一种支持Wi-SUN协议的高性能无线收发器的制作方法

一种支持wi
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sun协议的高性能无线收发器
技术领域
1.本实用新型涉及物联网技术领域，尤其是涉及一种用户成本低、数据安全性高、试用低功耗远距离大规模组网的支持wi
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sun协议的高性能无线收发器。


背景技术：

2.物联网是目前信息化时代的一个大趋势，它强调的是万物联网，物联网的普及将会对我们未来的生活带来极大的便利，因物联网兴起，远距离通讯需求日益增加，低功耗广域网通讯技术犹如百花齐放，包括wi
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sun，lorawan，nb
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iot，zigbee等。这些方案大致分为两类，一类是运营商的蜂窝网络、一类是自组网络。运营商的蜂窝网络例如nb
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iot，它有着布网方便、技术门槛低、网络规模大等优势。自组网络例如比较成熟的lorawan、zigbee等，能够自己掌控网络，且通信的带宽较高，可以自己定制协议等优势。由于lorawan的核心技术在其公司semtech的手中，这种形式无形中使用者会绑定在lora技术下，该技术的发展和更新以及政策的变动都会影响到lorawan的使用者。而zigbee虽然已经是一个标准的成熟的组网技术，但是他的网络范围是远远达不到现在物联网需求的。现在nb
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iot等的计费方式还不是很明确，导致用户使用成本比较高。另外一个限制在于用户数据都要跑在公网，对于数据安全是一个考验。
3.例如，一种在中国专利文献上公开的“基于nb
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iot以及zigbee的融合网关网络系统”，其公告号cn208849799u，包括zigbee协调器、bc95模块以及互联网上的云平台；所述融合网关用于将zigbee网络与nb
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iot网络相连通；所述nb
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iot网络与所述互联网相连通，所述zigbee网络通过所述nb
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iot网络与互联网相连通；zigbee网络包括路由器节点以及终端节点；zigbee调节器为zigbee网络的中心，zigbee调节器与所述bc95模块串口连接，zigbee调节器用于收集所述路由器节点以及终端节点的数据信息，并通过zigbee调节器与bc95模块之间的串口，将数据信息发送给bc95模块，bc95模块通过nb
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iot网络将所述数据信息传输至互联网上的云平台。尽管zigbee虽然已经是一个标准的成熟的组网技术，但是他的网络范围是远远达不到现在物联网需求的。现在nb
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iot等的计费方式还不是很明确，在该方案中基于nb
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iot以及zigbee的融合网关会导致用户使用成本比较高，且限制在于用户数据都要跑在公网，不利于保证用户数据安全。


技术实现要素：

4.本实用新型是为了克服现有技术的无法实现大规模组网的问题，提供一种支持wi
