基于網(wǎng)絡(luò)的射頻信號(hào)預(yù)處理器設(shè)計(jì)

梁霄

摘要：文章通過對(duì)射頻信號(hào)接收的研究和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的預(yù)處理，可以顯著地改善復(fù)雜電磁環(huán)境下接收機(jī)或頻譜儀的測量效果，同時(shí)也可以提高測試系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：射頻預(yù)處理器；播出質(zhì)量；測量效果

監(jiān)測廣播電視系統(tǒng)播出質(zhì)量是廣播電視監(jiān)管行業(yè)的重要任務(wù)之一。其中，接收天線加專業(yè)接收機(jī)的組合作為主要監(jiān)測方案被各級(jí)監(jiān)管部門廣泛應(yīng)用。但是，由于受來波方向、廣播電視射頻信號(hào)強(qiáng)度、接收機(jī)自身動(dòng)態(tài)范圍和測量環(huán)境干擾等因素的影響，監(jiān)測系統(tǒng)中需要多副天線配合天線切換器、濾波器、衰減器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的預(yù)處理。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)中，天線切換器、濾波器和衰減器的選擇與控制都是依靠人工手動(dòng)完成。為了提高監(jiān)測效率，提升監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)化水平，有必要設(shè)計(jì)一種基于網(wǎng)絡(luò)的射頻信號(hào)預(yù)處理器，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的自動(dòng)化預(yù)處理和網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制。

1 概述

1.1 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是衡量接收機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，是指使接收機(jī)能夠?qū)邮招盘?hào)進(jìn)行檢測而又使接收信號(hào)不失真的輸入信號(hào)的大小范圍，一般指幅度。接收信號(hào)過大，會(huì)引起放大器的失真和引入噪聲，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤Ы邮諜C(jī)前端。信號(hào)過小，信號(hào)無法被檢測到。頻譜上小信號(hào)附近的大信號(hào)同樣會(huì)影響接收機(jī)的測量準(zhǔn)確性。

1.2 衰減器

衰減器是在指定的頻率范圍內(nèi)，一種用以引入_預(yù)定衰減的電路。結(jié)合后端的處理軟件補(bǔ)償，引入衰減器有助于提高接收機(jī)或頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍。衰減器分為無源衰減器和有源衰減器兩種。有源衰減器與其他元件相配合組成可變衰減器，裝置在放大器內(nèi)用于自動(dòng)增益或斜率控制電路中。無源衰減器有固定衰減器和可調(diào)衰減器。本設(shè)計(jì)采用無源衰減器。

1.3 帶通濾波器與帶阻濾波器

帶通濾波器是指能通過某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，在實(shí)際的信號(hào)測量過程中可以使用帶通濾波器，只允許感興趣的信號(hào)通過。與帶通濾波器的概念相對(duì)的是帶阻濾波器，它是指能通過大多數(shù)頻率分量、但將某些范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，在所測量信號(hào)頻譜附近有大信號(hào)時(shí)，為了降低大信號(hào)對(duì)所測信號(hào)的干擾，特別是待測信號(hào)是較小信號(hào)時(shí)，采用帶阻濾波器衰減不感興趣的大信號(hào)不失為一種有效手段。本設(shè)計(jì)同時(shí)采用帶通濾波器與帶阻濾波器。

1.4 射頻同軸開關(guān)

同軸開關(guān)在射頻、微波系統(tǒng)中有著廣泛的用途，如時(shí)分多工器、時(shí)分通道選擇、脈沖調(diào)制、收發(fā)開關(guān)、波束調(diào)整等。開關(guān)的指標(biāo)比較簡單，接通損耗盡可能小，關(guān)斷損耗盡可能大，頻帶和功率滿足系統(tǒng)要求。任何一種同軸開關(guān)都有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)脈沖放大器，把控制信號(hào)（通常為TTL電平）放大后輸出足夠大的電流或足夠高的電壓。同軸開關(guān)為本設(shè)計(jì)的重要部件。

