最終的通信性能有很大的影響。

數據發送程序

無線發送程序流程如圖3所示。完成STM8L151K2、SX1231的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字；然后通過SPI連續寫寄存器向TX FIFO內寫入需要發送的數據；再切換到發射模式。當數據發送完后，PacketSent寄存器置1，同時映射的DIO PIN會變成高電平通知MCU數據包發送完成。然后寫數據到FIFO，發送，如此循環。直到所有數據發送完成，進入Sleep模式。

圖3 數據收發流程圖

數據接收程序

程序完成STM8L151K2、SX1231的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字，把SX1231配置為接收狀態。檢測PayloadReady為高電平時，表明已經收到數據，然后MCU從FIFO中讀取數據，并進行處理。如此循環直至完成接收。

系統測試結果

系統測試條件及設置

該部分為本系統測試時的設置，根據不同的應用需求，部分設置可用作相應的變動。

•電源電壓：3.3V

•頻率：868.3MHz

•數據速率：4.8kbps

•頻偏：5.0kHz

•接收機帶寬：10kHz

•數據類型：PN15

•功率設定：4dBm

測試結果

發射功率

從圖4中可以看到，發射功率為6.86dBm。低于5mW（7dBm）的規范要求。

圖4 發射功率

載波頻率容限：100x10-6

從圖5中可以看出，設置為868.3MHz輸出，實際測量的頻率為868.2960MHz，則頻率偏差為(（868.30-868.296）MHz/868MHz)=4.6×10-6，小于規定的載波頻率容限100×10-6。

圖5 載波頻率容限

發射信號的占空比限值：1%

發射信號的占空比通常指在一定時間內，發射信號的時間與未發射信號的時間比值。這主要取決于應用的要求，但是對類似短距離無線通信，發射器的發射的時間是非常的小，適合于各種控制類應用。如抄表的應用中，每個月抄表一次，而且每次發射的時間都小于1秒，這個占空比遠遠小于1%。

圖6 信道間隔和占用帶寬

圖7 鄰信道功率

信道間隔和占用帶寬

對于25kHz的信道間隔，允許的占用帶寬為8.5kHz~16kHz之間。從圖6的結果中可以看到，占有99%的能量的占用帶寬為14.7247kHz，小于16kHz。

鄰信道功率

在載波25kHz頻率偏移處的功率須小于載波功率40dB。

接收靈敏度

接收靈敏度是-113.4dBm@0.1%。整個系統的接收鏈路預算為120.2dB。通信距離可以達到600m左右。

從測試結果可看出該系統具有很好的性能，精準的頻率控制，高的接收靈敏度，可以滿足于寬帶的應用要求，而且結果也表明完全適合于窄帶應用。完全滿足于中國年微功率（短距離）無線電應用對于868MHz~868.6MHz頻段的規范要求。在本系統的基礎上，稍作改變就可適用于不同的應用環境。