基于DSP的移動(dòng)基站信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

溫 武1，賀德華

(1.廣州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育軟件學(xué)院，廣州 510006；2.華中科技大學(xué) 電子與信息工程系，武漢 430074)

1 引 言

隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，通信覆蓋面的日益擴(kuò)大，以及廣大客戶不斷提升的服務(wù)要求，促使運(yùn)營(yíng)維護(hù)部門對(duì)通信設(shè)備的維護(hù)管理提出了更高的要求，尤其是在重大節(jié)日或活動(dòng)期間的應(yīng)急通信保障和集中調(diào)度。移動(dòng)通信基站是發(fā)送和接收信號(hào)的基本設(shè)施，傳遞的一般是電信號(hào)，傳統(tǒng)的示波器等儀器只能測(cè)量模擬信號(hào)，了解信號(hào)的時(shí)域特性，在對(duì)移動(dòng)基站信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)又往往需要從頻域的角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析；同時(shí)，基于DSP的監(jiān)測(cè)設(shè)備與目前還在廣泛使用的基于普通8位或者16位單片機(jī)的監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，具有處理速度快、可擴(kuò)展性和適應(yīng)性強(qiáng)、性能和精度高等優(yōu)勢(shì)，在這種情況下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可以通過USB鏈路按照既定通信協(xié)議進(jìn)行通信的單機(jī)工作DSP最小系統(tǒng)，就能有效地完成信號(hào)的采集、A/D轉(zhuǎn)換、頻譜分析和將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)加以分析和存儲(chǔ)等功能，進(jìn)而可以了解通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量情況，便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)隱性故障等問題，并適時(shí)采取應(yīng)急措施，從而保障通信網(wǎng)絡(luò)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的出現(xiàn)、FFT算法的提出和USB接口的廣泛應(yīng)用，給數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域帶來了革命性的進(jìn)步，極大地提高了信號(hào)檢測(cè)的測(cè)量精度和速度，也促使測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)向微型化和輕型化發(fā)展[1]。如圖1所示，便攜式的移動(dòng)基站信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)采集的通信信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理和濾波后進(jìn)行A/D采樣，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析，最后將數(shù)據(jù)通過RS-232接口轉(zhuǎn)USB接口電路，由USB線纜上傳到上位機(jī)，上位機(jī)軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析處理并存儲(chǔ)。

圖1 移動(dòng)基站信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of signal monitoring equipment for mobile base station

2.2 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用DSP芯片組成可行的最小系統(tǒng)是整個(gè)移動(dòng)基站信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備的核心，由DSP芯片和人機(jī)交互模塊、電源管理模塊和通信接口模塊等一些輔助電路構(gòu)成，如圖2所示，完成信號(hào)的通信與監(jiān)測(cè)功能。美國(guó)TI公司的定點(diǎn)DSP芯片TMS320F28234是一款較為完整的高性能高速數(shù)據(jù)采集與控制單片系統(tǒng)，該器件具有處理速度快、精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大、內(nèi)置信號(hào)采樣模塊(ADC)、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等特點(diǎn)，不僅適用于數(shù)字信號(hào)處理,而且在圖像處理、語音處理、通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品以及控制等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，更是那些需要進(jìn)行定點(diǎn)運(yùn)算的便攜式產(chǎn)品的理想選擇[2]。系統(tǒng)首先由芯片內(nèi)置的12位ADC直接把模擬信號(hào)連接到處理芯片上，然后在DSP內(nèi)，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行濾波和快速傅里葉運(yùn)算(FFT)，然后基于PWM的虛擬DAC輸出，并通過鍵盤和LED顯示進(jìn)行人機(jī)交互，同時(shí)通過一個(gè)RS-232接口轉(zhuǎn)USB接口的電路，使用USB接口與上位機(jī)連接，將采集的原始信號(hào)和處理過的信號(hào)傳送給上位機(jī)，由計(jì)算機(jī)端軟件進(jìn)行分析和顯示，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of system structure

2.3 通信接口設(shè)計(jì)