2 射頻信號(hào)預(yù)處理器設(shè)計(jì)（見圖1-2）

2.1 射頻預(yù)處理器工作原理

用戶通過本地按鈕或PC機(jī)控制射頻預(yù)處理器，通過同軸開關(guān)選擇合適的天線通道，合適的衰減、直通、帶通、帶阻、高通、低通通道，經(jīng)過射頻預(yù)處理器后的信號(hào)再進(jìn)入接收機(jī)或頻譜儀，如圖1所示。用戶也可根據(jù)實(shí)際需要從外部接口外擴(kuò)濾波器，射頻預(yù)處理器工作框如圖2所示。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

主單元以帶有以太網(wǎng)接口的高性能ARM CORTEX-M3處理器為核心，SD卡接口存儲(chǔ)用戶的配置信息，2.4寸TFT液晶屏與光點(diǎn)撥碼開關(guān)作為本地控制人機(jī)交互單元，RJ45接口作為遠(yuǎn)程控制接口，4路天線輸入、1路射頻輸出、2路外部濾波器擴(kuò)展口均采用N型插座，ARM處理器通過SPIEl經(jīng)過74HC595串并轉(zhuǎn)換后控制同軸開關(guān)。預(yù)處理器輸入電壓為AC220V，內(nèi)部采用DCl2V開關(guān)電源為處理單元和同軸開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路供電。為了減少外部電磁環(huán)境對(duì)內(nèi)部射頻信號(hào)的干擾，預(yù)處理器采用金屬屏蔽機(jī)箱。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用RT-Thread實(shí)時(shí)系統(tǒng)、開源的UCGUI圖形系統(tǒng)移植、LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧移植、顯示驅(qū)動(dòng)編寫。

RT-ThreadRTOS是一款來自中國的開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，由國內(nèi)一些專業(yè)開發(fā)人員開發(fā)、維護(hù)。它不僅僅是一款高效、穩(wěn)定的實(shí)時(shí)核心，系統(tǒng)也是一套面向嵌入式系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，覆蓋了全搶占的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，小巧而與底層具體實(shí)現(xiàn)無關(guān)的文件系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制采用以太網(wǎng)方案，需要TCP/IP協(xié)議棧支持，但是通用的協(xié)議棧體積龐大，不適合在嵌入式領(lǐng)域使用。LwIP（light weight IP）是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院的Adam Dunkels等開發(fā)的一套開放TCP/IP協(xié)議棧源代碼。LwlP既可以移植到操作系統(tǒng)上，又可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行。LwIP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP/IP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，這使LwIP適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。移植要點(diǎn)如下：

2.3.1 所需頭文件

CC.h主要定義數(shù)據(jù)類型的名稱；sys arch.h主要定義3種新數(shù)據(jù)類型：信號(hào)量、郵箱、線程。

2.3.2 Lwip的操作系統(tǒng)封裝層（operating system emulationlayer）

為了適應(yīng)不同的操作系統(tǒng)，Lwip沒有在代碼中使用與某一個(gè)操作系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是在Lwip與操作系統(tǒng)之間增加了一個(gè)操作系統(tǒng)封裝層，操作系統(tǒng)封裝層為操作系統(tǒng)服務(wù)（定時(shí)、進(jìn)程同步消息傳遞）提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口。在Lwip中進(jìn)程同步使用semaphone，消息傳遞采用mbox。