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sun协议的高性能无线收发器，本实用新型标准、规范、不绑定即可实现大规模组网，工作频段为902mhz～928mhz，支持wi
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sun协议，很适用与低功耗，远距离，大规模的组网。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种支持wi
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sun协议的高性能无线收发器，包括电源模块、射频芯片、时钟模块、发射模块、接收模块和高频开关控制模块；所述电源模块包括两路输出，其中一路输出为3.3v电源电路，另一路输出为2.85v电源电路。
7.本实用新型方案基于ieee802.15.4的规范，工作频段为902mhz～928mhz，支持wi
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sun协议，很适用与低功耗，远距离，大规模的组网，通过器件选择，电路优化，阻抗匹配等方式优化本实用新型方案的射频性能，使得其能满足工作频段为902mhz～928mhz并且最大能输出30dbm，电流在750ma左右，并且接收回路带lna放大，这样可以让本实用新型方案的更远距离传输成为可能。
8.作为优选，所述3.3v电源电路包括电容c5、电容c6、电阻r13、降压芯片u1、电容c1、电感b1，输入电源5v_in分别与电容c5一端、电容c6一端、电阻r13一端和降压芯片u1输入端相连接，电阻r13另一端与降压芯片u1使能端相连接，降压芯片u1输出端分别与电容c1一端和电感b1一端相连接，电感b1另一端与3.3v电源电路输出端vdd_mcu相连接。
9.作为优选，所述2.85v电源电路包括电容c8、降压芯片u2、电阻r11、电阻r1、电阻r2和电容c18相连接，2.85v电源电路输入端pa_5v分别与电容c8一端和降压芯片u2输入端相连接，降压芯片u2使能端通过电阻r11接地，降压芯片u2输出端分别与电阻r1一端、电容c18一端和2.85v电源电路输出端pa_vref相连接，电阻r1另一端分别与降压芯片u2的bp/fb端相连接，电阻r2另一端、电容c18另一端和电容c8另一端接地。
10.作为优选，所述时钟模块包括mcu时钟电路和rf时钟电路。
11.作为优选，所述mcu时钟电路包括电容c35、晶振x1和电容c36，晶振x1一端通过电容c35接地，晶振x1另一端通过电容c36接地。
12.作为优选，所述rf时钟电路包括晶振x2、电容c54、电阻r31和电容c55，晶振x2第一引脚与电容c55一端连接，电容c55另一端分别与晶振x2第二引脚、电阻r31一端、电容c54一端和晶振x2第四引脚连接，电阻r31另一端接地，电容c54另一端与晶振x2第三引脚连接。
13.作为优选，所述发射模块包括电阻r9、电阻r10、电容c52、电容c7、电感l2、电容c11、电容c13、电容c16、电感l3、电感l5、电容c19、电容c21、电感l7、射频功率放大器u5、电容c23、电阻r15、电阻r18、电阻r19、电阻r20、电感b2、电阻r21、电容c56、电感l10、电容c28、电感l12、电容c30、低通滤波器u7、电感l14、电容c31、电容c32和电感l16，电源vdd_mcu分别与电容c52一端和电感l1一端连接，电感l1另一端分别与电阻r9一端、电阻r10一端和电容c7一端相连接，电容c7另一端与电感l2一端连接，电感l2另一端分别与电容c11一端和电容c13一端相连接，电容c13另一端分别与电容c16一端、电感l3一端和电感l5一端相连接，电感l5另一端分别与电容c15一端、电容c16另一端、电感l7一端和电容c21一端相连接，电容c21另一端分别与电感l7另一端和射频功率放大器u5的rfin引脚相连接，电源vdd_5v分别与电容c23一端和射频功率放大器u5的vccb引脚相连接，射频功率放大器u5的vref1引脚分别与电阻r15一端和电阻r20一端连接，射频功率放大器u5的vref2引脚分别与电阻r18一端和电阻r19一端连接，电阻r19另一端分别与电阻r20一端和电感b2一端相连接，电感b2另一端分别与电源pa