大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)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）

大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)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）

為了提高通信信號(hào)的穩(wěn)定采集性能，提出一種改進(jìn)的大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)主要包括AD模塊、模擬信號(hào)預(yù)處理模塊、收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊、功率放大器、邏輯與譯碼控制模塊等，采用32位VME總線擴(kuò)展技術(shù)構(gòu)建無(wú)線通信信號(hào)的采集系統(tǒng)的可編程專用集成總線，選用MAX264芯片作為信號(hào)處理核心芯片，設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器完成無(wú)線終端智能通信信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，采用CPLD編程技術(shù)進(jìn)行信號(hào)采集的數(shù)據(jù)鎖存并完成串并轉(zhuǎn)換，完成系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)和集成電路開發(fā)。測(cè)試結(jié)果表明，該信號(hào)采集系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集，輸出信號(hào)的信噪比較高，誤比特率較低，具有很好的抗干擾性能。

大數(shù)據(jù)；無(wú)線通信；信號(hào)采集；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集是實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信信通構(gòu)建和信號(hào)傳輸?shù)谝徊剑盘?hào)采集模塊建立在傳感器基陣和陣列模塊基礎(chǔ)上，通過(guò)傳感器陣列采集到無(wú)線通信系統(tǒng)的物理信號(hào)和原始數(shù)據(jù)。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下進(jìn)行信號(hào)處理和數(shù)據(jù)加工，并通過(guò)數(shù)據(jù)記錄分析儀實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，采用標(biāo)準(zhǔn)化的軟件和硬件接口輸入到無(wú)線通信系統(tǒng)終端中，完成無(wú)線通信系統(tǒng)的總線系統(tǒng)硬件集成[1]。研究大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)在優(yōu)化無(wú)線通信質(zhì)量，提高通信系統(tǒng)的保真性方面具有重要意義，相關(guān)的信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法受到人們的極大重視。

信號(hào)采集系統(tǒng)建立在陣列信號(hào)分析和數(shù)據(jù)總線調(diào)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)多傳感器陣列分布方式進(jìn)行總線數(shù)據(jù)調(diào)度，結(jié)合嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集的多通道觸發(fā)[2]。傳統(tǒng)方法中，對(duì)大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)的采集方法主要是通過(guò)高速DSP信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的局部總線記錄，結(jié)合信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)放大器完成無(wú)線通信信號(hào)的放大和濾波，并存儲(chǔ)在無(wú)線通信系統(tǒng)的終端寄存器中，文獻(xiàn)[3]中提出基于FPGA的雙CF卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)邏輯編程控制和嵌入式的DSP集成信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的物理信號(hào)（包括電信號(hào)、磁信號(hào)、機(jī)械信號(hào)）的實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行了通信信號(hào)的頻譜分析，提取信號(hào)的譜特征量，提高了無(wú)線通信信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性和集成性，但該系統(tǒng)在模塊式測(cè)試中容易出現(xiàn)自激振蕩，信號(hào)采集系統(tǒng)的抗干擾性不好；文獻(xiàn)[4]提出基于ARM和LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集的基本總線數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Gbyte/sec，提高了無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸速率，系統(tǒng)可靠性高，但該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中硬件電路的集成性不好，且通信信號(hào)輸出的誤碼較高。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種改進(jìn)的大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行了無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的AD模塊、模擬信號(hào)預(yù)處理模塊、收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊等功能模塊進(jìn)行模塊化電路設(shè)計(jì)，采用CPLD編程技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的總線開發(fā)，在VisualDSP開發(fā)平臺(tái)上完成系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，測(cè)試該系統(tǒng)在優(yōu)化通信信號(hào)的采集性能、提高通信質(zhì)量方面的優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架與功能結(jié)構(gòu)分析

