基于DPS技術(shù)的無線通信控制器設(shè)計(jì)

李明

（寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞721016）

基于DPS技術(shù)的無線通信控制器設(shè)計(jì)

李明

（寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞721016）

為了提高無線通信系統(tǒng)的信道均衡性和通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性，需要進(jìn)行無線通信系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)，提出基于DSP技術(shù)的無線通信控制器設(shè)計(jì)方案，采用高速信號(hào)處理芯片ADSP21160處理器系統(tǒng)作為主控芯片，進(jìn)行無線通信控制器的總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的硬件組成模塊包括通信信號(hào)AD模塊、信號(hào)放大器、檢波模塊、增益放大模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、主控模塊和輸出接口模塊。對(duì)輸入無線通信信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，采用DSP進(jìn)行通信信號(hào)的信道優(yōu)選控制，采用內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器進(jìn)行無線通信信號(hào)的調(diào)制解調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)無線通信信道優(yōu)選控制。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行無線通信控制，通信系統(tǒng)的信道均衡性較好，輸出誤碼較低，控制品質(zhì)較高。

DSP；無線通信；控制器；信道；誤碼率

隨著高速寬帶業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展，采用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸成為未來通信領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，無線通信具有移動(dòng)性好、組網(wǎng)簡(jiǎn)單和傳輸帶寬較大等優(yōu)點(diǎn)在民用通信和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。在無線通信系統(tǒng)中，由于通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的自組織性，導(dǎo)致通信系統(tǒng)的信道失穩(wěn)，需要進(jìn)行無線通信控制器設(shè)計(jì)，通過無線通信控制器進(jìn)行信道均衡控制，降低無線通信系統(tǒng)的輸出誤比特率，提高無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，研究無線通信系統(tǒng)的控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在改善通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高通信品質(zhì)方面同樣具有重要意義，研究無線通信控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法受到人們的極大關(guān)注[2]。

無線通信系統(tǒng)的控制器作為控制通信傳輸?shù)闹醒胩幚韱卧?，?duì)控制器的設(shè)計(jì)當(dāng)前主要采用模糊控制方法，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和信道調(diào)制解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線通信控制[2-3]，并取得了一定的研究成果，其中，文獻(xiàn)[4]中提出一種基于改進(jìn)自適應(yīng)準(zhǔn)滑模解耦控制的無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制模型，通過調(diào)制解調(diào)濾波放大電路進(jìn)行通信信號(hào)的放大增益控制，防止通信信號(hào)出現(xiàn)溫度漂移失真，采用碼間干擾抑制技術(shù)進(jìn)行信道控制，提高無線通信信道的信道均衡性能，但該無線通信控制器采用分離元件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的集成控制性能不好；文獻(xiàn)[5]提出一種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)光軸抖動(dòng)抑制控制器設(shè)計(jì)方法，基于DBP的DP-16QAM相干調(diào)制方法進(jìn)行無線通信系統(tǒng)的自適應(yīng)放大，通過抖動(dòng)抑制方法進(jìn)行無線通信實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)輸出優(yōu)化，降低了通信系統(tǒng)的輸出時(shí)延，但該控制器的輸出誤碼率較大，通信保真性不好。

針對(duì)上述問題，本文提出基于DSP技術(shù)的無線通信控制器設(shè)計(jì)方案，以高速信號(hào)處理芯片ADSP21160處理器系統(tǒng)作為主控芯片，采用DSP集成信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行無線通信控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行了控制器的總體設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行無線通信系統(tǒng)控制器的模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)硬件電路開發(fā)，關(guān)鍵技術(shù)是采用內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器進(jìn)行無線通信信號(hào)的調(diào)制解調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)無線通信信道優(yōu)選，最后進(jìn)行系統(tǒng)仿真測(cè)試，展示了本文設(shè)計(jì)的無線通信控制器在改善無線通信質(zhì)量，提高控制品質(zhì)方面的優(yōu)越性能。

1 控制器的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架分析

1.1 無線通信控制原理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無線通信控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行控制器的總體構(gòu)架描述，分析無線通信控制的原理。無線通信的控制器設(shè)計(jì)主要包括了無線通信的信道均衡設(shè)計(jì)、通信信道調(diào)制設(shè)計(jì)以及直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence，DS）設(shè)計(jì)[6]，在無線通信控制器的DSP系統(tǒng)中，采用時(shí)鐘電路進(jìn)行控制器的內(nèi)部振蕩控制，由于ADSP-BF537帶有內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器，采用ADSP-BF537作為外圍器件，進(jìn)行AD信息采樣，對(duì)采樣的通信信號(hào)在無線通信信道中進(jìn)行放大處理，采用ISA/EISA/Micro Channel擴(kuò)充總線作為控制器的局部總線控制，構(gòu)建功率放大模塊，通過配置正確的負(fù)載電容進(jìn)行增益無線通信系統(tǒng)控制器的基線漂移抑制，實(shí)現(xiàn)信道均衡，根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，構(gòu)建無線通信控制器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 無線通信控制器的總體結(jié)構(gòu)構(gòu)架

