一种嵌入式射频光传输模块实现方案
1.引言
光纤直放站主要由光近端机、光纤、光远端机几个部分组成。光近端机和光远端机都包括射频单元和光单元。信号的传输分下行链路和上行链路。在下行链路中，光近端机接收来自基站的无线信号，通过电光转换，电信号转变为光信号，从光近端机输入至光纤，经过光纤传输到光远端机，光远端机把光信号转为电信号，进入射频单元进行放大，信号经过放大后送入远端天线发送出去，覆盖目标区域。上行链路的工作原理与下行链路类似，手机发射的信号通过远端天线至光远端机，再到近端机，回到基站。光纤直放站近端机的定向天线收到基站的下行信号(以gsm信号为例，频段为935mhz-960m hz)送至近端主机，放大后送到光端机内进行电/光转换，产生波长为1550nm的光信号。因为光纤中传输有波长为1310nm的上行光信号，所以下行的1550nm的光信号要通过光波分复用器耦合到光纤中，最后经光纤传到远端机;远端光波分复用器将1550nm和1310nm波长的光信号分开后，让1550nm波长的光信号输入光端机进行光/电转换，还原成下行射频信号，再经远端主机内部功放放大，由全向天线发射出去送给移动台。移动台的上行信号(频段为890mhz-915m hz)逆向送到基站，这样就完成了基站与移动台的信号联系，建立通话。其原理如图1 所示。
由于光纤直放站系统使用的特点，其安装调试工作麻烦，维护工作开销巨大。为了增加系统的可靠性并降低系统安装调试的复杂性，越来越多的直放站生产商都要求光模块具有智能化功能，以实现对直放站的实时监控，从而方便工作人员的调试、维护和管理。本文讨论了在传统光模块基础上通过增加嵌入式单元，以实现光模块的智能化。
2.系统硬件设计
2.1 监控电路设计
监控电路是光模块实现智能化的核心部分，图2 是本设计中光模块的监控系统框图。该部分完成各监控量的采集、控制等工作。本设计采用c8051f023型单片机实现对光模块的嵌入式控制，c8051f023内部集成了一个8位8输入的adc、一个10位8输入的adc和两个12位dac，非常方便对参数的采集和对压控器件的控制[1][2]。
在射频信号的输入和输出端，功率检测电路将耦合进来的射频能量进行放大，并实现功率/电压转换，再对产生的电压信号进行a/d转换，在程序中采用查找表的方法，即能得到输入/输出的功率值。c8051f023根据检测到的功率值，调整链路中的衰减值。在射频信号输入端，单片机通过d/a转换，控制压控衰减器;而在输出端，则通过程控衰减器控制信号增益。偏置电路为激光器(ld)的工作提供合适的驱动电流。单片机通过a/d转换采集到激光器的偏置电压，在程序中光功率与电压同样采用查找表的方法直接转换，而偏置电流则通过电压与电流的线性关系转换得到。当某些因素导致激光器驱动电流过大或过小时，单片机通过改变d/a输出电压，来调整偏置电路的输出电流，使激光器的发光功率维持在正常水平。另外，由于设计需要监测模块的实时温度，需加一个热敏电阻，根据电压与温度值的关系曲线图，通过热敏电阻的电压值变化而采集出温度值的变化情况。
2.2 数据传送电路设计[3][4]
本设计采用射频收发芯片cc1000作为数传芯片。cc1000是根据chipcon 公司的smartrf技术制造出的可编程高频单片收发芯片，主要用于工作频带在315、868 及915mhz 的ism(工业、科学及医疗)方面和sdr(短距离通讯)方面，可在300-1000mhz 范围内通过编程工作。其主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，这样使cc1000 使用更方便更灵活。cc1000 芯片含有三条串行数据线接口pdata、pclk、pale 用于配置内部寄存器实现收发等各种功能控制，能够与多种单片机(msc51、arm、avr、pic 等)直接兼容连接。
cc1000 与c8051f023的连接图如图3 所示。单片机使用三个输出管脚用于连接cc1000的三串行配置口(pdata、pclk、pale)，以配置cc1000的工作模式，其中pdata 必须是双向管脚，用于程序数据的输入输出。信号接口由dio和dclk组成，在本设计中它们分别与单片机的txd1和rxd1连接，实现数据的半双工式收发。管脚chp_out用于监视频率锁定状态，当cc1000内部的pll锁定时，该引脚输出高电平。另外单片机可通过a/d转换检测rssi信号的强度。
近端模块与远端模块之间采用fsk通信，在图3 中，引脚rf_out和rf_in分别用于发送fsk_out信号和接收fsk_in信号。通信数据fsk_out由近端模块中的cc1000发出，结合图2 可知，fsk_out信号通过耦合器耦合到射频信号中，经过光/电转换进入光纤传输至远端模块;在远端，光信号被还原为射频信号，通过低通滤波得到fsk信号，此时称fsk_in信号，该信号被远端模块的cc1000接收。远端模块发送给近端模块的数据依据同样的原理传输。模块之间的fsk通信大大提高了对光模块的监测和控制能力。
c8051f023有两个uart接口，在本设计中uart0与上位机通信，uart1则用于与cc1000的数据传输。