1.1 信號(hào)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

為了實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集，首先分析系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，通信信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件電路設(shè)計(jì)和通信信號(hào)采集系統(tǒng)軟件編程設(shè)計(jì)，通信信號(hào)采集系統(tǒng)的中斷模塊和電流調(diào)節(jié)模塊由上、下機(jī)位兩部分組成，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的高頻高壓電流作為通信信號(hào)采集系統(tǒng)的控制脈沖，進(jìn)行多線程的無(wú)線通信信號(hào)采集和信息融合處理[5]。大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)采用高速A/D芯片AD9225進(jìn)行通信信號(hào)調(diào)制，其采樣頻率為12 MHz，系統(tǒng)的分辨率為12位，采用單12 V供電作為通信信號(hào)采集系統(tǒng)的電源輸入，無(wú)線通信系統(tǒng)通信信號(hào)采集系統(tǒng)采用PCI總線控制概念，基于DSP高速信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)通信信號(hào)的高速調(diào)制解調(diào)處理，在檢波器中實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的自適應(yīng)放大，采用FIR濾波器進(jìn)行干擾抑制，根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，得到無(wú)線通信系統(tǒng)的信號(hào)輸入輸出模型如圖1所示。

圖1 無(wú)線通信系統(tǒng)的信號(hào)輸入輸出模型

無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)通過(guò)AD采樣輸出通信信號(hào)的時(shí)域波形，通過(guò)電壓、電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)，結(jié)合上電檢查電路進(jìn)行總線控制，采用VIX總線技術(shù)進(jìn)行上、下機(jī)位兩部分的集成控制，輸出的采集信號(hào)主要有CW、LFM、HFM等信號(hào)模式。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理描述，構(gòu)建本文設(shè)計(jì)的大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)的總體構(gòu)架結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體構(gòu)架結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)功能模塊分析和開發(fā)平臺(tái)描述

在信號(hào)采集系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換器，選用高速A/D芯片AD9225進(jìn)行信號(hào)采集控制系統(tǒng)的基線漂移控制，無(wú)線通信信號(hào)采集系統(tǒng)采用的是模塊化設(shè)計(jì)方法和嵌入式集成設(shè)計(jì)體系構(gòu)架，采用32位VME總線擴(kuò)展技術(shù)構(gòu)建無(wú)線通信信號(hào)的采集系統(tǒng)的可編程專用集成總線，通過(guò)外部伽馬探頭作為信號(hào)傳感器，進(jìn)行通信信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，構(gòu)建并行外設(shè)接口（PPI），可實(shí)現(xiàn)16位無(wú)線通信總線數(shù)據(jù)的輸入輸出[6]。根據(jù)A/D的特點(diǎn)，采用ITU-656 PPI模式和通用PPI模式進(jìn)行通信信號(hào)的內(nèi)部觸發(fā)和無(wú)幀同步傳輸。在人機(jī)交互模塊中設(shè)置DMA參數(shù)，啟動(dòng)PPI，在沒有外部FIFO下設(shè)計(jì)中斷電路和復(fù)位電路，可以在多條線路或多幀傳輸條件下完成無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集[7]，由此構(gòu)建大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)圖3分析得知，系統(tǒng)采用4個(gè)換能器基陣進(jìn)行通信信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣，采集的無(wú)線通信信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)接收機(jī)進(jìn)行放大、濾波、包絡(luò)檢波和調(diào)制解調(diào)處理后，使用有源晶振輸出可識(shí)別的無(wú)線通信信號(hào)，通過(guò)DSP控制二極管檢波電路進(jìn)行無(wú)線通信控制器的AD采樣和信號(hào)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)基線漂移抑制模塊進(jìn)行高壓調(diào)節(jié)，進(jìn)行無(wú)線通信控制器的8通道模擬輸出調(diào)制。在硬件設(shè)計(jì)部分，采用低功耗的S3C2440作為邏輯控制處理器，通過(guò)DSP進(jìn)行通信信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)線智能通信信號(hào)采集和大數(shù)據(jù)分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)總體構(gòu)架與功能結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)，采用32位VME總線擴(kuò)展技術(shù)構(gòu)建無(wú)線通信信號(hào)的采集系統(tǒng)的可編程專用集成總線，通信信號(hào)的傳輸速率為40Mbyte/sec，以VME總線作為基礎(chǔ)架構(gòu)，通過(guò)計(jì)算機(jī)操縱VXI附加總線，在局部總線中使兩個(gè)或多個(gè)模塊通信觸發(fā)消息基器件，消息基VXI總線器件實(shí)驗(yàn)字符串協(xié)議（Word Serial Protocol）完成數(shù)據(jù)入（Data In）或數(shù)據(jù)出（Data Out）的信號(hào)讀寫功能[8-10]。選用MAX264芯片作為信號(hào)處理核心芯片，設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器完成無(wú)線終端智能通信信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，進(jìn)行AD模塊、模擬信號(hào)預(yù)處理模塊、收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊、功率放大器、邏輯與譯碼控制模塊的硬件設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述如下：

