远距离低功耗ZigBee收发信机

摘要

随着物联网的高速发展，低功耗的无线网络在工程应用中的地位愈发重要。针对不同的物联网应用，多种相应的低功耗无线技术被研究和使用。其中，需要低功耗、低通信速率和大容量自组织网络的无线通信网广泛使用ZigBee技术。但是标准的ZigBee模块受限于模块中接收机较大的噪声系数和发射机较小的辐射功率，满足不了远距离通信的要求。本文结合射频和通信技术，设计了一款基于ZigBee技术的远距离、低功耗收发信机。论文的主要工作有:
　　1、提出了一种提高ZigBee通信距离的低功耗解决方案。分析ZigBee技术中数字基带调制方式和标准模块中的接收机类型，估算出ZigBee片上芯片系统中接收机的整机噪声系数。通过在接收前端增加低噪声放大器模块来降低整机的噪声系数以提高接收机灵敏度;同时在片上系统的发射末端增加功率放大器子模块以提高发射信号最大辐射功率且保证发射信号的质量。
　　2、实现了远距离低功耗的ZigBee收发信机。不仅完成了硬件开发，而且基于ZigBee技术进行了协议的二次开发，保证了增加额外射频模块后，系统依然能够达到低功耗的目标。为实现二次协议的应用，本文自主开发了底层软件和上位机测试软件。特别是，自主开发的底软占用处理器资源少、灵活性强，有利于系统后续维护和升级。
　　3、利用自主编写的底层和上层软件，完成了二次协议验证和外场通信试验。首先验证了协议的可靠性，分析了同频段的ZigBee、WIFI和蓝牙三种通信协议之间的共存特性;基于二次协议的整机性能测试结果表明，收发信机功耗、发射信号质量和接收灵敏度等指标符合设计要求;以测试结果为基础，对典型外场环境进行建模，完成点对点通信测试，测试数据和仿真数据对照分析表明，本文提出的ZigBee通信远距离低功耗方案具有可行性。
　　本文研制的ZigBee收发信机可以拓展ZigBee技术的应用范围，使其也能满足通信节点之间远距离数据传输的使用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要内容以及章节安排

第二章 远距离低功耗ZigBee收发信机系统方案

2．2．1 ZigBee芯片选型

2．2．2 收发信机结构框架

2．2．3 CC2530底层开发方案

2．2．4 上位机测试系统方案

2．3 本章小结

第三章 收发信机中关键硬件模块设计与测量

3．1 低噪声放大器设计与测量

3．1．1 低噪声放大器设计指标确定

3．1．2 低噪声放大器选型和仿真

3．1．3 低噪声放大器加工与测量

3．2 功率放大器设计与测量

3．2．1 功率放大器设计指标确定

3．2．2 功率放大器选型和设计

3．2．3 功率放大器加工与测量

3．3 射频开关设计

3．4 系统电源管理

3．4．1 系统电源规划

3．4．2 系统电源设计与测试

3．5 ZigBee片上系统CC2530设计

3．6 本章小结

第四章 基于ZigBee技术的二次开发协议拟定及性能测试

4．1．1 ZigBee无线网络简介

4．1．2 二次开发协议拟定

4．2 基于二次开发协议的系统性能测试

4．2．1 ZigBee收发信机硬件实物

4．2．2 底层硬件嵌入式开发

4．2．3 上位机测试软件开发及测试结果

4．2．4 Slave功耗测试

4．3 本章小结

第五章 ZigBee与其他通信技术共存分析及基于二次协议的整机性能测试

5．1 2．4 GHz波段IEEE 802．15．4、BLE和IEEE 802．11的共存分析

5．1．1 不同无线通信协议网络共存问题介绍

5．1．2 共存问题的数学分析

5．1．3 共存结果分析

5．2 整机接收灵敏度测试

5．2．1 整机接收灵敏度测试环境

5．2．2 整机接收灵敏度上位机测试软件

5．2．3 整机接收灵敏度测试结果

5．3 整机发射信号相关参数测量

5．3．1 发射信号的EVM测量

5．3．2 发射信号的ACPR测量

5．3．3 发射信号的最大输出功率测量

5．4 室外无线通信模型与测试

5．4．1 室外无线通信模型

5．4．2 室外无线通信测试

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录