3.系统软件设计
3.1 系统软件总体设计
软件总体功能主要分为四个部分:参数监测、数据存储、数据收发和性能控制。在主程序中采用两个中断:定时器中断和串口中断。定时器中断实时采集参数数据，实现模块的实时监测;串口中断实时收发上位机和fsk数据，实现命令的处理和监控数据的传输。
主程序的结构如图4所示，程序对上位机命令进行鉴权处理之后，根据通信协议解析处理命令，并执行相应的操作。
3.2 cc1000参数编程
ccl000作为数传芯片，需要进行参数配置以决定其工作性能，因而cc1000参数编程是一个重要的过程。通过可编程配置寄存器能改变以下主要参数:接收/发送模式、射频输出功率、射频输出频率、fsk分频、晶振参考频率、传输速率和数据格式等。在本设计中，cc1000 采用曼彻斯特编码方式，进行数据译码和同步工作，这通过设置cc1000 的modem1 寄存器的参数完成。在同步编码方式中，曼彻斯特编码不需要锁定平均值滤波器，传输效率高。设计要求cc1000采用11.0592mhz晶振，接收本振频率为433.766mhz，发射中心频率为433.916mhz(连发“1”)、433.948mhz (连发“0”)，调制频偏为32khz，载频稳定度为10khz。根据以上参数，可通过chipcon 公司提供的cc1000配置软件smartrf studio来产生配置信息，这些配置信息将被输入到单片机中。另外该软件还可以提供输入/输出匹配电路和vco电感所需的元件参数值。
完成配置信息后，要对cc1000进行初始化，初始化主要完成对cc1000内部寄存器的设置。在初始化时需复位cc1000内部寄存器。当完成寄存器的设置后，为了避免芯片运行过程中频率产生的漂移，应当校正cc1000内部vco和pll寄存器中的值。校正完成后，对main寄存器进行设置，将cc1000输出功率初始值设为0，功耗模式设置为低电平模式，以降低功耗。初始化流程如图5所示。
3.3 数据收发程序设计[5]
数据的收发包括：单片机接收上位机数据，单片机向上位机发送数据，单片机接收cc1000数据和单片机向cc1000发送数据。这里仅讨论单片机通过串口1接收中断接收cc1000数据过程，这是整个数据收发程序设计中的难点。
本设计中，单片机与cc1000之间采用曼彻斯特同步模式进行数据的接收和发送。在发射模式下(单片机向cc1000发送数据)，pclk提供发送数据时钟信号，dio用于数据输入，cc1000 自动完成对数据的译码。在接收模式下，pclk 提供接收数据时钟信号，在dio提供数据，cc1000自动完成数据编码和同步工作。
(1)数据帧结构
在曼彻斯特同步模式下，数据帧由训练码、同步码、前导码和有效数据构成。在本设计中，训练码为连续交替出现的0 和1，共40个;同步码为连续出现的8个0;前导码为连续的8个1。当数据中出现符合前面所有格式数据时，接下来的数据就是要接收的有效数据。当数据符合帧格式时，单片机才认为该数据为合格数据，从而进行接收，这样可以保证接收数据的准确性，降低传输误码率。
(2)串口1接收中断服务程序
在通信过程中cc1000 具有3 种状态：idle(空闲)、rx(接收数据)、tx(发送数据)。由于cc1000与单片机之间是半双工模式通信，因而rx 与tx 两状态要互斥。数据的接收由串口中断完成：uart0接收中断接收来自上位机的数据，uart1接收中断则接收来自cc1000的数据。uart1中断服务程序数据传输流程如图6所示。在接收过程中，为了避免数据帧长度过长，当接收的有效数据超过缓冲区空间时，单片机判定此帧无效。
3.4 参数监测与控制
单片机通过a/d转换完成对参数的采集和数字化，这一过程由定时器中断完成。监测数据被存储，并通过pc机显示出来。增益控制和偏置电压则通过单片机的d/a转换来控制。有关这方面的软件设计，由于篇幅有限，这里不再赘述。
4.总结
嵌入式智能光模块可以实现直放站近端机和远端机的远程光纤通信，在此基础上，pc 机只需通过rs232/485总线与近端机通信，便可完成对近端机和远端机的实时监控，方便工作人员对直放站的调试和维护。经测试，cc1000之间的fsk通信在20db 光衰条件下的误帧率优于0.1%，保证了监控的可靠性。
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由于光纤直放站系统使用的特点，其安装调试工作麻烦，维护工作开销巨大。为了增加系统的可靠性并降低系统安装调试的复杂性，越来越多的直放站生产商都要求光模块具有智能化功能，以实现对直放站的实时监控，从而方便工作人员的调试、维护和管理。本文讨论了在传统光模块基础上通过增加嵌入式单元，以实现光模块的智能化。
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2.1 监控电路设计
监控电路是光模块实现智能化的核心部分，图2 是本设计中光模块的监控系统框图。该部分完成各监控量的采集、控制等工作。本设计采用c8051f023型单片机实现对光模块的嵌入式控制，c8051f023内部集成了一个8位8输入的adc、一个10位8输入的adc和两个12位dac，非常方便对参数的采集和对压控器件的控制[1][2]。
