专利名称：用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字信号无线通信收发模块，尤其是涉及一种用于大学本科通信原理实 验课程教学系统的数字信号无线通信收发模块。
背景技术：
从早期的红外通讯技术，到现在包括UWB、 Zigbee、 RFID和蓝牙等在内的短距离无线 通信技术正日益走向成熟，应用步伐不断加快，各种短距离无线通信技术将在自动化控制和 家庭信息化领域扮演越来越重要的角色，发挥越来越重要的作用。
随着通信技术的发展，通信原理已经成为高校中很重要的课程，通信原理实验就成为辅 助这门课程理论学习的重要工具，通过实验可以亲身体会通信系统的实现以及其中各个环节 的工作特点和意义。通信原理实验教学系统一般是采用独立模块化结构设计，各独立模块能 方便地安装与组合，成为开放式实验平台，有利于系统实验及单元实验，也便于进行二次实 验开发。
高校通信原理实验内容通常包括理想信道模拟实验、FM/AM/PAM调制解调实验、数 字基带信号实验(RZ/CMI/HDB3/AMI等码型编/译实验)、数字调制实验(2ASK/2FSK/ 2PSK/2DPSK等)、数字解调实验、锁相环实验、位同步信号提取实验、帧同步信号提取实验、 模拟信号数字化实验(PCM/ADPCM//AM/CVSD)、电话通信实验、计算机数据通信实验、 模拟通信系统实验、数字通信综合系统实验以及计算机通信仿真实验等。
目前，在通信原理实验教学系统中，部分实验系统可以提供QPSK调制解调实验，但基 本都是基于移动通信系统的实验，其中涉及CDMA等比本科通信原理更深层次的内容。少数 涉及无线通信的实验主要有以下几类
1. FM调频收发实验。调频收发实验多在高频电子线路实验系统中，输入信号为音频范 围的正弦波信号，涉及的理论知识基本是电子线路中混频，滤波等知识，与通信原理课程关 联较少。
2. QPSK调频收发实验。调频收发实验在有的移动通信实验系统中存在，可以进行QPSK 调制和发射，其本身相当于一个CDMA手机，进行的实验项目主要是有关CDMA和手机呼 叫，接口等方面的实验，与本科通信原理实验相比，难度和高度都有差距。3. 无线遥控开关实验。这类实验有红外收发和315M (或433M)两种，完成的都是无线 遥控控制开关或LED显示等。信号的发出一般是开关，以无线的形势控制接收端的电路状态。
4. RFID实验模块。RFID读写器的实验，提供RFID卡片和读写器以及操作系统界面， 显示卡片内容，通过编程实验对卡片数据进行读写。
通信原理实验教学时，往往在一间实验室内几十个系统同时进行数字信号无线传输实验， 各组信号相互之间的干扰以及信号源信号NRZ的高数据速率是限制模块正常工作和实验顺 利进行的重要因素。为此，独创性地设计利用单片机采集NRZ信号，再由单片机进行编码和 地址编码，从而成功克服了上述两个难点，既获得了按照发射电路要求速率的输出数据，又 可顺利使用现有芯片和模块达到减速发射无线信号的目的。同时，由于采用了地址编码，因 此解决了实验室内的信号相互干扰问题。而接收电路则核对地址编码，解出有效数据后以位 同步信号作抽样判决，即可恢复出原有的NRZ信号。这样即使以完全相同的载波进行信号发 送，只要地址编码各不相同，就能准确收到相关信号。同时，由于有了单片机的加入，使得 可以对数据进行更加丰富的处理。
至今未见有关将单片机对NRZ信号作为信息参数采集并处理，再结合使用现有芯片、模 块而成功应用于通信原理实验系统的数字通信无线收发模块的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适于短距离无线通信，抗干扰能力较强，数据速率较高的用 于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块。
本发明设有发射模块和接收模块；发射模块设有数字信号源、NRZ信号采集电路、处理 器、编码电路、发射电路和发射天线，接收模块设有接收天线、接收电路、解码电路、处理 器、NRZ信号恢复电路和终端显示电路；NRZ信号采集电路的输入端接数字信号源输出端， NRZ信号采集电路的输出端接编码电路的输入端，编码电路的输出端接发射电路的输入端， 发射电路输出端接发射天线。接收电路的输入端接接收天线，接收电路的输出端接解码电路 的输入端，解码电路的输出端接NRZ信号恢复电路的输入端，NRZ信号恢复电路的输出端 接处理器的输入端，处理器的输出端接终端显示器。
