智能調(diào)制解調(diào)器在ISM頻段上實(shí)現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸

作者：Patrick Butler and Austin Harney

在過去的幾年里，射頻技術(shù)突飛猛進(jìn)，產(chǎn)生了數(shù)量驚人的新無線應(yīng)用。這些應(yīng)用中的大多數(shù)（例如藍(lán)牙、WLAN 802.11b 和無繩電話）都與微波爐一起出現(xiàn)在 2.4 GHz 的免許可 UHF 頻段中。由于 2.4 GHz 頻段的大量流量及其相關(guān)的共存問題，人們對(duì) ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療）UHF 頻段的興趣日益濃厚——?dú)W洲的較低頻率為 868 MHz 和 433 MHz，美國(guó)的較低頻率為 902 MHz 至 928 MHz。?

然而，與 2.4 GHz 不同，低 UHF 頻段沒有通用的全球標(biāo)準(zhǔn);這意味著制造商的系統(tǒng)必須適應(yīng)每個(gè)地區(qū)的法規(guī)。然而，通過引入靈活的ISM頻段收發(fā)器，如ADF7020，這一負(fù)擔(dān)已大大減輕，該收發(fā)器的工作頻率范圍為433 MHz至960 MHz。

不幸的是，不能通過簡(jiǎn)單地切換到這些較低的UHF頻段來完全消除干擾和共存的問題。正如預(yù)期的那樣，這些頻段中已經(jīng)有大量遺留系統(tǒng)在運(yùn)行。在無線系統(tǒng)中，如果干擾源與所需信號(hào)發(fā)生碰撞，數(shù)據(jù)就會(huì)損壞，從而導(dǎo)致接收器的信噪比（SNR）不足。處理此問題的傳統(tǒng)方法是使用某種錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)，例如循環(huán)冗余檢查（CRC）。CRC可以在一定程度上檢測(cè)到這種損壞并觸發(fā)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包的重新傳輸（這通常稱為自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求，ARQ），但代價(jià)是實(shí)時(shí)應(yīng)用中相當(dāng)大的延遲和性能損失。

對(duì)于低吞吐量系統(tǒng)（例如，每隔幾分鐘從遠(yuǎn)程傳感器發(fā)送一次突發(fā)數(shù)據(jù)）來說，重新傳輸損壞的數(shù)據(jù)包的需求并不是特別繁重。但是，對(duì)于無線音頻或視頻傳輸?shù)染哂休^高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用來說，這確實(shí)是一個(gè)問題，因?yàn)锳RQ引入的延遲可能是不可接受的。它還在工業(yè)過程控制和遙測(cè)系統(tǒng)中引入了問題，這些系統(tǒng)必須在嘈雜的環(huán)境中保持吞吐量，而無需多次重傳。這種較長(zhǎng)的相關(guān)傳輸時(shí)間也會(huì)增加整體系統(tǒng)功耗。

解決這一困境的有力解決方案在于使用前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)，能夠檢測(cè)和糾正足夠多的比特的錯(cuò)誤，以補(bǔ)償部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失并確保服務(wù)質(zhì)量。Blackfin ADSP-BF531等低成本但功能強(qiáng)大的處理器可用于實(shí)現(xiàn)需要每秒數(shù)百萬條指令（MIPS）的密集糾錯(cuò)技術(shù)（例如具有位加擾和交錯(cuò)的卷積編碼），以提供超過100 kbps的數(shù)據(jù)速率，傳輸錯(cuò)誤率小于10?–6.

當(dāng)與ADF7020 ISM頻段收發(fā)器IC配合使用時(shí)，該方法的典型范圍為數(shù)百米（視距），為希望在不影響服務(wù)質(zhì)量的情況下替換當(dāng)前有線解決方案的設(shè)計(jì)人員提供了可靠的解決方案。得益于其400 MIPS（每秒百萬條指令）和800 MMACS（每秒百萬次乘法累加）功能，ADSP-BF531還可以支持各種無線配置和拓?fù)涞膮f(xié)議，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多點(diǎn)和廣播，以及復(fù)雜的加密和源編碼和解碼算法，如運(yùn)動(dòng)JPEG（MJPEG）。