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cc1000 与c8051f023的连接图如图3 所示。单片机使用三个输出管脚用于连接cc1000的三串行配置口(pdata、pclk、pale)，以配置cc1000的工作模式，其中pdata 必须是双向管脚，用于程序数据的输入输出。信号接口由dio和dclk组成，在本设计中它们分别与单片机的txd1和rxd1连接，实现数据的半双工式收发。管脚chp_out用于监视频率锁定状态，当cc1000内部的pll锁定时，该引脚输出高电平。另外单片机可通过a/d转换检测rssi信号的强度。
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c8051f023有两个uart接口，在本设计中uart0与上位机通信，uart1则用于与cc1000的数据传输。
3.系统软件设计
3.1 系统软件总体设计
软件总体功能主要分为四个部分:参数监测、数据存储、数据收发和性能控制。在主程序中采用两个中断:定时器中断和串口中断。定时器中断实时采集参数数据，实现模块的实时监测;串口中断实时收发上位机和fsk数据，实现命令的处理和监控数据的传输。
主程序的结构如图4所示，程序对上位机命令进行鉴权处理之后，根据通信协议解析处理命令，并执行相应的操作。
3.2 cc1000参数编程
ccl000作为数传芯片，需要进行参数配置以决定其工作性能，因而cc1000参数编程是一个重要的过程。通过可编程配置寄存器能改变以下主要参数:接收/发送模式、射频输出功率、射频输出频率、fsk分频、晶振参考频率、传输速率和数据格式等。在本设计中，cc1000 采用曼彻斯特编码方式，进行数据译码和同步工作，这通过设置cc1000 的modem1 寄存器的参数完成。在同步编码方式中，曼彻斯特编码不需要锁定平均值滤波器，传输效率高。设计要求cc1000采用11.0592mhz晶振，接收本振频率为433.766mhz，发射中心频率为433.916mhz(连发“1”)、433.948mhz (连发“0”)，调制频偏为32khz，载频稳定度为10khz。根据以上参数，可通过chipcon 公司提供的cc1000配置软件smartrf studio来产生配置信息，这些配置信息将被输入到单片机中。另外该软件还可以提供输入/输出匹配电路和vco电感所需的元件参数值。
完成配置信息后，要对cc1000进行初始化，初始化主要完成对cc1000内部寄存器的设置。在初始化时需复位cc1000内部寄存器。当完成寄存器的设置后，为了避免芯片运行过程中频率产生的漂移，应当校正cc1000内部vco和pll寄存器中的值。校正完成后，对main寄存器进行设置，将cc1000输出功率初始值设为0，功耗模式设置为低电平模式，以降低功耗。初始化流程如图5所示。
3.3 数据收发程序设计[5]
数据的收发包括：单片机接收上位机数据，单片机向上位机发送数据，单片机接收cc1000数据和单片机向cc1000发送数据。这里仅讨论单片机通过串口1接收中断接收cc1000数据过程，这是整个数据收发程序设计中的难点。
本设计中，单片机与cc1000之间采用曼彻斯特同步模式进行数据的接收和发送。在发射模式下(单片机向cc1000发送数据)，pclk提供发送数据时钟信号，dio用于数据输入，cc1000 自动完成对数据的译码。在接收模式下，pclk 提供接收数据时钟信号，在dio提供数据，cc1000自动完成数据编码和同步工作。
(1)数据帧结构
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在通信过程中cc1000 具有3 种状态：idle(空闲)、rx(接收数据)、tx(发送数据)。由于cc1000与单片机之间是半双工模式通信，因而rx 与tx 两状态要互斥。数据的接收由串口中断完成：uart0接收中断接收来自上位机的数据，uart1接收中断则接收来自cc1000的数据。uart1中断服务程序数据传输流程如图6所示。在接收过程中，为了避免数据帧长度过长，当接收的有效数据超过缓冲区空间时，单片机判定此帧无效。
3.4 参数监测与控制
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4.总结
嵌入式智能光模块可以实现直放站近端机和远端机的远程光纤通信，在此基础上，pc 机只需通过rs232/485总线与近端机通信，便可完成对近端机和远端机的实时监控，方便工作人员对直放站的调试和维护。经测试，cc1000之间的fsk通信在20db 光衰条件下的误帧率优于0.1%，保证了监控的可靠性。
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8位和32位单片机的区别
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