1.2 控制器的核心器件選擇及技術(shù)指標(biāo)分析

根據(jù)上述對(duì)無線通信控制器的設(shè)計(jì)原理描述，用Linux作為微機(jī)嵌入式內(nèi)核，構(gòu)建無線通信控制器的開發(fā)平臺(tái)，基于ARM嵌入式技術(shù)進(jìn)行無線通信控制器的信息集成處理。DSP處理器的供電電壓為DC 3.3 V和1.25 V，對(duì)ARM處理器采用三端線性穩(wěn)壓芯片LM1117進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波和緩存處理，控制器的輸入數(shù)字電源采用3.3 V的直流電壓作為輸入電源，通過自動(dòng)化檢測(cè)濾波在CPU中進(jìn)行微機(jī)控制，為了滿足本文設(shè)計(jì)的無線通信控制器的低功耗和信道均衡調(diào)制的需求，選用PCI9054作為通信控制器的輸出接口總線，選擇ADI公司的高速A/D芯片AD9225作為無線通信控制器的外圍時(shí)鐘電路，可以精確控制高壓，設(shè)計(jì)寬帶基陣阻抗匹配電路進(jìn)行通信信號(hào)的收發(fā)轉(zhuǎn)換和功率放大，通過模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)進(jìn)行無線通信信號(hào)的檢波放大，使得控制器具有動(dòng)態(tài)控制增益的功能[7]，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的通信質(zhì)量需求，給出本文設(shè)計(jì)的無線通信控制器的技術(shù)指標(biāo)描述如下：

1）無線通信邏輯控制系統(tǒng)的增益放大動(dòng)態(tài)范圍：-20～+20 dB，動(dòng)態(tài)增益碼的放大量為120 dB，輸出無線通信信號(hào)的幅度±10 V；

2）通過PCI橋接芯片與無線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DSP信號(hào)處理的控制電平為12 V，信號(hào)頻譜的采樣通道：8通道同步、異步輸入；

3）控制器能輸出多路回波信號(hào)，通信信號(hào)的時(shí)鐘采樣率：≥200 kHz；

4）動(dòng)態(tài)增益控制碼的A/D分辨率：12位（至少）；

5）D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)D/A分辨率：12位（至少）；

6）無線通信系統(tǒng)的整體D/A轉(zhuǎn)換速率：≥100 MHz；

7）輸出通信信號(hào)調(diào)制方式：可選，包括（CW調(diào)制、LFM調(diào)制、HFM調(diào)制等）多種形式。

2 控制器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行無線通信控制器的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架分析和功能模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行無線控制器的硬件模塊化設(shè)計(jì)，本文提出基于DSP技術(shù)的無線通信控制器設(shè)計(jì)方案，采用高速信號(hào)處理芯片ADSP21160處理器系統(tǒng)作為主控芯片，在外部總線觸發(fā)控制下，進(jìn)行控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的硬件組成模塊包括通信信號(hào)AD模塊、信號(hào)放大器、檢波模塊、增益放大模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、主控模塊和輸出接口模塊[8]，對(duì)控制器的硬件模塊化設(shè)計(jì)描述如下。

2.1 通信信號(hào)AD模塊

AD模塊采用RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行信號(hào)采集，將采集的無線通信信號(hào)通過STM32型處理器進(jìn)行識(shí)讀和寫入，輸入到雙向電平轉(zhuǎn)換電路中并傳送到給485網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)，AD模塊使用ADM706S作為AD轉(zhuǎn)換器，在通用PPI模式下采用外部I/O設(shè)備進(jìn)行通信信道的碼間干擾抑制，A/D時(shí)鐘輸入由CLKBUF給出，對(duì)無線通信的讀取采用UHF RFID閱讀器、電子標(biāo)簽和藍(lán)牙設(shè)備，AD模塊電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 AD模塊電路設(shè)計(jì)

2.2 信號(hào)放大器

為了減小系統(tǒng)自噪聲的干擾，在AD模塊的輸出終端需要設(shè)計(jì)信號(hào)放大器，實(shí)現(xiàn)無線通信信號(hào)的功率放大功能，選擇放大器型號(hào)首要考慮的因素，采用DSP控制SEL1電平，“1”表示放大100倍，輸出信號(hào)的范圍在±10 V之間。采用驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行系統(tǒng)的自激噪聲抑制和檢波放大，為了克服無線通信信道的碼間干擾和自激影響，采用三級(jí)放大器進(jìn)行逐級(jí)放大，得到本文設(shè)計(jì)的無線通信控制器的放大電路如圖3所示。