目前RS-232接口是最為常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，大量的集成設(shè)備、工業(yè)產(chǎn)品都提供了RS-232接口，因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常情況下將采用RS-232接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，但隨著時(shí)間的推移和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，RS-232接口及打印機(jī)并行接口已經(jīng)逐步被淘汰，在一些筆記本電腦及品牌計(jì)算機(jī)上已經(jīng)越來越少配備或不配備這兩種接口，取而代之的是支持熱插拔的USB標(biāo)準(zhǔn)接口和IEEE 1394接口，USB接口與RS-232接口相比具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、易于使用、適用于多種設(shè)備并且不需要占用系統(tǒng)外設(shè)地址、節(jié)約系統(tǒng)資源等優(yōu)點(diǎn)[3，4]。由于RS-232接口和USB接口的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議、信號(hào)電平以及機(jī)械連接方式不相同，因此需要將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的RS-232接口轉(zhuǎn)換成USB接口，這樣才可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，但是從硬件底層固件開發(fā)基于USB接口的設(shè)備遠(yuǎn)比RS-232接口復(fù)雜，特別是在下位機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)和上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的編寫方面，而且開發(fā)成本高；另外，USB標(biāo)準(zhǔn)也不允許遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。綜合考慮兩者的特點(diǎn)，系統(tǒng)通信接口設(shè)計(jì)在硬件方面應(yīng)用橋接器件CP2102做一個(gè)RS-232接口轉(zhuǎn)USB的電路，使用USB接口與上位機(jī)連接，上位機(jī)開發(fā)虛擬驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒍丝谥囟ㄎ坏絉S-232接口，上位機(jī)主程序便可方便地用讀取串口的方式讀取DSP系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換原理示意圖如圖3所示。

圖3 RS-232/USB轉(zhuǎn)換示意圖Fig.3 RS-232/USB converting diagram

RS-232/USB轉(zhuǎn)換模塊由USB接口電路模塊、UART接口電路模塊、數(shù)據(jù)緩沖器和協(xié)議控制單元等組成，USB接口電路模塊主要提供與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和完成USB數(shù)據(jù)與UART數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。UART接口需要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口的連接。協(xié)議控制單元通過接收USB接口的命令，對(duì)UART接口進(jìn)行配置，包括波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位參數(shù)的配置。當(dāng)RS-232/USB接口連接到計(jì)算機(jī)后，計(jì)算機(jī)檢測(cè)到設(shè)備后進(jìn)行設(shè)備初始化配置并啟動(dòng)相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序。上位機(jī)應(yīng)用軟件通過驅(qū)動(dòng)程序可以把USB接口承載的數(shù)據(jù)按照常規(guī)的串口進(jìn)行讀寫操作編程，完成和下位機(jī)的通信[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

一方面我們已經(jīng)通過運(yùn)用TMS320F28234芯片結(jié)合適當(dāng)?shù)耐鈬涌陔娐窞檎麄€(gè)便攜式移動(dòng)基站信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備搭建了一個(gè)高效的硬件平臺(tái)，另一方面需要應(yīng)用FFT算法來提高運(yùn)算速度，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為初始化模塊和運(yùn)行模塊，其中包括DSP軟件主程序、數(shù)據(jù)處理程序、串口通信程序等關(guān)鍵程序。

3.1 DSP軟件主程序設(shè)計(jì)

DSP軟件主程序主要對(duì)系統(tǒng)控制(包括PLL、看門狗、使能外設(shè)時(shí)鐘)、相應(yīng)的GPIO、SCI的端口、PIE控制寄存器、中斷向量表、內(nèi)置ADC、CPU計(jì)時(shí)器、HRPWM、FIR濾波器等進(jìn)行初始化；同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)一路信號(hào)進(jìn)行1 024點(diǎn)采集，并根據(jù)聯(lián)機(jī)狀態(tài)和單機(jī)狀態(tài)來執(zhí)行相應(yīng)的操作，分別執(zhí)行發(fā)送原始數(shù)據(jù)、發(fā)送濾波器濾波之后的數(shù)據(jù)和執(zhí)行采集原始數(shù)據(jù)、FFT計(jì)算等過程。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of main program

3.2 實(shí)數(shù)FFT算法構(gòu)成

FFT算法的實(shí)質(zhì)是將長(zhǎng)序列的DFT運(yùn)算逐級(jí)分解為較短序列的DFT運(yùn)算，使DFT的計(jì)算量減少了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可以很大程度上減少系統(tǒng)的運(yùn)算時(shí)間，從而成為數(shù)字信號(hào)處理強(qiáng)有力的工具。當(dāng)輸入是完全的實(shí)數(shù)時(shí)，復(fù)數(shù)DFT算法仍然可以使用，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是將虛部填零，實(shí)部是采樣點(diǎn)，復(fù)數(shù)FFT可以直接被使用。然而，這種方法效率不高，因?yàn)樗?N個(gè)存儲(chǔ)單元；然而如果利用輸入序列的對(duì)稱性進(jìn)行DFT計(jì)算非常高效，原始的N點(diǎn)序列按照N/2個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)打包，然后進(jìn)行N/2點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算，最后將N/2點(diǎn)結(jié)果通過一些變換，成為原始實(shí)數(shù)點(diǎn)的FFT。這樣使得FFT的運(yùn)算量減少了近一半，效率比一般的FFT提高近一倍，通過這種變換處理，滿足了信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)處理和運(yùn)算精度的要求[6]。

假設(shè)g(n)為N點(diǎn)實(shí)數(shù)序列，則令

xe(n)=g(2n)，n=0:N/2-1

(1)

xo(n)=g(2n+1)，n=0:N/2-1

(2)