_vref、电阻r21一端和电容c56一端相连接，射频功率放大器u5的rfout/vcc2引脚与电感l10一端相连接，电感l10另一端分别与电容c27一端和电容c28一端相连接，电容c28另一端分别与低通滤波器u7第八引脚和电感l12一端相连接，电感l12另一端与电容c30一端相连接，低通滤波器u7第四引脚分别与电容c31一端和电感l14一端相连接，电容c31另一端分别与电容c32一端和电感l16一端相连接，电感l16另一端、电感l14另一端、电容c30另一端、电容c27另一端、电容c56另一端、电阻r15另一端、电阻r18另一端、电容c23另一端、电容c15另一端、电感l3另一端、电容c11另一端和电容c52另一端均接地。
14.作为优选，所述接收模块包括巴伦电路和lna电路，所述巴伦电路包括电感l4、电容c9、电容c10、电容c2、电容c15和电感l6，电容c9一端定义为rxip，电容c10一端定义为rxin，电容c9另一端分别与电感l4一端和电容c2一端相连接，电容c2另一端与电感l6一端连接，电感l6另一端分别与电容c15一端和电容c10另一端相连接，电容c15另一端和电感l4另一端均接地。
15.作为优选，所述lna电路包括电感b3、电容c58、电容c25、电容c53、噪声放大器u6、电阻r22、电感l11、滤波器saw1、电容c60和电容c33，电源vdd_mcu与电感b3一端连接，电感b3另一端分别与电容c25一端、电容c53一端和噪声放大器u6的vdd端相连接，电容c58一端与噪声放大器u6的rfo引脚相连接，噪声放大器u6的vctl引脚通过电阻r22接地，噪声放大器u6的rfi引脚与电感l11一端连接，电感l11另一端与电容c60一端连接，电容c60另一端与滤波器saw1第四引脚连接，滤波器saw1第一引脚与电容c33一端连接。
16.作为优选，所述高频开关控制模块包括高频开关u9、电容c32、电容c40、电容c41、电感l17、电容c42、电感l18和瞬态抑制二极管d1，电容c32一端与高频开关u9的rf1引脚连接，高频开关u9的v2引脚与电容c41一端连接，高频开关u9的v1引脚与电容c40一端连接，高频开关u8的rfc引脚分别与电感l17一端和电容c42一端相连接，电容c42另一端分别与电感l18一端和瞬态抑制二极管d1一端相连接，电容c40另一端、电容c41另一端、电感l17另一端、电感l18另一端和瞬态抑制二极管d1另一端均接地。
17.因此，本实用新型具有如下有益效果：
18.本实用新型方案基于ieee802.15.4的规范，工作频段为902mhz～928mhz，支持wi
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sun协议，很适用与低功耗，远距离，大规模的组网，通过器件选择，电路优化，阻抗匹配等方式优化本实用新型方案的射频性能，使得其能满足工作频段为902mhz～928mhz并且最大能输出30dbm，电流在750ma左右，并且接收回路带lna放大，这样可以让本实用新型方案的更远距离传输成为可能。
附图说明
19.图1是本实用新型的结构框图。
20.图2是本实用新型的3.3v电源电路的电路图。
21.图3是本实用新型的2.85v电源电路的电路图。
22.图4是本实用新型的mcu时钟电路的电路图。
23.图5是本实用新型的rf时钟电路的电路图。
24.图6是本实用新型的发射模块的电路图。
25.图7是本实用新型的巴伦电路的电路图。
26.图8是本实用新型的lna电路的电路图。
27.图9是本实用新型的高频开关控制模块的电路图。
28.图中：1、电源模块 2、射频芯片 3、时钟模块 4、发射模块 5、接收模块 6、高频开关控制模块。
具体实施方式
29.下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。
30.本实施例提供了一种支持wi
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sun协议的高性能无线收发器，如图1