NRZ信号采集电路可设有移位寄存器、计数器和非门，移位寄存器的输入端接数字信号 源(数字信号源包括信息码NRZ和位同步信号BS数字信号源)，移位寄存器的输出端接处 理器的输入端，移位寄存器的输出端还经非门接计数器的输入端。计数器最好设有输出缓冲 器，输出缓冲器的输出端接处理器的输入端。
编码电路可设有编码芯片、数码管和跳线，编码芯片的输入端接处理器的NRZ信号输出端，编码芯片的地址编码端接跳线，编码芯片的编码信号输出端经数码管接发射电路的输入 端。
解码电路可设有解码芯片、数码管和跳线，解码芯片的输出端经数码管接NRZ信号恢复 电路的输入端，解码芯片的地址解码端接跳线。
NRZ信号恢复电路可设有移位寄存器、计数器、触发器和非门，移位寄存器的数据输入 端接接收电路的输出端，移位寄存器的数据输出端分别接处理器的输入端和计数器的输入端， 计数器的数据输出端经非门接触发器的输入端，触发器的输出端接终端显示器。
发射模块与接收模块中的处理器可为单片机，单片机的型号优选89S52型。
在NRZ信号采集电路中，移位寄存器为串入并出式移位寄存器，移位寄存器的型号选用 74HC595，计数器的型号选用74LS160，非门的型号选用74LS04。
在编码电路中，编码芯片的型号优选PT2262。
在解码电路中，解码芯片的型号优选PT2272。
在NRZ信号恢复电路中，移位寄存器为并入串出式移位寄存器，移位寄存器的型号选用 74LS165,计数器的型号选用74LS160,触发器的型号选用74LS74，非门的型号选用74LS04。
下面结合工作原理说明本发明的有益效果当本发明应用在通信原理实验系统时，能准 确地将24位数据采集并输入单片机，经过串并处理之后，NRZ信号的码速率降低8倍，给 后面的信号处理提供了方便，使单片机有足够的时间进行数据处理和存储，且程序非常简练 易懂。由于本发明使用串入并出移位寄存器，利于寄存器读入稳定的NRZ信号，并保证数据 速率高。加入本发明的通信原理实验系统与国内同类产品相比，填补了系统缺少数字通信无 线收发模块的空白，与国外现有无线通信模块相比则更具尺寸合理、结构简单、利于教学应 用以及成本低等优点。本发明的应用对于扩展实验系统的涵盖课程，开拓学生视野，使通信 原理实验课程更紧密地与现代通信相结合，具有重要意义。本发明是一套涉及到数据采集、 信道编码解码、无线收发、天线、抽样判决、串并/并串转换和单片机软件技术等多门科目知 识，综合性较强的收发模块。同时本发明具有抗干扰能力强、收发信息容量大、速率高等优 点，而且接收端获得的NRZ'信号与信号源发送的NRZ信号完全一致。本发明结合NRZ信号 的特点和单片机的处理能力，采用NRZ信号采集电路和抽样判决输出电路，对输入信号速率 从100多kHz到1MHz频段，均可进行数据采集。NRZ信号采集/恢复电路解决了高速率信 息的传输问题，编码/解码电路解决了信号无线传输过程中的抗干扰问题。本发明的信道编码 与解码电路可采用编/解码芯片PT2262/PT2272。设计编码稳定，受外部环境影响小，每一个 位脉冲的脉宽都是稳定准确的，其地址编码端可提供大量地址(如实施例中可提供531441个地址，采用8位地址4位数据的方式，总共可以提供6561种地址方式)，远大于实验室内的 学生人数，充分满足实验教学的需要。此外，本发明的结构简单、制作成本低、易于与现有 实验系统协调配合。
图1为本发明实施例的电路原理框图。
图2为本发明实施例的发射模块电路组成原理图。
图3为图2中的NRZ信号采集电路组成原理图。
图4为图2中的编码电路组成原理图。
图5为本发明实施例的接收模块电路组成原理图。
图6为图5中的NRZ信号恢复电路组成原理图。
图7为图5中的解码电路组成原理图。
图8为本发明实施例使用时采用示波器检测的收/发信号对比示意图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图l，发射模块设有数字信号源l、 NRZ信号采集电路2、编码电路3、发射电路4 和发射天线E1。接收模块设有接收天线E2、接收电路5、解码电路6、 NRZ信号恢复电路7 和终端显示电路8。数字信号源1的信号由NRZ信号采集电路2采集，然后经编码电路3编 码数据，编码数据通过发射电路4由发射天线E1发出。接收电路5经接收天线E2接收由发 射天线El所发射的信号，接收电路5的信号输出端接解码电路6的数据输入端，经解码电路 6解码数据，解码数据输出端接NRZ信号恢复电路7信号输入端，NRZ信号恢复电路7的信 号输出端接终端显示电路8。