1）AD模塊。系統(tǒng)的AD模塊完成無(wú)線通信信號(hào)的初始采樣功能，采用AD7655作為AD電路的集成芯片，AD采樣電路的輸入電壓范圍為0～5 V，在78M05和79M05的兩端采用三端電壓轉(zhuǎn)換器78M05和79M05完成無(wú)線通信信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換，AD電路的輸入電壓為：

最高采樣率不小于100 kHz，滿足AD轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求。信號(hào)采集系統(tǒng)的AD電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 信號(hào)采集系統(tǒng)的AD電路設(shè)計(jì)

2）模擬信號(hào)預(yù)處理模塊。模擬信號(hào)預(yù)處理模塊完成通信信號(hào)的濾波、放大、倍頻、檢波功能，通過(guò)IO引腳來(lái)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，通過(guò)BUSY信號(hào)的狀態(tài)通知CPU讀走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)，當(dāng)A/B為高時(shí)，AD7655的BUSY信號(hào)高變低，定時(shí)器能準(zhǔn)確的控制AD輸入電壓，在模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)中進(jìn)行通信信號(hào)的包絡(luò)檢波，將SER/PAR引腳接地，外接2.5 V的參考電壓，進(jìn)行無(wú)線通信信號(hào)的同步采樣，采樣速率最高可達(dá)1MSPS，當(dāng)A0為低時(shí)，無(wú)線通信信號(hào)采集系統(tǒng)的AD7655外接2.5 V的參考電壓，在數(shù)據(jù)采集中，TMS320VC5509A的DMA引發(fā)DMA傳送中斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信信號(hào)的放大濾波，由此得到模擬信號(hào)預(yù)處理模塊的硬件電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 模擬信號(hào)預(yù)處理模塊電路設(shè)計(jì)

3）收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊。信號(hào)收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊選用MAX264芯片作為信號(hào)處理核心芯片，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，DA接口作為收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊的串行輸出接口。DA轉(zhuǎn)換后通過(guò)2片AD5545芯片來(lái)組成DA收發(fā)轉(zhuǎn)換電路，輸出的無(wú)線通信中斷電流信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器AD8674完成數(shù)字地和模擬地的接地功能，當(dāng)MSB=‘1’時(shí)，信號(hào)采集系統(tǒng)的AD5545采用單+5V供電，輸出的復(fù)位信號(hào)為串行輸入信號(hào)（SDI）和時(shí)鐘（CLK）信號(hào)，并設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器完成無(wú)線終端智能通信信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出的VAA為+5V電壓，AD5545的串行輸入數(shù)據(jù)通過(guò)CPLD編程完成AD通信信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換和無(wú)線收發(fā)，由此構(gòu)建收發(fā)轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6 信號(hào)收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

4）功率放大器。功率放大模塊是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)輸出信號(hào)的功率放大功能[14]。通過(guò)VHDL編程進(jìn)行信號(hào)采集的數(shù)據(jù)鎖存，結(jié)合CPLD編程技術(shù)將DSP發(fā)送的大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信并行數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化并行處理，在DA輸出端加濾波器，得到功率放大模塊的信號(hào)放大時(shí)序圖如圖7所示。

