羅耀榮，黃建青，林凡

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

1 引言

隨著無線網絡技術的發(fā)展日新月異，新的無線網絡架構和技術被不斷提出[1]。近年出現(xiàn)一種無線Mesh網絡（無線網狀網絡）[2]可以有效增加無線通信網絡的覆蓋范圍，減少節(jié)點之間的布線需求。該網絡不僅具有分布式網絡所提供的冗余機制特點，還有重新路由的功能。網絡中的任意節(jié)點既可以實現(xiàn)信號的發(fā)送和接收，還可以與一個或者多個節(jié)點進行直接通信。這種通信架構有利于當相鄰較近的無線節(jié)點由于數(shù)據(jù)流量過大而出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞時，數(shù)據(jù)流量過大的節(jié)點可以自動重新連接到附近通信數(shù)據(jù)流量較小的節(jié)點進行傳輸，有利于在網絡高峰時降低網絡數(shù)據(jù)的傳輸壓力。本文主要從硬件角度介紹FSK（Frequency-Shift Keying，頻移鍵控）調制方式的無線Mesh網卡的硬件設計與實現(xiàn)。FSK是經ITU（國際電信聯(lián)盟）標準化的一種重要數(shù)字調制方式[3]，具有抗干擾性強的特點。本設計無線Mesh網卡具有對調制信號零中頻響應、結構簡單、適用性高、頻率響應快等優(yōu)點。

2 硬件設計與實現(xiàn)

2.1 總體設計架構

無線Mesh網卡主要由中央處理單元[4]（EP2C5F256 C8N）、接口單元（FT8U232BM）、電源管理單元、射頻單元及外圍接口芯片等組成。其中，射頻單元主要由2.4GHz信號處理器分單元（RF6505）、射頻開關分單元（RF1236）、2.4GHz的FSK收發(fā)器分單元（ML2730）等組成。本設計總體硬件框圖如圖1所示：

圖1 總體硬件框圖

射頻信號由天線進入，在射頻頻段接收范圍內經過射頻濾波器連接到射頻開關，通過射頻開關將射頻信號輸入到FSK收發(fā)器中轉換成中頻信號，為了維持信號的中頻輸出電平恒定，內部中頻AGC（Automatic Gain Controller，自動增益控制器）可以提供足夠的增益控制。然后對該中頻信號進行處理解調出數(shù)字信號，將數(shù)字信號輸入到中央處理單元的主存儲器中緩存數(shù)據(jù)給處理器進行處理，處理后的數(shù)據(jù)再通過USB接口傳輸?shù)诫娔X端上完成接收功能。電腦端通過USB接口將發(fā)送的數(shù)據(jù)通過中央處理單元處理，將數(shù)字信號輸出給FSK收發(fā)器芯片ML2730，在FSK收發(fā)器芯片ML2730內的合成子系統(tǒng)中控制信號合成轉換成射頻信號后，通過射頻開關和信號處理器再由天線完成發(fā)射功能。

2.2 硬件單元設計

（1）中央處理單元

本設計選擇使用Altera公司的Cyclone? II系列FPGA EP2C5F256C8N作為主控芯片。中央處理單元設計由DMA控制模塊、Mesh網絡路由協(xié)議處理模塊[5]、基帶數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)加密模塊、參數(shù)配置模塊和異步串行通信模塊等組成。中央處理單元主要是對數(shù)據(jù)包進行Mesh網絡路由協(xié)議的處理并控制射頻前端的基帶處理芯片（ML2730）和USB接口芯片，同時也可利用存儲器進行數(shù)據(jù)緩存；中央處理單元通過一個三線式串行接口編程ML2730作為配置寄存器控制模塊運行；另一端通過UART接口對USB芯片與電腦端的數(shù)據(jù)進行交互。通過這種設計可以充分發(fā)揮FPGA的優(yōu)點，完成Mesh網絡路由協(xié)議算法處理及完美實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯功能。

（2）接口單元

本網卡設計采用的FT8U232BM是一款單芯片USB轉UART（通用異步收發(fā)傳輸器）數(shù)據(jù)轉換器，符合USB規(guī)范2.0的要求，內置USB收發(fā)器。接口設計采用FT8U232BM芯片主要是因為它傳輸速度快[6]、占用資源少以及真正意義上的即插即用。應用接口芯片F(xiàn)T8U232BM設計的無線Mesh網卡一方面可自動從電腦端接收USB數(shù)據(jù)并將其轉換成UART信息格式發(fā)送給中央處理單元；另一方面可自動從中央處理單元接收UART數(shù)據(jù)格式轉換為USB數(shù)據(jù)格式傳送給電腦。事實證明，數(shù)據(jù)信號由電腦端傳到網卡端及網卡端傳到電腦端產生的EMI（Electro Magnetic Interference，電磁干擾）和RFI（Radio Frequency Interference，射頻干擾）較大，如不采取相應的措施，很容易給后級接收和發(fā)送帶來串擾。在解決EMI和RFI問題時，最常使用到的濾波器都是屬于低通濾波[7]。其中，π型濾波器（π-Model Filter）[8]是最有效率的濾波裝置，設計USB接口的電源端采用π型濾波器來減少電腦端和網卡設備的EMI和RFI，同時增加去耦電容和旁路電容，以提高電路的抗干擾性能。

