基于嵌入式的遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

張益銘+張正中

摘 要： 設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的采集、濾波、檢波、放大、調(diào)制與接收，提出基于嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案。信號(hào)發(fā)生器主要包括了通信基陣模塊、收發(fā)轉(zhuǎn)換電路模塊、通信信號(hào)濾波及檢波電路模塊、信號(hào)放大處理模塊、信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊以及接收機(jī)設(shè)計(jì)等。采用嵌入式控制器PXI?8155對(duì)通信信號(hào)發(fā)生器的各模塊進(jìn)行串口、并口及GPIB接口的總線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器的嵌入式集成總線優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行通信信號(hào)傳輸處理分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器能有效提高信號(hào)的穩(wěn)定準(zhǔn)確傳輸能力，降低通信信號(hào)傳輸?shù)恼`比特率。

關(guān)鍵詞： 嵌入式信號(hào)發(fā)生器； 遠(yuǎn)程通信； 信號(hào)調(diào)制； 信號(hào)采集

中圖分類號(hào)： TN782?34； TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）18?0075?04

Design of remote communication signal generator based on embedded technology

ZHANG Yiming1， ZHANG Zhengzhong2，3

（1. Yantai Engineering & Technology College， Yantai 264006， China； 2. Suzhou Institute of Industrial Technology， Suzhou 215104， China；

3. Nano Science and Technology Institute， University of Science and Technology of China， Suzhou 215123， China）

Abstract： In order to design the remote communication signal generator to achieve communication signal acquisition， filtering， amplification， demodulation， modulation and receiving， a design scheme of the remote communication signal generator based on embedded technology is proposed. The signal generator includes communication basic?array module， transceiver conversion circuit module， communication signal filtering and demodulation circuit module， signal amplification processing module， signal modulation and demodulation module， etc. The embedded controller PXI?8155 is adopted to design the bus for serial port， parallel port and GPIB interface of all the modules of the communication signal generator， so as to realize optimization design of embedded integrated bus for the remote communication signal generator. The communication signal transmission analysis of the signal generator is carried out. The experimental results show that the remote communication signal generator can improve the stability and accuracy of signal transmission and reduce the bit error rate of communication signals.

Keywords： embedded signal generator； remote communication； signal modulation； signal acquisition

0 引 言

電訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了遠(yuǎn)程通信技術(shù)的進(jìn)步，信號(hào)處理技術(shù)為遠(yuǎn)程通信提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，人們通過遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)聲音、圖像、文本等信號(hào)與信息的傳輸和傳遞，為人們的生產(chǎn)生活提供便利[1]。在遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中，通信質(zhì)量受到信道的多徑及衰落的影響，導(dǎo)致信號(hào)傳輸過程中容易出現(xiàn)誤碼和失真，需要進(jìn)行遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高遠(yuǎn)程通信信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。信?hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)是一個(gè)信號(hào)的采集、處理和接收的過程，在信號(hào)發(fā)生器中對(duì)通信信號(hào)采用頻移鍵控（FSK）[2]、相移鍵控（PSK）等調(diào)制解調(diào)方法[3]，進(jìn)行信號(hào)放大濾波，并輸出準(zhǔn)確的通信信號(hào)，改善通信質(zhì)量。本文針對(duì)傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器存在信號(hào)傳輸失真和輸出誤碼等問題，提出基于嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。首先進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架，然后進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器的功能模塊硬件設(shè)計(jì)，采用嵌入式PXI?8155總線控制技術(shù)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行信號(hào)傳輸測(cè)試分析，得出有效性結(jié)論。

1 信號(hào)發(fā)生器工作原理與總體設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器是對(duì)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)和信號(hào)處理，選擇合適的信號(hào)調(diào)制、解調(diào)方法，在遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的發(fā)射、接收設(shè)計(jì)中，結(jié)合自適應(yīng)均衡和波束形成方法[4]，進(jìn)行信號(hào)的相關(guān)性檢測(cè)和編碼設(shè)計(jì)。采用信道均衡技術(shù)來糾正加性干擾，提高信號(hào)輸出的信噪比，以FSK調(diào)制為基礎(chǔ)進(jìn)行信號(hào)調(diào)頻設(shè)計(jì)。在通信信號(hào)接收的過程中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、濾波、檢波、放大、調(diào)制與接收。信號(hào)發(fā)生器的主要結(jié)構(gòu)模塊如圖1所示。endprint