5）邏輯與譯碼控制模塊。邏輯與譯碼控制模塊采用CPLD編程進(jìn)行無(wú)線通信信號(hào)的邏輯與譯碼控制，譯碼控制的主頻可達(dá)160 M/MIPS，片內(nèi)尋址頻率為32 K（地址范圍 0080H～7FFFH），AD5545的串行輸出數(shù)據(jù)線為D0～D7，通過(guò)HP E1433A采集無(wú)線通信終端的各通道數(shù)據(jù)[15]，輸出數(shù)據(jù)為16位垂直精度，信號(hào)串并轉(zhuǎn)換的速率為1 200 Bit/s，在數(shù)字觸發(fā)調(diào)試中，邏輯與譯碼控制模通過(guò)信號(hào)源產(chǎn)生TTL電平的脈沖，使用HP E1433A改變外觸發(fā)脈沖的觸發(fā)總線，并將所有采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)文件里，實(shí)現(xiàn)信號(hào)回放。

圖7 功率放大模塊的信號(hào)放大時(shí)序圖

最后通過(guò)電路集成設(shè)計(jì)，得到本文設(shè)計(jì)的大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)集成電路[16]如圖8所示。

圖8 大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

為了測(cè)試文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集中的可行性，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)用戶界面，將采集的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)流盤實(shí)時(shí)記錄無(wú)線通信數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)中，人機(jī)交互界面的控件重要包括了采集日期和時(shí)間、信號(hào)的采集通道、數(shù)據(jù)采樣率等信息，設(shè)置數(shù)據(jù)文件名，在默認(rèn)情況下，信號(hào)源產(chǎn)生1 kHz的4種不同波形，將所有采無(wú)線通信信號(hào)存儲(chǔ)到一個(gè)文件里，并在4個(gè)通道的監(jiān)視窗口中查看信號(hào)采集結(jié)果，設(shè)計(jì)信號(hào)采樣率為50 kHz，ADC時(shí)鐘為5 000，觸發(fā)電平為3 V，信號(hào)采集的參數(shù)設(shè)置面板如圖9所示，信號(hào)采集輸出如圖10所示。

圖9 信號(hào)采集的參數(shù)設(shè)置界面

圖10 4通道監(jiān)視窗口輸出的信號(hào)采集結(jié)果

分析圖10得知，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行通信信號(hào)采集，能準(zhǔn)確輸出采集信號(hào)，信噪比較高，輸出的誤比特率為0.001 2，說(shuō)明信號(hào)輸出的抗干擾性能較強(qiáng)，具有較好的信號(hào)采集性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出一種改進(jìn)的大數(shù)據(jù)環(huán)境下無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)和集成電路設(shè)計(jì)[17]，主要對(duì)AD模塊、模擬信號(hào)預(yù)處理模塊、收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊、功率放大器、邏輯與譯碼控制模塊等電路模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)描述，選用MAX264芯片作為信號(hào)處理核心芯片，設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器完成無(wú)線終端智能通信信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，采用CPLD編程技術(shù)進(jìn)行信號(hào)采集的數(shù)據(jù)鎖存并完成串并轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件開發(fā)。研究結(jié)果表明，該信號(hào)采集系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的無(wú)線終端智能通信信號(hào)采集，輸出信號(hào)的信噪比較高，誤比特率較低，具有很好的抗干擾性能，能有效實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)采集和輸出。

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Design of intelligent communication signal acquisition system for wireless terminal in large data environment

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

In order to improve the stability of the acquisition performance of communication signals， alarge data environment of wireless terminal intelligent communication signal acquisition system design method， the system mainly includes AD module， analog signal pretreatment module， transceiver conversion module， power amplifier， system logic and decoding control module， using 32 bit VME bus extension construction the wireless communication technology of the signal acquisition system programmableappropriation integrated bus， using MAX264 chip as the core of signal processing chip，the design of operational amplifier to complete analog wireless terminal intelligent communication signal conversion， signal acquisition using CPLD programming technology and complete the data latch and string conversion， complete modular design of hardware system and integrated circuit developed. Test results show that the system can realize the wireless signal acquisition terminal intelligent communication signal acquisition under the big data environment， output The signal-to-noise ratio of the signal is high and the bit error rate is low， so it has good anti-interference performance.

big data； wireless communication； signal acquisition； system design

TN912

A

1674－6236（2017）16-0094-05

2017-01-23稿件編號(hào)：201701153

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，碩士研究生，講師。研究方向：通信與信息系統(tǒng)。