38、电子电路与通信系统的创新设计

电子电路与通信系统的创新设计

在电子技术领域，不断有新的设计和技术涌现，以满足不同领域的需求。本文将介绍电流模式滤波器、康复设备的射频通信系统以及尺寸缩减的威尔金森功率分配器的相关设计与开发。

电流模式滤波器设计

在电力线通信（PLC）调制解调器的设计中，电流模式滤波器起着关键作用。研究人员通过仿真比较了两种积分器的性能。在HSPICE仿真中，采用了1.8V电源电压和0.18um CMOS工艺参数。通过调整新架构，积分器的增益和ωo值得到了提高。设计的积分器实现了32.2 dB的直流增益和274的ωo值，优于典型积分器。

基于设计的电流模式积分器，设计了适用于PLC调制解调器的电流模式滤波器。具体步骤如下：
1. 设计无源LC原型滤波器 ：设计了两个对元件变化具有低通带灵敏度的无源双端接LC原型滤波器。
2. 合成有源滤波器 ：采用信号流图方法，从无源双端接LC原型滤波器合成电流模式有源滤波器。构建了三阶高通滤波器和三阶低通滤波器的信号流图框图。
3. 实现有源滤波器 ：将信号流图框图映射到使用电流模式积分器的三阶有源电流模式滤波器中。积分器中的电容Ci由公式Ci = Xi gm / ωo 确定，其中gm是积分器的跨导，Xi是第i分支的归一化无源组件值，ωo是有源滤波器的截止频率。
4. 构建带通滤波器 ：PLC调制解调器的带通滤波器由三阶巴特沃斯高通滤波器和三阶切比雪夫低通滤波器级联组成。其交流特性如图所示。

该电流模式滤波器的规格如下表所示：
| 参数 | 规格 |
| ---- | ---- |
| 高通滤波器功能 | 三阶巴特沃斯 |
| 低通滤波器功能 | 三阶切比雪夫 |
| 截止调谐范围 | 1∼30MHz(50MHz~200KHz) |
| 功耗 | 2.85mW |

康复设备的射频通信系统开发

目前，残疾人群使用的康复设备大多采用有线方式进行数据处理，这导致了安装和配置复杂，空间使用困难等问题。为了解决这些问题，研究人员开发了一种射频通信系统。

系统设计

• 低功率无线站 ：低功率无线站在各种设备中得到广泛应用，如车库开关、车辆警报和数据通信等。由于可用频段逐渐减少，人们开始尝试利用ISM（工业、科学和医疗）频段。该频段最初用于工业、科学和医疗用途，现在其应用范围已扩展到语音和数据传输、远程控制以及日常生活中的设备。
• 射频通信系统 ：本研究中的射频通信系统采用无线ISM频段，改善了传统有线通信方法的高成本和大空间需求问题。系统整体由康复用电动自行车和AVR Atmega 8535微处理器组成，用于处理患者的运动状态数据。数据传输过程如下：
  • 电动自行车的数据以9600 bps的速率存储在ATmega 8535的RAM中。
  • RF模块之间的传输速率为4800 bps。
  • 接收器以4800 bps的速率将RF模块接收到的数据输入到MPU中。
  • 数据以9600 bps的速率上传到主机PC并通过应用程序显示。

系统硬件规格如下表所示：
| 索引 | 规格 |
| ---- | ---- |
| 工作电压 | 3.3 – 5.5[V] |
| 控制单元MPU | ATmega 8535 |
| 显示部件 | LCD(16C2L) |
| 字符 | 英文、数字 |
| RF通信单元传输方法 | 异步半双工方法 |
| 频率 | 424.7 - 424.95[MHz] |
| 中频 | 21.3[MHz] |
| 天线功率 | 低于10[mW] |
| 输入阻抗 | 50[Ω] |
| 通道号 | 21[CH] |
| 通道间隔 | 12.5[KHz] |
| 调制方法 | FSK |

通信协议设计

• 命令设置 ：设计的RF模块使用RS - 232，波特率为4800 bps。通信命令包括收发器通道命令和数据传输命令。收发器通道命令分配1字节，配置通道时，通道之间的频率间隔为12.5KHz，从424MHz开始，共生成21个通道，通道号从0到20。
• 数据传输 ：数据传输帧由48字节组成，包括命令、数据和停止信号。数据传输命令和停止信号各分配2字节，实际数据范围为1到46字节。数据格式分为收发器标识信息和电动自行车数据信息。