圖1描述了遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器的工作原理和主要結(jié)構(gòu)模塊。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器的總體設(shè)計(jì)。

在遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中，對(duì)輸出的通信信號(hào)采用非相干檢測(cè)方法進(jìn)行通信信號(hào)的能量收集，采用嵌入式的ESSH和SSSDV技術(shù)提高信號(hào)收集的效率[5]。設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)采集模塊采用的是MAX4685芯片為核心的聲換能器基陣，通信基陣模塊實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的電聲﹑聲電轉(zhuǎn)換?；嚱邮盏倪h(yuǎn)程通信信號(hào)通過調(diào)制解調(diào)電路和模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)進(jìn)行放大和調(diào)制解調(diào)，輸出端輸出幅度穩(wěn)定的通信信號(hào)。在信號(hào)發(fā)生器的邏輯控制子系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)DSP信號(hào)處理器控制A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行信號(hào)的倍頻采樣，進(jìn)行采集、處理與上位機(jī)通信，DSP控制D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通信信號(hào)濾波，然后采用倍頻電路進(jìn)行信號(hào)放大和檢波處理[6]，對(duì)檢波輸出信號(hào)采用信號(hào)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，輸出高、低電壓至繼電器。在DSP中，輸出多路回波信號(hào)到功率放大器，DSP接收信號(hào)發(fā)生器的PCI總線傳輸?shù)耐ㄐ判盘?hào)進(jìn)行嵌入式控制，通過PCI總線發(fā)送采樣數(shù)據(jù)或處理結(jié)果到PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)過程，得到本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2 信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器工作原理和總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)架。結(jié)合圖2所示的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器的硬件模塊主要包括了通信基陣模塊、收發(fā)轉(zhuǎn)換電路模塊、通信信號(hào)濾波及檢波電路模塊、信號(hào)放大處理模塊、信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊以及接收機(jī)設(shè)計(jì)等。

2.1 通信基陣模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生器的通信基陣模塊主要采用的是4個(gè)壓電陶瓷換能器構(gòu)建信號(hào)采集和發(fā)生的圓柱形基陣[7]，換能器采用連續(xù)線陣和兩點(diǎn)源陣自稱電?聲轉(zhuǎn)換模型，通信基陣模塊需要滿足功率容量大、電聲效率高的設(shè)計(jì)需求，換能器在水平方向沒有指向性，通過兩級(jí)陣的通信電磁場(chǎng)互相耦合，構(gòu)建信號(hào)發(fā)生器的輸出轉(zhuǎn)換基陣，得到信號(hào)通信基陣的圓柱換能器剖面圖如圖3所示。

圖3中在xOy平面內(nèi)，圓柱換能器作為信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)基陣的基本陣元，遠(yuǎn)程通信信號(hào)通過傳感器采集的通信信號(hào)通過信號(hào)放大電路進(jìn)行信號(hào)濾波放大，負(fù)載（陣元）為[Z∠φ]，隨輸出電流的增大，輸出電流幅值收斂于[Im=VmZ=VS-VCEZ]，結(jié)合圖3得到通信基陣的方向性函數(shù)為：

[Dθ=sin（πHsinθλ）πHsinθλ?sin2πDcosθλ2sinπDcosθλ] （1）

式中：H為通信基陣換能器的高度；D為信號(hào)發(fā)生器的換能基陣的外徑；[λ]為波長(zhǎng)。頻帶范圍內(nèi)信號(hào)的傳輸功率增益和輸入電功率的比值：

[η=10PL-WL-DI-170.710] （2）

式中：PL為換能器的阻抗；WL為輸入功率級(jí)；DI為信號(hào)發(fā)上期的基陣的指向性指數(shù)。由此得到信號(hào)發(fā)生器的基陣模塊供電效率ηE和運(yùn)放耗散功率PD分別為：[ηE=PLPE=0.56?cosφ] （3）