Operating system emulation layer的原代碼在…/1wip/src/core/sys.c中，與具體的操作系統(tǒng)相關(guān)的代碼在../1wip/src/arch/sys arch.c中.操作系統(tǒng)封裝層的主要函數(shù)如下：

void sys init（void）∥系統(tǒng)初始化

sys_thread_t sys_thread_new（void（*function）（void*arg），void*arg，int prio）//創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程

sys_mbox_t sys_mbox_new（void）∥創(chuàng)建一個(gè)郵箱

void_sys_mbox_flee（sys mbox tmbox）∥釋放并刪除一個(gè)郵箱

void_sys_mbox_post（sys_mbox_t mbox，void*data）//發(fā)送一個(gè)消息到郵箱

void sys_mbox_fetch（sys_mbox_t mbox，void**msg）∥等待郵箱中的消息

sys_sem_t sys_sem_new（u8 t_count）//創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量

void sys sem free（sys sem t sem）∥釋放并刪除一個(gè)信號(hào)量

void sys_sem_signal（sys_sem_t sem）∥發(fā)送一個(gè)信號(hào)量

void sys sem wait（sys sem t sem）∥等待一個(gè)信號(hào)量

void sys timeout（u32_t msecs，sys_timeout_handler h，void*arg）∥設(shè)置一個(gè)超時(shí)事件

void sys_untimeout（sys timeout_handler h，void*arg）∥刪除一個(gè)超時(shí)事件

2.3.3 ethernet的移植

與具體網(wǎng)卡打交道的函數(shù)位于ethernet.c中，移植工作主要是填空ethernetif.c的過程。主要實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)函數(shù)：

void low level init（struct netif*netif）， //初始化網(wǎng)卡

err_t low_level_output（struct netif*netif-struct pbuf*p），∥發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包

struct pbuf*ow_1ev eI_input（struct netif*netif），

∥接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包

UCGUI是一種嵌入式應(yīng)用中的圖形支持系統(tǒng)。它為任何使用LCD圖形顯示的應(yīng)用提供高效的獨(dú)立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口，它適用于單任務(wù)或是多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實(shí)或虛擬顯示。它的設(shè)計(jì)架構(gòu)是模塊化的，由不同的模塊中的不同層組成，由一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)層來包含所有對(duì)LCD的具體圖形操作。UCGUI可以在任何的CPu上運(yùn)行，因?yàn)樗?00%的標(biāo)準(zhǔn)C代碼編寫的。UCGUI能夠適應(yīng)大多數(shù)的使用黑白或彩色LCD的應(yīng)用，它提供非常好的允許處理灰度的顏色管理，還提供一個(gè)可擴(kuò)展的2D圖形庫及占用極少RAM的窗口管理體系。

設(shè)計(jì)中采用8位并行MCU接口的TFT液晶屏，需要軟件模擬讀、寫、指令、數(shù)據(jù)時(shí)序。見如下c語言宏定義：

∥指4/數(shù)據(jù)選擇

#define LCD_RS（X） GPIOPinWrite（GPIO_PORTE_BASE，GPIO_PIN_6，（x？LCD_RS_DATA：0））

//片選

#define LCD_CS（X） GPIOPinWrite（GPIO_PORTB_BASE，GPIO_PIN_4，（x？LCD—RS—DATA：0））

//讀

#defme LCD_WR（X） GPIOPinWrite（GPIO—PORTB_BASE，GPIO_PIN_5，（x？LCD_WR_DATA：0））

//寫

3 結(jié)語

遙控站安裝地點(diǎn)的選擇范圍因各種原因極度受限，基礎(chǔ)條件是具備通暢的網(wǎng)絡(luò)連接和穩(wěn)定的電力供應(yīng)，但電磁環(huán)境往往無法滿足收測標(biāo)準(zhǔn)，為保證監(jiān)測業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行、收測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，在站點(diǎn)系統(tǒng)中引入射頻信號(hào)預(yù)處理器，通過本地或遠(yuǎn)程控制同軸開關(guān)選擇不同的天線通道以及對(duì)信號(hào)進(jìn)行前期濾波或衰減，可以顯著地改善復(fù)雜電磁環(huán)境下接收機(jī)或頻譜儀的測量效果，基于網(wǎng)絡(luò)的射頻信號(hào)預(yù)處理器還可以按照用戶需求遠(yuǎn)程遙控、及時(shí)修改相關(guān)參數(shù)設(shè)置，大大提高工作效率，以應(yīng)對(duì)各類日常、臨時(shí)監(jiān)測任務(wù)。