传输和接收序列如下：
- 传输序列 ：由RS - 232接收、RF模块传输和RF调制解调器接收组成。各部分有10 ms的延迟时间，以防止数据交叉。
| RF Trans. | RS - 232 Receive | RF Modem Trans. | RF Modem Receive |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 通道接收[ms] | 数据接收[ms] | 数据传输[ms] | 接收通道接收 |
| 10 | 10 | 10 | 等待数据接收延迟 |
- 接收序列 ：由RS - 232接收、RF模块接收、RS - 232通信和RF传输组成。RF传输和接收之间有50 ms的延迟时间，各部分也有10 ms的延迟以防止数据交叉。
| RF Receive | RS - 232 Receive | RF Modem Receive | RS - 232 Comm. | RF Trans. |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 接收通道接收 | 接收等待 | 数据接收[ms] | 数据传输[ms] | 传输通道接收[ms] |
| | | 50 | 10 | 10 |
| | | | | 数据接收[ms] |
| | | | | 数据传输延迟 |
| | | | | 10 |

系统硬件开发

• 硬件模块 ：开发的系统分为无线发送运动信息的传输块和处理收集信息的接收块。
  | 无线发送单元 | 无线接收单元 |
  | ---- | ---- |
  | 康复设备接口 | RF接收模块 |
  | RF发送模块 | 控制单元 |
  | 控制单元 | PC接口 |
• 试用产品 ：开发了RF收发板的试用产品。监测程序通过RF系统将康复设备的数据实时处理到主机PC上，用户可以使用图标和简单文本操作RS232控制信号、发送到康复设备的控制信号以及整体通信控制。

射频通信协议如下表所示：
| 索引 | 内容 |
| ---- | ---- |
| 发送通道设置 | 发送命令(1Byte)：0x21
通道号(1Byte)：0x00 – 0x14
停止信号(1Byte)：‘ ’ |
| 数据传输 | 数据命令(1Byte)：0x61
信息数据(46Byte)：Data(1) – (46)
通道号(1Byte)：‘ ’ |
| 接收通道设置 | 接收命令(1Byte)：0x91
通道号(1Byte)：0x00 – 0x14
停止信号(1Byte)：‘*’ |

尺寸缩减的威尔金森功率分配器设计

在微波电路设计中，尺寸缩减是一个重要的研究方向。研究人员设计了一种使用缺陷微带结构（DMS）的尺寸缩减的威尔金森功率分配器。

• 原理 ：微带线的扰动结构如光子带隙（PBG）和缺陷接地结构（DGS）可以改变微带线的特性阻抗。PBG和DGS会增加微带线的电感和电容，导致特性阻抗增加和慢波效应。然而，PBG模式在地面平面上需要大量的周期性图案，难以定义单元部分和提取等效电路元件，这限制了其在微波电路中的应用。相比之下，DGS具有所需元件少、易于定义单元元件和建模等效电路等优点，但需要从微带线的接地平面蚀刻掉图案。
• 设计过程 ：首先设计具有DMS的微带线，使其具有70.7Ω的线阻抗。与正常微带线相比，具有DMS的70.7Ω线宽更宽。设计的带有DMS图案的功率分配器尺寸仅为标准微带线组成的正常功率分配器的82%，并且在尺寸缩减后仍能保持良好的电路性能。

综上所述，这些创新设计在不同领域具有重要的应用价值。电流模式滤波器为PLC调制解调器提供了高性能的滤波解决方案；康复设备的射频通信系统提高了康复设备的经济性和空间使用效率；尺寸缩减的威尔金森功率分配器在微波电路中实现了尺寸和性能的平衡。随着技术的不断发展，这些设计有望得到进一步的优化和应用。

电子电路与通信系统的创新设计

各设计的优势与应用前景分析

上述三种设计在各自领域展现出显著优势，并且具有广阔的应用前景。

电流模式滤波器优势与前景

• 优势 ：
  • 性能提升 ：通过调整新架构，积分器的增益和ωo值得到提高，实现了比典型积分器更优的直流增益和ωo值，这有助于提高滤波器的滤波性能，更精准地处理信号。
  • 低功耗 ：功耗仅为2.85mW，在低电压环境下（如1.8V Vdd）能稳定工作，符合现代电子设备对低功耗的要求。
  • 频率可调 ：截止频率可在1∼30MHz（50MHz~200KHz）范围内进行控制，具有较宽的频率调节范围，能适应不同的通信需求。
• 应用前景 ：在电力线通信领域，随着智能电网的发展，对PLC调制解调器的性能要求越来越高。该电流模式滤波器能够为PLC调制解调器提供高性能的滤波功能，确保信号的准确传输，有望在智能电表、智能家居等电力线通信相关设备中得到广泛应用。