[PD=1-0.56?cosφ?PE=10.56?cosφ-1?PL] （4）

式中：[ηD=PDPE=0.44]；在額定電流時(shí)，VCE一般在10 V左右。

通過上述設(shè)計(jì)，構(gòu)建串聯(lián)調(diào)諧等效電路，通過CRC 校驗(yàn)來進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性檢查。

2.2 收發(fā)轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計(jì)

收發(fā)轉(zhuǎn)換電路主要作用是根據(jù)信號(hào)的大小自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)，將信號(hào)發(fā)生器采樣的遠(yuǎn)程通信信號(hào)進(jìn)行數(shù)字FIR濾波，把RC積分器輸出的直流信號(hào)放大，進(jìn)行電源供電的端口分配。

根據(jù)采樣通道數(shù)、信號(hào)脈寬，采用運(yùn)算放大器電路構(gòu)建收發(fā)轉(zhuǎn)換電路模塊的同相放大器，信號(hào)發(fā)生器的接收機(jī)的有效頻率范圍為100～2 000 Hz，采用兩個(gè)8階的帶通濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)建一個(gè)16階的數(shù)字FIR濾波器，F(xiàn)IR濾波器為一個(gè)雙列直插式開關(guān)電容低通濾波，低通截止頻率[fc]的變化范圍為 40～20 kHz，利用阻抗分析儀測(cè)得系統(tǒng)頻帶內(nèi)最大發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)，結(jié)合窄帶陣元串聯(lián)調(diào)諧和并聯(lián)調(diào)諧的特點(diǎn)[8]，降低射頻干擾，得到收發(fā)轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖中，將TRF7960的I/O_0～I(xiàn)/O_7作為輸出電源的端口，信號(hào)輸出端與GPIO口相連接，通過上述設(shè)計(jì)，確定了適合遠(yuǎn)程通信的寬帶陣元電匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，選擇合適的功放管進(jìn)行嵌入式控制，提高信號(hào)發(fā)生器的輸出增益。

2.3 通信信號(hào)濾波檢波及放大處理模塊

對(duì)信號(hào)發(fā)生器的濾波、檢波和放大模塊進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，采用普通的二極管檢波電路進(jìn)行遠(yuǎn)程通信信號(hào)的檢波處理，將二極管接在運(yùn)算放大器的反饋電路，采用ADUM1201和PCA82C250設(shè)計(jì)線性檢波電路，通過一個(gè)5[Ω]電阻與CAN總線相連，設(shè)計(jì)功率放大的D/A轉(zhuǎn)換接口。接收功率放大信號(hào)進(jìn)入 BWP08 的SIN引腳控制D/A轉(zhuǎn)換器工作，在ARM?Linux 平臺(tái)下通過 UART 接口實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)高低電平直接控制，為了二極管檢波電路中的非線失真[9]，在Windows CE5.0/6.0系統(tǒng)程序保護(hù)下，進(jìn)行信號(hào)放大處理，采用8階高通濾波器（S3529）和一個(gè)

8階低通濾波器（S3528）并聯(lián)方法設(shè)計(jì)數(shù)字隔離器，輸出電壓[Vo]為電源導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓增益，在過流過壓保護(hù)設(shè)計(jì)中選擇：[C1=C2=C]，[R1=R2=R]，利用二極管[D1]的非線性特性進(jìn)行增益控制，信號(hào)經(jīng)過R1向C1兩端積累，自動(dòng)控制增益頻率點(diǎn)滿足[ωn=25 kHz]，[G0=2]，負(fù)載功率的增益（1～1 000），此時(shí)信號(hào)放大倍數(shù)為：