圖1是圍繞ADF7020 ISM頻段收發(fā)器及其配套控制器ADSP-BF531構(gòu)建的無線數(shù)字調(diào)制解調(diào)器的詳細(xì)電路圖。兩個(gè)主芯片共享相同的電源電壓（2.3 V發(fā)送/接收操作。

圖1.調(diào)制解調(diào)器的電路圖。

數(shù)據(jù)將通過UART異步傳輸或與其余SPORT同步傳輸?shù)秸{(diào)制解調(diào)器或從調(diào)制解調(diào)器接收。

多功能收發(fā)器

ADF7020是一款完整的單芯片無線電收發(fā)器，采用0.25μm CMOS技術(shù)。它能夠在433 MHz和868 MHz歐洲ISM頻段（ETSI EN300 220-1標(biāo)準(zhǔn)）中工作，而ADF7025覆蓋的北美902至928 MHz頻段具有更高的數(shù)據(jù)速率：384 kbps。

與最新的ISM頻段收發(fā)器一樣，ADF7020采用小數(shù)N分頻鎖相環(huán)（PLL）頻率合成器，可以選擇433 MHz的通道以及868 MHz至928 MHz之間的任何通道，分辨率優(yōu)于1 kHz。這種頻率捷變性使ADF7020可用于美國(guó)FCC Part 15法規(guī)規(guī)定的跳頻系統(tǒng)，但如果輸出功率低于–1.5 dBm，也可以在美國(guó)頻段的單通道上運(yùn)行。

高分辨率小數(shù)N分頻頻率合成器也是新型自動(dòng)頻率控制（AFC）環(huán)路的一部分，該環(huán)路可補(bǔ)償輸入頻率誤差，并允許使用容差較低、成本較低的晶體。ADF7020的框圖如圖2所示。PLL環(huán)路濾波器元件可以在ADI公司網(wǎng)站上提供的ADIsimPLL仿真軟件的幫助下確定。

圖2.ADF7020的功能框圖。

使用Blackfin處理器進(jìn)行前向糾錯(cuò)

雖然在數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中將真正高性能的處理器與無線電結(jié)合使用很常見，但乍一看似乎不適合實(shí)現(xiàn)低成本數(shù)字調(diào)制解調(diào)器的目標(biāo)。然而，以每秒幾百千比特的速度實(shí)現(xiàn)FEC運(yùn)算需要與Blackfin ADSP-BF531相當(dāng)?shù)挠?jì)算密集型數(shù)字信號(hào)處理能力。例如，雖然標(biāo)準(zhǔn)8051或基于ARM的微控制器可以充分處理用戶界面、協(xié)議棧、RF收發(fā)器監(jiān)控和電源排序，但它不具備FEC方案所需的計(jì)算“馬力”。除了實(shí)現(xiàn)控制功能外，ADSP-BF531的計(jì)算能力和實(shí)時(shí)功能還使其能夠：提高有效通道數(shù)據(jù)速率，減少通信延遲，補(bǔ)償通道傳播變化以保持鏈路質(zhì)量，并確保通信安全。

圖3顯示了要跨傳輸通道執(zhí)行的各種功能，包括為發(fā)送（Tx）和接收（Rx）操作處理的處理功能。Blackfin處理器位于發(fā)射器側(cè)時(shí)，同時(shí)處理數(shù)據(jù)速率控制和數(shù)據(jù)分區(qū)，因此數(shù)據(jù)以準(zhǔn)恒定速率在數(shù)據(jù)包中傳輸。數(shù)據(jù)包在調(diào)制載波頻率之前被處理以進(jìn)行前向糾錯(cuò)（FEC）。這是通過添加接收器將用于檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤的冗余位來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然，添加到傳入數(shù)據(jù)包的位將增加給定信息比特率所需的帶寬。

圖3.信號(hào)處理功能。

在FEC的不同適用方法中，卷積編碼雖然實(shí)現(xiàn)起來非常簡(jiǎn)單，但可以很好地防止通道高斯噪聲干擾，并有助于滿足最小漢明距離標(biāo)準(zhǔn)。卷積編碼器是一種有限狀態(tài)機(jī)，包括一個(gè)L級(jí)移位寄存器、N個(gè)模2加器和一個(gè)多路復(fù)用器，用于將輸出轉(zhuǎn)換為串行比特流。移位器輸出和加法器輸入之間的連接決定了多項(xiàng)式代碼。使用兩個(gè)特別適用的指令，Blackfin內(nèi)核非常有效地執(zhí)行所有這些操作。