参见图2 4，在图2中，本发明的发射模块设有NRZ信号采集电路、单片机U1 (89S52 型)、编码电路、发射电路和发射天线El， NRZ信号采集电路接信息码NRZ和位同步信号 BS数字信号源，NRZ信号采集电路的信号输出端接编码电路的信号输入端，编码电路的信 号输出端接发射电路的信号输入端，发射电路通过发射天线发射无线信号波。在图3中，NRZ 信号采集电路设有串入并出移位寄存器U2(74HC595型)、计数器U3(74LS160型)、2个非门 Ml与M2A (均为74LS04型)。其工作原理是用导线分别将速率为170.5kHz的信息码NRZ 和位同步信号BS从数字信号源接入采集电路的相关两点。以BS为时钟，将串行的NRZ信 号依次移像进入移位寄存器，由计数器对BS进行计数，每8次产生一个进位信号，以进位 信号作为移位寄存器的存储时钟，在第8个数据到来后将这8位数据放在输出缓冲器TC上，同时作为单片机Ul的外中断0 (INT0)，单片机Ul在收到外中断后将数据读入管脚INTO P3.2。如此执行3次，即能准确地将24位数据采集并输入单片机U1。经过这样的串并处理 之后，NRZ信号的码速率降低8倍，给后面的信号处理提供了方便，使单片机U1有了足够 的时间进行数据处理和存储，且程序非常简练易懂。使用非门是利于寄存器读入稳定的NRZ 信号。在图4中，编码电路设有编码芯片U4 (PT2262型)、4只LED数码管以及跳线等。其 工作原理是NRZ信号从单片机U1的P2.4、 P2.5、 P2.6及2.7管脚输出，此时数据被分为6 组，每组4位，由D3、 D2、 Dl及D0管脚输入编码芯片U4 (PT2262型)。在编码芯片U4
(PT2262型)的地址编码端采用跳线连接方式，每套系统利用跳线连接使编码与解码芯片 U4 (PT2262型)的地址端保持一致。编码信号由地址码、数据码和同步码构成一个完整的码 字，从DOUT管脚输出至发射电路的数据输入端。每组数据间加入了一定的延时，数据通过 时被4只LED数码管直观显示出来，并有一定时间间隔便于观察。
参见图5 7，在图5中，本发明的接收模块设有接收天线E2、接收电路、解码电路、单 片机Ull (89S52型)、NRZ信号恢复电路和终端显示电路。接收天线E2接收由发射模块的 发射天线E1所发射的无线信号波，无线信号波传至接收电路的输入端，接收电路的信号输出 端接解码电路的数据输入端，解码电路的数据输出端接NRZ信号恢复电路信号输入端，NRZ 信号恢复电路的信号输出端接单片机U11输入端，单片机U11输出端接终端显示电路。在图 6中，NRZ信号恢复电路设有并入串出移位寄存器UIO (74LS165型)、计数器U7 (74LS160 型)、触发器U9 (74LS74型)、2个非门M9A与M10A (均为74LS04型)等。其工作原理 是发射模块的NRZ采集电路的逆过程。以BS作为计数器U7 (74LS160型)和触发器U9
(74LS74型)的时钟，将BS取反后作为移位寄存器U10的时钟，以利于输出稳定。以计数 器U7 (74LS160型)的Q3取反后作为单片机U11的外中断1 (INT1)，进位信号TC取反后 作为移位寄存器UIO (74LS165型)的并行置数信号。计数器U7 (74LS160型)的Q3的下 降沿比进位信号早一个周期，因此在Q3下降沿之后，单片机Ull收到外中断1，将并行数 据输出到INT1P3.3端口，进位信号TC的下降沿来到之后，该数据被装载到移位寄存器UIO
(74LS165型)中，并以170.5kHz的速率从UIO (74LS165型)的Q7管脚串行移位输出。 输出的串行信号经触发器U9 (74LS74型)进行抽样判决以确保码元宽度相同且为BS上升沿 触发，从而恢复出NRZ信号。在图7中，解码电路设有解码芯片U8 (PT2272型)、4只LED 数码管以及跳线等。其工作原理是接收电路将接收到的数据由DIN管脚输入解码芯片U8
(PT2272型)，解码芯片U8 (PT2272型)的地址解码端采用跳线连接，与发射模块的编码 芯片U4 (PT2262型)的地址端保持一致。解码芯片U8 (PT2272型)得到的信号将地址码经两次比较核对后在管脚VT输出高电平，此时相应的数据管脚DO、 Dl、 D2及D3也输出 高电平。VT端信号取反作为外中断信号通过管脚P3.2(INT0)通知单片机Ull取走解码后的 数据，DO、 Dl、 D2及D3接单片机U11的P1.3、 P1.2、 P1.1P及1.0管脚。