圖3 無線通信控制器的放大電路

2.3 檢波模塊

檢波模塊是實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的檢波放大和信號(hào)調(diào)制功能，檢波電路是控制器的核心電路，采用DSP芯片進(jìn)行檢波控制，線性動(dòng)態(tài)范圍-40～40 dB，考慮到輸入信號(hào)幅值較低，通過低頻調(diào)節(jié)使得控制器的輸出端變?yōu)檎娖?，在抑制高頻成分后，在通用外設(shè)中設(shè)定，使得無線通信信號(hào)能夠逐級(jí)檢波輸出，并將檢波輸出的信號(hào)進(jìn)行直擴(kuò)處理[9]，消除直流偏置，使得輸入端的晶振頻率保持為0，采用PLC邏輯控制芯片構(gòu)建并行外設(shè)接口（PPI），得到檢波電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 檢波電路設(shè)計(jì)

2.4 增益放大模塊

增益放大模塊是實(shí)現(xiàn)無線通信的信道均衡保護(hù)功能，構(gòu)建并行外設(shè)接口（PPI）實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的中斷的無線通信脈沖，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)進(jìn)行高頻干擾耦合，設(shè)置前置運(yùn)算放大器，通過調(diào)節(jié)1 uF的負(fù)載電容，配置SIC_IMASK寄存器，通過LCD控制器在模擬地間添加10 uF和通過LCD控制器執(zhí)行增益放大，在微分電路中鍵入0.1 uF的去耦電容，實(shí)現(xiàn)低電壓復(fù)位，使得增益放大模塊的可調(diào)范圍在±5%之間，增益放大模塊的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.5 調(diào)制解調(diào)模塊

調(diào)制解調(diào)模塊實(shí)現(xiàn)為0～5 V的雙路通信信號(hào)的調(diào)制解調(diào)功能，在濾波電路中加入動(dòng)態(tài)范圍≥25 dB的AGC，AGC的時(shí)鐘采樣電路設(shè)計(jì)2個(gè)并行輸入/輸出外圍接口，D/A的輸出信號(hào)的范圍是：12～24VDD，調(diào)壓器輸出200 ms的低脈沖，由此實(shí)現(xiàn)無線通信控制器的調(diào)制解調(diào)，電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 增益放大模塊設(shè)計(jì)

圖6 調(diào)制解調(diào)模塊電路設(shè)計(jì)

2.6 輸出接口模塊

在輸出接口模塊中，對(duì)輸入無線通信信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，滿足4通道輸入需求，信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換速度1.65 us、采用DSP進(jìn)行通信信號(hào)的信道優(yōu)選控制，采用DSP的運(yùn)放電路AD8674進(jìn)行電壓控制，基于DSP的信號(hào)處理器進(jìn)行無線通信信號(hào)的功率增益放大和倍頻控制，輸出接口采用ADUM1201與CAN總線相連，得到接口硬件設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

圖7 接口硬件模塊設(shè)計(jì)

通過上述模塊化設(shè)計(jì)，采用內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器進(jìn)行無線通信信號(hào)的調(diào)制解調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)無線通信信道優(yōu)選控制，在PCB中進(jìn)行控制器的集成設(shè)計(jì)[10]，并使用Linux作為微機(jī)嵌入式內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)控制器的集成開發(fā)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于DSP技術(shù)的無線通信控制器在改善無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量方面的應(yīng)用性能，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)控制器的系統(tǒng)測(cè)試的開發(fā)平臺(tái)是Visual DSP＋＋4.5，輸入通信系統(tǒng)的通信信號(hào) P（t）為頻帶為 2～8 kHz，帶寬為 4 ms 的線性調(diào)頻信號(hào)，功率放大模塊的反饋系數(shù)為4000011，通信信號(hào)的調(diào)制系數(shù)（）為 10000000000 0000001001，系統(tǒng)的處理增益為20 dB，信道的干擾信噪比為12 dB，根據(jù)上述測(cè)試參量設(shè)定，進(jìn)行通信控制性能測(cè)試，得到輸出誤碼率對(duì)比結(jié)果如圖8所示?？刂祈憫?yīng)時(shí)間對(duì)比見表1。