定義x(n)=xe(n)+jxo(n)，n=0:N/2-1。則對(duì)x(n)進(jìn)行FFT計(jì)算，如下式所示：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

并且g(n)的DFT為G(k)=GR(k)+jGI(k)，經(jīng)推導(dǎo)有以下結(jié)論:

(9)

(10)

(11)

(12)

并且有GR(0)=GI(0)=GR(N/2)=GI(N/2)=0；GR(N/4)=RP(N/4)/2；GI(N/4)=-IP(N/4)/2。

本實(shí)數(shù)FFT算法在CCS環(huán)境下進(jìn)行軟件編程，采用匯編語言在TMS320F28234芯片上實(shí)現(xiàn)，可以計(jì)算N為128、256、512、1 024的實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)快速傅里葉變換。

3.3 串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為保證串行通信的準(zhǔn)確性和可靠性，上、下位機(jī)通信雙方必須具有相同的通信協(xié)議，即相同的波特率及信息傳送格式[7]。因此，通信雙方的波特率設(shè)為9 600 bit/s，幀格式如圖5所示。

soh(0x01)字節(jié)填充后的數(shù)據(jù)塊eot(0x04)cs

圖5 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖
Fig.5 Frame structure

用ASCⅡ字符soh(十六進(jìn)制01)和eot(十六進(jìn)制04)分別表示幀起始和幀結(jié)束。在幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上為避免由于在傳輸過程中所傳的數(shù)據(jù)有可能出現(xiàn)與soh、eot和esc相同數(shù)據(jù)而發(fā)生錯(cuò)誤的情況，將發(fā)送數(shù)據(jù)識(shí)別為幀起始、結(jié)束或者中斷，需要對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行字節(jié)填充。選擇ASCⅡ字符esc(十六進(jìn)制1B)作為一個(gè)特殊字符，當(dāng)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)soh時(shí)用esc和x代替，出現(xiàn)eot時(shí)用esc和y代替，出現(xiàn)esc時(shí)用esc和z代替，如圖6所示；同時(shí)采用校驗(yàn)和的檢驗(yàn)方式進(jìn)行差錯(cuò)處理，將經(jīng)過字節(jié)填充的數(shù)據(jù)幀(包括soh和eot)求和，生成校驗(yàn)和，并用4個(gè)字節(jié)進(jìn)行存儲(chǔ)，以保證校驗(yàn)和的計(jì)算不發(fā)生數(shù)據(jù)溢出，確保系統(tǒng)在工作過程中可能會(huì)受到外界雜波干擾的情況下數(shù)據(jù)的正確性。

圖6 字節(jié)填充映射關(guān)系Fig.6 Illustration of byte stuffing

考慮到上位機(jī)必須具有良好的人機(jī)界面，同時(shí)還要具有基本的數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、打印等功能，整個(gè)接口部分軟件采用JAVA語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理和反饋，不僅使代碼執(zhí)行率高，實(shí)時(shí)性好，而且結(jié)構(gòu)更加合理。

4 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

在基于DSP的移動(dòng)基站信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備研制完成后，采用100 Hz～20 kHz正弦波信號(hào)，1.5 V直流分量，1.6 V峰值，使用XDS100仿真器將DSP和CCS3.3連接，進(jìn)行調(diào)試，并通過雙蹤示波器觀察信號(hào)輸入和濾波之后的信號(hào)輸出，將數(shù)據(jù)通過RS-232/USB轉(zhuǎn)換模塊傳送到上位機(jī)。

通過ADC采集的原始數(shù)據(jù)波形如圖7所示，通過濾波器之后的數(shù)據(jù)波形如圖8所示。

圖7 原始數(shù)據(jù)波形Fig.7 Original data waveform

圖8 濾波之后的數(shù)據(jù)波形Fig.8 Data waveform after filtering

通過HRPWM+4階低通濾波器的波形對(duì)比如圖9所示。

圖9 濾波前后波形Fig.9 Waveform before and after filtering

以上結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、濾波和通過RS-232接口與USB接口轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送原始數(shù)據(jù)和濾波之后的數(shù)據(jù)給上位機(jī)等功能，通信協(xié)議設(shè)計(jì)合理，程序運(yùn)行正確。

5 結(jié) 論

基于DSP的移動(dòng)基站信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備是獨(dú)立于通信業(yè)務(wù)網(wǎng)管系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施管理平臺(tái)，能夠在各種環(huán)境條件下有效地利用DSP的信號(hào)處理優(yōu)勢(shì)，采用實(shí)數(shù)FFT算法和RS-232接口轉(zhuǎn)USB接口電路、通信協(xié)議、JAVA語言等軟硬件關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性好、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，從而保證移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的正常、安全運(yùn)行。

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