（3）電源單元

本設計網卡主電源由外設USB接口提供，電源規(guī)劃框圖如圖2所示。

圖2 網卡電源規(guī)劃框圖

主電源輸入經過電源穩(wěn)壓單元后輸出3.3V電壓，分別提供給電源穩(wěn)壓單元2和電源升壓單元；電源穩(wěn)壓單元2輸出三組電源，分別是1.2V、1.8V、2.5V提供給中央處理單元工作；電源升壓單元輸出4.0V的電壓供射頻前端信號處理芯片。

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（4）射頻單元

射頻單元框圖如圖3所示：

圖3 射頻單元框圖

本網卡射頻單元主要包括天線端口、2.4GHz信號處理器分單元、射頻開關分單元、2.4GHz的FSK收發(fā)器分單元。其中，2.4GHz的FSK收發(fā)器分單元ML2730和2.4GHz信號處理器分單元RF6505由中央處理單元控制器編程控制配置參數(shù)，射頻單元主要對信號進行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收這2個方面的處理。

當信號處理器分單元RF 6505為接收模式時，RF6505將接收到的2.4GHz信號送到LNA（Low Noise Amplifier，低噪聲放大器）進行放大，再將放大處理完的信號通過射頻開關分單元（RF1236）送入到ML2730進行進一步的解調。射頻信號通過差分低噪聲放大器的第一混頻器將2.4GHz信號下變頻成中頻0.8GHz的信號，然后鏡像抑制混頻器將該中頻信號下降到低中頻。經ML2730芯片內部中頻濾波，信號放大后解調出中頻信號，其數(shù)據(jù)速率的設計值不小于2.048Mbps。

當信號處理器分單元RF6505為發(fā)射模式時，由中央處理單元提供給ML2730經過初步調制的基帶信號，ML2730先對基帶信號進行脈沖整形，在同步子系統(tǒng)中[9]，對整形后的信號進行信號同步及處理，處理后的信號進入上變頻混頻器進行混頻（該載波信號由ML2730提供的原始頻率信號經過鎖相環(huán)、壓控振蕩器以及相交處理后，成為頻率為2.4GMHz的載波分別與基帶信號混頻）。然后信號經過內置功率放大器輸出；發(fā)射信號由射頻開關分單元（RF1236）輸入到2.4GHz信號處理器分單元（RF6505），2.4GHz信號處理器分單元（RF6505）對發(fā)射信號功率放大及諧波濾波，經天線端口發(fā)射出去。設計指標不小于27dBm。

2.4GHz前端模塊（RF6505）電路如圖4所示，前端模塊整合傳輸路徑中的PA（Power Amplifier，功率放大器）加上諧波濾波器與接收路徑中帶有旁路模式的LNA。

圖4 2.4GHz前端模塊（RF6505）電路

其中，t為銅箔厚度；h為板子厚度1.2mm；εr為板間介電常數(shù)，2.4GHz頻段板間介電常數(shù)約為4.6。

2.4GHz FSK收發(fā)器（ML2730）電路如圖5所示，ML2730模塊整合了PA和LNA，實現(xiàn)單晶片全整合式FSK收發(fā)器。通過在單一晶片中整合PA和LNA，以更高的靈敏度和輸出功率完成無線連接功能，同時縮減成本和電路板尺寸。

圖5 2.4GHz FSK收發(fā)器（ML2730）電路

3 射頻關鍵指標測試

3.1 發(fā)射功率測試

按圖6所示連接測試無線Mesh網卡的輸出功率，并從頻譜儀中可讀取測試數(shù)值，其測試結果如表1所示。通過表1中的實測數(shù)據(jù)可知，發(fā)射功率輸出大于27dBm。

圖6 發(fā)射功率測試連接框圖

表1 發(fā)射功率測試結果

3.2 接收靈敏度測試

本網卡接收靈敏度設計值為-92dBm，在電腦端使用專用的測試軟件，按圖7所示連接，在發(fā)送端通過標準信號發(fā)生器發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收端（電腦端）通過專用測試軟件可以看到的ber為誤碼率，本網卡的誤碼率標準為1/1000。在測試時通過調節(jié)衰減器，使接收端誤碼率值為小于1/1000，這個數(shù)值就是系統(tǒng)的接收靈敏度。

圖7 接收靈敏度測試連接框圖

實際測試結果見表2，接收靈敏度的實際測試值優(yōu)于-92dBm，完全達到設計要求。進行測試時，因本方案的設計特性對噪聲的有效抑制及系統(tǒng)指標的優(yōu)越，在同等路由算法協(xié)議的條件下，端到端的時延有明顯降低。

表2 接收靈敏度測試結果

4 結束語

本文結合ML2730、RF6505、EP2C5F256C8N、FT8U232BM等芯片設計的無線Mesh網卡能夠在系統(tǒng)上正常運行，通過引入虛擬網絡通信層，在相鄰多個節(jié)點間可以實現(xiàn)多跳的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了點對多點的網絡通信傳輸。本設計對系統(tǒng)的射頻指標有較大的改進，在同等條件下通信質量優(yōu)于同類設備。通過實際測試相關的射頻關鍵指標符合設計要求，有效地降低端到端的時延。本設計方案（無線Mesh網卡）可廣泛應用于公共安全、反恐防暴、搶險救災、社會管理等多個場景，隨時隨地快速構建專用應急通信網絡，保障重要信息的及時、準確、暢通傳輸。

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