[NF=NF1+NF2-1KP1+…+NFn-1KP1KP2…KP（n-1）] （5）

式中：[NFi]為第i級(jí)的窄帶阻抗匹配系數(shù)；運(yùn)算放大器AD620失真度為[-120 dB@20 kHz]；電壓幅值為[ηE=PLPE=0.56?cosφ]，通過上述設(shè)計(jì)原理，得到通信信號(hào)濾波檢波及放大處理模塊的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。endprint

2.4 信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊及信號(hào)接收機(jī)模型

遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊采用數(shù)字增益控制方法進(jìn)行FSK調(diào)制設(shè)計(jì)，選用程控放大器VCA810作為調(diào)制解調(diào)電路的主控芯片?？紤]到遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的自激噪聲干擾和碼間干擾，還需要進(jìn)行干擾抑制，采用三級(jí)放大增益控制提供8通道模擬輸出，由Mux101多路開關(guān)連接在信號(hào)路由上進(jìn)行MIMO可編程控制，通過外部I/O接口上引入外部參考電壓，輸出一個(gè)特定內(nèi)部時(shí)間信號(hào)，接收到的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)高放和混頻處理后，由外部源來控制時(shí)鐘和觸發(fā)總線[10]。采用PXI的10 MHz時(shí)鐘作為調(diào)制解調(diào)的中斷，降低了進(jìn)入信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾，擴(kuò)頻系統(tǒng)通過相關(guān)接收，使進(jìn)入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾功率降低，提高了遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的信號(hào)接收性能，由此設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)制解調(diào)器和信號(hào)接收機(jī)，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

3 嵌入式總線設(shè)計(jì)及信號(hào)測(cè)試分析

最后采用嵌入式控制器PXI?8155對(duì)通信信號(hào)發(fā)生器的各模塊進(jìn)行串口、并口及GPIB接口的總線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器的嵌入式集成總線優(yōu)化設(shè)計(jì)。PXI總線內(nèi)部系統(tǒng)使用10 MHz時(shí)鐘作為集成總線RTSI0～7路由端口，由PXI?6713采集卡配置的數(shù)據(jù)流和時(shí)間信號(hào)連接的傳輸緩沖區(qū)，啟動(dòng)遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器后，檢測(cè)到外部觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)?shù)竭_(dá)緩沖區(qū)的脈沖寬度，輸出信號(hào)的更新率時(shí)鐘，配置PXI?6713的計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器的嵌入式集成總線優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器的性能，進(jìn)行信號(hào)發(fā)射和接收的性能分析，首先測(cè)試信號(hào)發(fā)生器的高通濾波和低通濾波的響應(yīng)性能，得到濾波特性曲線如圖7所示。以信號(hào)的輸出誤比特率為測(cè)試指標(biāo)分析信號(hào)發(fā)生器的遠(yuǎn)程通信信號(hào)傳輸能力，干擾信噪比為-10～30 dB，得到測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

分析圖7結(jié)果得知，采用本文設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器，能有效濾除信號(hào)遠(yuǎn)程通信中的干擾，高通濾波的衰減特性為22.1 dB，低通濾波的衰減特性為20.9 dB，有效滿足遠(yuǎn)程通信的信號(hào)傳輸和接收的技術(shù)需求。分析圖8結(jié)果得知，采用本文方法進(jìn)行信號(hào)遠(yuǎn)程通信傳輸，有效降低了誤比特率，提高了信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確收發(fā)質(zhì)量。

4 結(jié) 語

本文提出基于嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案。信號(hào)發(fā)生器主要包括了通信基陣模塊、收發(fā)轉(zhuǎn)換電路模塊、通信信號(hào)濾波及檢波電路模塊、信號(hào)放大處理模塊、信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊以及接收機(jī)設(shè)計(jì)等。采用嵌入式控制器PXI?8155對(duì)通信信號(hào)發(fā)生器的各模塊進(jìn)行串口、并口及GPIB接口的總線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器的嵌入式集成總線優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行通信信號(hào)傳輸處理分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該遠(yuǎn)程通信信號(hào)發(fā)生器能有效提高信號(hào)的穩(wěn)定準(zhǔn)確傳輸能力，降低通信信號(hào)傳輸?shù)恼`比特率，改善了通信質(zhì)量。

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