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9所示，包括包括电源模块1、射频芯片2、时钟模块3、发射模块4、接收模块5和高频开关控制模块6，所述电源模块、时钟模块、发射模块、接收模块和高频开关控制模块均与射频芯片相连接；电源模块包括两路输出，其中一路输出为3.3v电源电路，另一路输出为2.85v电源电路；射频芯片采用濎通芯的vc7300bu，该芯片是一款mcu+rf的soc，支持902mhz～928mhz的工作频段。
31.其中，3.3v电源电路包括电容c5、电容c6、电阻r13、降压芯片u1、电容c1、电感b1，输入电源5v_in分别与电容c5一端、电容c6一端、电阻r13一端和降压芯片u1输入端相连接，电阻r13另一端与降压芯片u1使能端相连接，降压芯片u1输出端分别与电容c1一端和电感b1一端相连接，电感b1另一端与3.3v电源电路输出端vdd_mcu相连接；为了保证输入电源上的噪声尽可能的小，需要在降压芯片u1的第四引脚上并联一个对地1μf旁路电容；降压芯片u1的第三引脚是芯片关闭控制引脚，低电平关闭芯片、高电平使能芯片，因为输出的3.3v需要提供给射频芯片，该ldo不能处于关闭状态，故通过10k电阻r13上拉至输入电压；为了更好的抑制噪声和提高输出电压稳定性，输出端并联一个1uf或者更大的滤波电容c1。
32.其中，2.85v电源电路包括电容c8、降压芯片u2、电阻r11、电阻r1、电阻r2和电容c18相连接，2.85v电源电路输入端pa_5v分别与电容c8一端和降压芯片u2输入端相连接，降压芯片u2使能端通过电阻r11接地，降压芯片u2输出端分别与电阻r1一端、电容c18一端和2.85v电源电路输出端pa_vref相连接，电阻r1另一端分别与降压芯片u2的bp/fb端相连接，电阻r2另一端、电容c18另一端和电容c8另一端接地。
33.输出2.85v为pa芯片提供偏置电压，这里选择一款输出电压可调ldo，并联1uf电容c8作用是降低噪声，提高输出电压稳定性；为了提高i/o复用率，控制引脚与高频开关共用了同一个i/o，降压芯片u2第四引脚为输出电压反馈输入引脚，电阻r1、电阻r2是调节实际输出电压，设定在输出电压为2.85v时，电阻r1、电阻r2分别取值12.1k、4.7k。
34.时钟模块包括mcu时钟电路和rf时钟电路；mcu时钟电路包括电容c35、晶振x1和电容c36，晶振x1一端通过电容c35接地，晶振x1另一端通过电容c36接地；述rf时钟电路包括晶振x2、电容c54、电阻r31和电容c55，晶振x2第一引脚与电容c55一端连接，电容c55另一端分别与晶振x2第二引脚、电阻r31一端、电容c54一端和晶振x2第四引脚连接，电阻r31另一端接地，电容c54另一端与晶振x2第三引脚连接。
35.发射模块包括电阻r9、电阻r10、电容c52、电容c7、电感l2、电容c11、电容c13、电容c16、电感l3、电感l5、电容c19、电容c21、电感l7、射频功率放大器u5、电容c23、电阻r15、电阻r18、电阻r19、电阻r20、电感b2、电阻r21、电容c56、电感l10、电容c28、电感l12、电容c30、低通滤波器u7、电感l14、电容c31、电容c32和电感l16，电源vdd_mcu分别与电容c52一端和电感l1一端连接，电感l1另一端分别与电阻r9一端、电阻r10一端和电容c7一端相连接，电容c7另一端与电感l2一端连接，电感l2另一端分别与电容c11一端和电容c13一端相连接，电容c13另一端分别与电容c16一端、电感l3一端和电感l5一端相连接，电感l5另一端分别与电容c15一端、电容c16另一端、电感l7一端和电容c21一端相连接，电容c21另一端分别与电感l7另一端和射频功率放大器u5的rfin引脚相连接，电源vdd_5v分别与电容c23一端和射频功率放大器u5的vccb引脚相连接，射频功率放大器u5的vref1引脚分别与电阻r15一端和电阻r20一端连接，射频功率放大器u5的vref2引脚分别与电阻r18一端和电阻r19一端连接，电阻r19另一端分别与电阻r20一端和电感b2一端相连接，电感b2另一端分别与电源pa_