本发明实施例的发射模块与接收模块的单片机均采用89S52型，发射天线El与接收天 线E1均采用取自315M汽车遥控器的拉杆天线。单片机的软件设计和发射/接收天线形状、 尺寸等可根据实际使用要求选取。
如图8所示，采用示波器检测结果接收机获得的NRZ'信号与发射机采集的NRZ信号 源完全一致。
权利要求
1. 用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块，其特征在于设有发射模块和接收模块；发射模块设有数字信号源、NRZ信号采集电路、处理器、编码电路、发射电路和发射天线，NRZ信号采集电路的输入端接数字信号源输出端，NRZ信号采集电路的输出端接编码电路的输入端，编码电路的输出端接发射电路的输入端，发射电路输出端接发射天线；接收模块设有接收天线、接收电路、解码电路、处理器、NRZ信号恢复电路和终端显示电路，接收电路的输入端接接收天线，接收电路的输出端接解码电路的输入端，解码电路的输出端接NRZ信号恢复电路的输入端，NRZ信号恢复电路的输出端接处理器的输入端，处理器的输出端接终端显示电路。
2. 如权利要求1所述的用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块，其特征在于 NRZ信号采集电路设有移位寄存器、计数器和非门，移位寄存器的输入端接数字信号源，移 位寄存器的输出端接处理器的输入端，移位寄存器的输出端还经非门接计数器的输入端。
3. 如权利要求2所述的用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块，其特征在于计 数器设有输出缓冲器，输出缓冲器的输出端接处理器的输入端。
4. 如权利要求1所述的用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块，其特征在于编 码电路设有编码芯片、数码管和跳线，编码芯片的输入端接处理器的NRZ信号输出端，编码 芯片的地址编码端接跳线，编码芯片的编码信号输出端经数码管接发射电路的输入端。
5. 如权利要求1所述的用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块，其特征在于解 码电路设有解码芯片、数码管和跳线，解码芯片的输出端经数码管接NRZ信号恢复电路的输 入端，解码芯片的地址解码端接跳线。
6. 如权利要求1所述的用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块，其特征在于 NRZ信号恢复电路设有移位寄存器、计数器、触发器和非门，移位寄存器的数据输入端接接 收电路的输出端，移位寄存器的数据输出端分别接处理器的输入端和计数器的输入端，计数 器的数据输出端经非门接触发器的输入端，触发器的输出端接终端显示器。
7. 如权利要求1所述的用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块，其特征在于发 射模块的处理器为单片机，接收模块的处理器为单片机。
8. 如权利要求2所述的用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块，其特征在于 NRZ信号采集电路的移位寄存器为串入并出式移位寄存器。
9. 如权利要求6所述的用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块，其特征在 于NRZ信号恢复电路的移位寄存器为并入串出式移位寄存器。
全文摘要
用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块，涉及一种数字信号无线通信收发模块，提供一种适于短距离无线通信，抗干扰能力较强，数据速率较高的用于通信原理实验教学系统的无线通信收发模块。设有发射模块和接收模块；发射模块设有数字信号源、NRZ信号采集电路、处理器、编码电路、发射电路和发射天线，接收模块设有接收天线、接收电路、解码电路、处理器、NRZ信号恢复电路和终端显示电路。
文档编号G09B19/00GK101458876SQ20081007229
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年12月5日
发明者叶志鹏, 懿 宋, 斌 林 申请人:厦门大学