基于Wireless USB 技术的遥控设备设计

　　消费电子市场中实际遥控通信标准一直被红外技术所占据。红外遥控操作简单、价格相对低廉。但红外遥控技术存在三大局限： 视线对准、单向通信和高功耗。基于射频技术的遥控与红外遥控不同，能轻松突破红外遥控技术的以上三种局限。此外，射频技术的遥控距离也远于一般的红外遥控距离。常用的短距无线通信技术包括27 MHz, 315 MHz, 433 MHz, 868 MHz 和2. 4 GHz.与其他频段相比2. 4 GHz ISM（ 工业、科学和医用） 频段具有全球通用、带宽相对较宽、体积小巧等优点。在自动化控制和家庭信息化领域发挥越来越重要的作用。

　　Wireless USB 技术工作2. 4 GHz 频段，具有很强的抗干扰能力，可有效提高频谱利用率，易与其他无线设备共存，功耗低、支持TouchWake 功能，在近距遥控领域有其特殊优势。本项目依托Wireless USB 技术提出一种新的近距遥控设备理念---基于软件无线电和认知无线电理念的近距多功能双工遥控设备。为生产厂家节约大量成本，同时大大方便用户，必将带来巨大市场效益。

　　1 技术原理

　　在设计射频遥控系统时，会面临2 个根本问题：

　　1） 系统在面临有干扰源的环境时，如何将接收的信号恢复成原始的数据？

　　2） 通信协议如何找到空置的频道，以及如何对新干扰做出反应，包括跳频与非跳频方面的通信协议？

　　此外，还需考虑数据传输率、功耗、体积、功能扩展等因素。

　　Wireless USB 技术在频段管理上使用了FDMA 的机制，把ISM 2. 4 GHz 分成78 个频段，每个频段带宽1 MHz,遇到持续强干扰时可跳转信道继续通信。在每一个频带上又使用了CDMA（ DSSS） 技术，具有强抗干扰能力，利用多组伪随机码（ PN） 对数据进行编码，这样采用不同PN码的设备可以在同一频带上同时工作互不干扰。根据PN 码的长度不同，以及工作模式不同，Wireless USB 可以得到从15. 625 kbit /s 到1 Mbit /s 的通信速率。

　　Wireless USB 协议层的设计目标是降低成本、功耗和增加抗干扰性，采用了主从方式的星形结构。主设备是指接收数据的设备，处于实时接收状态，以接收来自从设备的信息，监视干扰状况，选择干净的频带，决定是否跳频。从设备是指产生数据和发送数据的设备，发送信息结束后立刻进入睡眠状态，最大限度地节省电池电量。

　　Wireless USB 技术支持TouchWake 功能，用户只需触摸该设备即可立即将外设从睡眠模式中唤醒。Touch-Wake 功能不仅可以使Wireless USB 外设在使用后立即进入超低功耗睡眠模式以延长电池使用寿命，而且还能借助其即时唤醒功能实现有线外设的简易性及快速响应能力。

　　对遥控领域而言这是非常重要的。

　　Wireless USB 技术的每个芯片在出厂时有6 个字节的ID,此ID 是唯一的，可作为不同个体的区别标识。

　　此外，Wireless USB 技术协议简单，拥有市场唯一的集MCU,USB,RF 模块于一体的小型化集成芯片，便于开发小体积设备。

　　最后，Wireless USB 技术支持接收信号强度指示（ RSSI）功能，为实现认知无线电技术提供了理论基础，可以检测复杂电磁环境的频谱空洞，提高频谱利用率； 该功能还为功率控制提供了技术基础，功率控制是指通过合理地设置或动态调整发射机的发射功率，在保证系统连通的同时，降低发射功率，减小对其他系统的干扰，同时达到提高节点能量利用率、延长使用时间的目的。发射机先发射握手信号，根据接收机返回的信号功率强度，调整发射功率。

综上所述，Wireless USB 技术工作于全球通用的无须申请的2. 4 GHz 频段，具有很强的抗干扰能力，可有效提高频谱利用率，易与其他短距无线设备共存，同种设备依不同PN 码也可有效共存，便于功能复用与寻址，协议简单，拥有市场唯一的集MCU,USB,RF 模块于一体的小型化集成芯片，便于开发体积小、功耗低的产品，支持Touch-Wake 功能。设计一种新型适用的基于软件无线电、认知无线电理念的半双工多功能近距遥控设备是可行的，且应用前景广阔。

　　2 基于软件无线电理念的硬件设计

　　遥控技术在给人们带来便利的同时也带来了很多困扰，人们需要面对的遥控系统越来越多。为实现功能复用，减小生产成本，实现遥控“一卡通”且便于升级换代，本文基于软件无线电理念进行了硬件设计。即硬件满足以下特点： 结构开放，硬件不变的情况下，通过改变软件可方便地改变设备的性能和功能。该理论见文献[6].其通用模块体系基本结构如图1 所示，包括宽带天线、射频部分、基带部分等。

　　厂家可根据Wireless USB 的网络ID 和PN 码将各种近距遥控功能程序下载存储在通用遥控模块中，不同的设备用不同的PN 码区别，同一种设备的不同个体用网络ID号加以区别。用户通过按键选择所需功能。这与市场现有的万能遥控器相似，但更有优势。厂家也可生产通用遥控硬件模块，出场时根据需要分类下载具体功能，成为不同功能的遥控器，且便于产品升级换代（ 硬件不变，软件升级即可） .还可绑定多版本、多功能程序软件出售，用户可根据需要改变遥控功能。实现软件无线电理念。此外，Wireless USB 技术协议简单，随着通信技术的日益普及，相当一部分用户可根据需要设计相应的应用程序。以上通用遥控模块可支持用户自行开发遥控功能。

　　项目组在理论研究的基础上依据上述通用模块体系结构分别设计了原理实验接收机、发射机。PCB 板设计时选择常用的FR-4 板材四层双面板布线，中间两层接地。布局布线时在降低射频电路串扰噪声、信号完整性控制、电磁兼容性设计等方面作了深入研究。

　　射频电路设计是本项目硬件设计的一个难点。寄生电容和寄生电感的存在会影响射频电路的性能。需要用到传输线理论，即在传输线上的是分布参量网络，在整个长度内线上的电压和电流的幅值和相位都可能发生变化。

　　设计中使用TXLINE 软件和ADS 软件联合仿真的方式，进行射频电路阻抗的匹配。射频部分均使用0402 封装贴片元件。

　　实验板基带信号处理采用GPP（ 通用处理器） ,综合考虑功耗、功能等因素，接收机、发射机分别采用AVR 系列ATMEGA8L,ATMEGA16L 单片机作为微处理器，射频部分均采用基于Wireless USB 技术的CYRF6936 集成芯片，单片机和射频芯片通过SPI 口连接电路采用5 V 直流电压供电，电源转换芯片为XC6209B332（ 5 V 转3. 3 V） .

　　单片机ATMEGA8L、ATMEGA16L,射频芯片CYRF6936,电源芯片XC6209B332 的外围电路分别见其参考设计。接收机在通用模块的基础上添加了程序下载接口（ SPI 接口） 、6路I /O 接口和电源接口（ 接收机尺寸4 cm ×2 cm） .发射机在通用模块的基础上增加了程序下载接口（ JTAG 接口） 、RS-232 串口转换电路、5 个功能按键、11 个指示灯、16 个I /O 接口和电源接口（ 发射机尺寸10 cm × 8 cm） .接收机、发射机试验样机分别如图2、图3 所示。