圖8 無線通信誤碼率對(duì)比

表1 無線通信控制響應(yīng)時(shí)間對(duì)比（單位：s）

分析上述仿真結(jié)果得知，采用本文方法進(jìn)行無線通信控制的誤碼率較低，控制響應(yīng)時(shí)延較小，說明控制的品質(zhì)較高，信道均衡性更好，改善了無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中研究了無線通信系統(tǒng)的信道均衡性和通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性控制問題，提出基于DSP技術(shù)的無線通信控制器設(shè)計(jì)方案，采用高速信號(hào)處理芯片ADSP21160處理器系統(tǒng)作為主控芯片，進(jìn)行無線通信控制器的總體設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的通信信號(hào)AD模塊、信號(hào)放大器、檢波模塊、增益放大模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、主控模塊和輸出接口模塊等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)描述。采用內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器進(jìn)行無線通信信號(hào)的調(diào)制解調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)無線通信信道優(yōu)選控制。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行無線通信控制，通信系統(tǒng)的信道均衡性較好，輸出誤碼較低，控制品質(zhì)較高，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

[1]張冀，徐科軍.自動(dòng)生成轉(zhuǎn)速參考曲線的電動(dòng)執(zhí)行器定位方法 [J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014，28（11）:1222-1234.

[2]高雅莉，徐武.基于X3D的實(shí)時(shí)交互技術(shù)在定位實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016（2）:12-14.

[3]ZHANG Ming，CHEN Wen，CHEN Liu-wei，et al.Photorefractive long period waveguide grating filter in lithium niobate strip waveguide[J].Optical and Quantum Electronics，2014，46:1529-1538.

[4]何大闊，高飛雪，楊樂，等.一類未知MIMO非線性離散系統(tǒng)的改進(jìn)自適應(yīng)準(zhǔn)滑模解耦控制[J].控制與決策，2016，31（5）:783-789.

[5]羅奇，李新陽(yáng).自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)光軸抖動(dòng)抑制控制器設(shè)計(jì) [J].紅外與激光工程，2016，45（4）:432003-0432003（6）.

[6]李鋒，沈崧.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)機(jī)會(huì)路由技術(shù)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016（5）:58-61.

[7]翟雁，郭陽(yáng)寬，祝連慶，等.步進(jìn)電機(jī)模糊PID閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（11）:146-149.

[8]閆廣拓，張愛玲，何培棟，等.晶片與光刻膠溫度差對(duì)波導(dǎo)損耗的影響 [J].光通信技術(shù)，2015，12（3）:8-11.

[9]倪駿康，劉崇新，龐霞.電力系統(tǒng)混沌振蕩的等效快速終端模糊滑模控制 [J].物理學(xué)報(bào)，2013，62（19）:101-113.

[10]HE Y，ZHANG C S，TANG X M，et al.Coherent integration loss due to pulses loss and phase modulation in passive bistatic radar[J].Digital Signal Processing，2013，23（4）:1265-1276.

[11]韓存武，常舒瑞，刁奇，等.無線通信網(wǎng)絡(luò)功率和速率最優(yōu)控制及其仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2016（1）:313-316.

[12]李雪峰.基于ZigBee無線通信的分布式智能家庭安防系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016（16）:119-123.

[13]褚好迎，蘇勝君.無線通信系統(tǒng)中發(fā)射分集技術(shù)研究[J].電子科技，2016（11）:19-21.

[14]朱耀麟，孟超，張勇.無線通信系統(tǒng)中衰落信道的仿真及信道估計(jì)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（6）:748-751，755.

[15]陳亞丁，李少謙，程郁凡.無線通信系統(tǒng)綜合抗干擾效能評(píng)估[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（2）:196-199，208.

[16]朱春甫.無線通信技術(shù)在鐵路運(yùn)輸中的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)，2013（6）:47-48，51.

Design of wireless communication controller based on DPS technology

LI Ming
（Department Electronics and Electric Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016，China）

In order to improve the stability of channel equalization and communication transmission of the wireless communication system，wireless communication system needs to design the controller，the controller design scheme of wireless communication based on DSP technology，the high speed signal processing chip ADSP21160 processor as the main control chip，the overall design of a wireless communication controller，including communication module AD module signal the hardware of the system，signal amplifier，detector module，amplifier module，modulation module，main control module and output module.The input signal in wireless communication amplifying and filtering processing，channel optimization control using DSP communication signal modulation and demodulation，controlled by the internal clock oscillator signal for wireless communication，wireless communication channel optimization of control system.The test results show that using the method of wireless communication control system，the system has better channel equalization，lower output error code and higher control quality.

DSP； wireless communication； controller； channel； bit error rate

TN911

：A

：1674－6236（2017）14-0096-05

2017-01-18稿件編號(hào)：201701129

寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目資助（ZK16122）；寶雞市科技計(jì)劃項(xiàng)目（16RKX1-9）

李 明（1982—），男，陜西寶雞人，碩士，講師。研究方向：通信與信息系統(tǒng)。