康复设备的射频通信系统优势与前景

• 优势 ：
  • 无线通信 ：采用无线ISM频段，摆脱了传统有线通信的束缚，解决了康复设备安装和配置复杂、空间使用困难的问题，提高了康复设备使用的灵活性。
  • 成本降低 ：基于成本考虑和医疗工程技术的发展，该系统降低了康复设备的使用成本，提高了经济性。
  • 数据传输高效 ：能够将康复设备产生的各种数据准确、快速地传输到远程医疗人员手中，同时康复专家可以直接向康复设备发送合适的运动处方，提高了康复治疗的效率。
• 应用前景 ：随着残疾人群体的增加和社会对康复治疗的重视，康复设备市场需求不断扩大。该射频通信系统可应用于康复医学、骨科和神经外科等领域的大多数康复设备，如电动自行车、康复训练器等，具有巨大的市场潜力。

尺寸缩减的威尔金森功率分配器优势与前景

• 优势 ：
  • 尺寸缩减 ：使用缺陷微带结构（DMS），使功率分配器的尺寸仅为正常功率分配器的82%，满足了现代微波电路对小型化的需求。
  • 性能保持 ：在尺寸缩减的情况下，仍能保持良好的电路性能，确保了功率分配的准确性和稳定性。
• 应用前景 ：在微波通信、雷达等领域，对设备的小型化和高性能要求越来越高。该尺寸缩减的威尔金森功率分配器可以应用于这些领域的微波电路中，如手机、卫星通信设备等，有助于提高设备的集成度和性能。

未来发展趋势探讨

随着科技的不断进步，这三种设计在未来可能会朝着以下方向发展。

电流模式滤波器

• 更高性能 ：进一步提高积分器的增益和ωo值，以实现更高的滤波精度和更宽的频率响应范围。
• 集成化 ：与其他电路元件集成在一起，形成更紧凑、功能更强大的芯片，提高系统的整体性能和可靠性。
• 智能化 ：引入智能控制算法，根据不同的通信环境自动调整滤波器的参数，实现自适应滤波。

康复设备的射频通信系统

• 多设备兼容 ：能够与更多类型的康复设备进行兼容，实现多种康复设备的数据统一管理和传输。
• 远程医疗融合 ：与远程医疗平台深度融合，实现更全面的康复治疗监测和指导，如实时视频诊断、远程调整康复方案等。
• 安全性提升 ：加强数据传输的安全性，保护患者的隐私和康复数据的安全。

尺寸缩减的威尔金森功率分配器

• 更小尺寸 ：继续探索新的结构和材料，进一步减小功率分配器的尺寸，以适应更小型化的微波电路需求。
• 更高频率 ：提高功率分配器在更高频率下的性能，满足下一代微波通信技术对高频性能的要求。
• 多功能集成 ：与其他微波元件集成在一起，实现更多的功能，如功率放大、滤波等。

总结

本文介绍的电流模式滤波器、康复设备的射频通信系统以及尺寸缩减的威尔金森功率分配器，都是电子技术领域的创新设计。它们在不同领域解决了现有技术的问题，展现出各自的优势，并具有广阔的应用前景。随着技术的不断发展，这些设计有望在未来得到进一步的优化和拓展，为电子电路和通信系统的发展做出更大的贡献。

以下是一个总结上述三种设计特点的表格：
| 设计名称 | 主要优势 | 应用领域 | 未来发展趋势 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 电流模式滤波器 | 性能提升、低功耗、频率可调 | 电力线通信 | 更高性能、集成化、智能化 |
| 康复设备的射频通信系统 | 无线通信、成本降低、数据传输高效 | 康复医学、骨科、神经外科 | 多设备兼容、远程医疗融合、安全性提升 |
| 尺寸缩减的威尔金森功率分配器 | 尺寸缩减、性能保持 | 微波通信、雷达 | 更小尺寸、更高频率、多功能集成 |

通过对这些创新设计的研究和应用，我们可以看到电子技术在不断进步，为各个领域带来了更多的可能性和发展机遇。未来，我们期待这些设计能够不断完善，为人们的生活和工作带来更多的便利和价值。

下面用mermaid流程图展示电流模式滤波器的设计流程：

graph LR
    A[比较积分器性能] --> B[设计无源LC原型滤波器]
    B --> C[合成有源滤波器]
    C --> D[实现有源滤波器]
    D --> E[构建带通滤波器]

这个流程图清晰地展示了电流模式滤波器从积分器性能比较到最终带通滤波器构建的整个设计过程。