vref、电阻r21一端和电容c56一端相连接，射频功率放大器u5的rfout/vcc2引脚与电感l10一端相连接，电感l10另一端分别与电容c27一端和电容c28一端相连接，电容c28另一端分别与低通滤波器u7第八引脚和电感l12一端相连接，电感l12另一端与电容c30一端相连接，低通滤波器u7第四引脚分别与电容c31一端和电感l14一端相连接，电容c31另一端分别与电容c32一端和电感l16一端相连接，电感l16另一端、电感l14另一端、电容c30另一端、电容c27另一端、电容c56另一端、电阻r15另一端、电阻r18另一端、电容c23另一端、电容c15另一端、电感l3另一端、电容c11另一端和电容c52另一端均接地。
36.发射模块包括输出阻抗进行匹配及滤波电路，使得在902mhz～928mhz频段的输出信号效率及谐波较好，在902mhz～928mhz的p1db是30dbm，先通过电阻c21和电感l7组成带通滤波器滤除输入信号的干扰，然后输出后在经匹配电路到lpf；低通滤波器主要作用是滤除输出信号里的高次谐波，选择902mhz～928mhz集成低通滤波器，其在通带内插损为最大0.5db、二/三次谐波抑制均能达到30db，而且输入/出端口阻抗都是标准的50ω，无需增加额外的匹配电路。
37.接收模块包括巴伦电路和lna电路，所述巴伦电路包括电感l4、电容c9、电容c10、电容c2、电容c15和电感l6，电容c9一端定义为rxip，电容c10一端定义为rxin，电容c9另一端分别与电感l4一端和电容c2一端相连接，电容c2另一端与电感l6一端连接，电感l6另一端分别与电容c15一端和电容c10另一端相连接，电容c15另一端和电感l4另一端均接地。
38.lna电路包括电感b3、电容c58、电容c25、电容c53、噪声放大器u6、电阻r22、电感l11、滤波器saw1、电容c60和电容c33，电源vdd_mcu与电感b3一端连接，电感b3另一端分别与电容c25一端、电容c53一端和噪声放大器u6的vdd端相连接，电容c58一端与噪声放大器u6的rfo引脚相连接，噪声放大器u6的vctl引脚通过电阻r22接地，噪声放大器u6的rfi引脚与电感l11一端连接，电感l11另一端与电容c60一端连接，电容c60另一端与滤波器saw1第四引脚连接，滤波器saw1第一引脚与电容c33一端连接。
39.为了提升模组接收灵敏度性能，本实用新型方案选择了lna进行信号放大，该lna在902mhz～928mhz的增益和噪声系数分别为15db、1db；通过噪声放大器u6的lna en引脚可以切换lna的工作模式，这样会增强模块的韧性，在大功率信号输入时可将lna切成bypass模式防止芯片损坏，同时为了尽量降低对环境噪声对接收信号的干扰，在lna的输入端串接了一颗saw滤波器，其通带频段为902
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928mhz，通带内插损为1.5db。
40.高频开关控制模块包括高频开关u9、电容c32、电容c40、电容c41、电感l17、电容c42、电感l18和瞬态抑制二极管d1，电容c32一端与高频开关u9的rf1引脚连接，高频开关u9的v2引脚与电容c41一端连接，高频开关u9的v1引脚与电容c40一端连接，高频开关u8的rfc引脚分别与电感l17一端和电容c42一端相连接，电容c42另一端分别与电感l18一端和瞬态抑制二极管d1一端相连接，电容c40另一端、电容c41另一端、电感l17另一端、电感l18另一端和瞬态抑制二极管d1另一端均接地。
41.本实用新型方案的硬件性能可以满足902mhz～928mhz的频段，并且发射功率高达30dbm，接收灵敏度在50kbps，250字节包长，丢包率10％的条件下高达
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110dbm，是一款高性能的无线收发器，另外本实用新型方案是一款支持wi
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sun协议的硬件，也就是说能够提供给用户一个支持标准的、规范的、不绑定的能够实现大规模组网的一种无线组网方案，可以解决物联网行业的几个痛点，标准化协议，开放不绑定；可以实现大规模组网应用；低功耗
远距离方便进行各种物联网设备的改造，减低改造成本。
42.上述实施例对本实用新型的具体描述，只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述实用新型的内容对本实用新型作出一些非本质的改进和调整均落入本实用新型的保护范围内。