在傳輸通道的另一端，解碼器部分實(shí)現(xiàn)維特比算法（硬輸入/硬輸出）。為了獲得最大似然解碼，Viterbi 解碼器將所有可能的代碼序列與接收到的代碼向量進(jìn)行比較。漢明距離與接收序列最短的代碼序列是好的。對(duì)于約束長(zhǎng)度為 K = L + 1 of 7 的 （1/2， 7， 371， 247） 等代碼，解碼器最多可以糾正六個(gè)連續(xù)的錯(cuò)誤位。根據(jù)系統(tǒng)要求，在此類無線應(yīng)用中，ADSP-BF531必須支持5至9的約束長(zhǎng)度（K）。

但是，即使是約束長(zhǎng)度為 9 的卷積代碼也不能防止可能長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)擊中傳輸數(shù)據(jù)包的突發(fā)噪聲。必須使用基于時(shí)間多樣性的補(bǔ)充保護(hù)技術(shù)。時(shí)間分集，即隨著時(shí)間的推移將位或符號(hào)分散開來，提高了編碼通信系統(tǒng)在存在多路徑、衰落和突發(fā)噪聲時(shí)的性能。因此，它降低了連續(xù)數(shù)量的位被破壞的可能性。加擾和簡(jiǎn)單的塊交錯(cuò)函數(shù)無需使用更復(fù)雜的糾正代碼（如 Reed-Solomon）即可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。同樣，ADSP-BF531提供了兩個(gè)特定的矢量指令：一個(gè)用于計(jì)算維特比格子蝴蝶，另一個(gè)用于重建路徑搜索（回溯）操作的數(shù)據(jù)。

然后將編碼數(shù)據(jù)傳遞到ADF7020發(fā)送器部分，該部分執(zhí)行一些額外的濾波和高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制。GFSK調(diào)制具有減少占用頻譜帶寬的優(yōu)點(diǎn)，這在尋求滿足歐洲868 MHz頻段的相鄰信道要求時(shí)非常有用。

在接收器方面，ADF7020的內(nèi)部前導(dǎo)碼匹配電路有助于完成關(guān)鍵的數(shù)據(jù)包同步任務(wù)。該硬件功能允許識(shí)別或識(shí)別12位、16位、20位或24位長(zhǎng)的可編程同步字或數(shù)據(jù)包前導(dǎo)碼，而無需ADSP-BF531內(nèi)核的干預(yù)。在有效的前導(dǎo)碼匹配時(shí)，電路置位ADF7020 INT/LOCK引腳，該引腳向串行端口（RFS0）發(fā)出新數(shù)據(jù)包的開始信號(hào)，并觸發(fā)Viterbi解碼器。這種獨(dú)特的電路具有一定的容錯(cuò)能力——從某種意義上說，它甚至允許最多三個(gè)錯(cuò)誤位的有效匹配。這減少了由于前導(dǎo)碼未命中而丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)，因?yàn)榍皩?dǎo)碼未編碼，因此不受保護(hù)。為了進(jìn)一步減少前導(dǎo)碼未命中，接收器使用ADSP-BF531 32位定時(shí)器之一作為看門狗，如果INT/LOCK信號(hào)在幾個(gè)符號(hào)后未顯示，則在RFS0上生成預(yù)期脈沖。選擇這種使用硬件機(jī)制來檢索數(shù)據(jù)包同步標(biāo)記是為了節(jié)省大量處理器 MIPS，與具有軟件分析和跟蹤的完整實(shí)現(xiàn)相比。

實(shí)際應(yīng)用 — 通過 ISM 的無線視頻

如前所述，高效的無線數(shù)字視頻傳輸需要針對(duì)信道故障的魯棒性。視頻編解碼器非常適合采用智能、可靠的基于Blackfin處理器的無線調(diào)制解調(diào)器的應(yīng)用。鑒于ISM無線信道帶寬的限制，需要相對(duì)較高的圖像/視頻壓縮率，以便在沒有太多延遲的情況下為給定圖像大小提供預(yù)期的幀速率和質(zhì)量。不幸的是，Motion JPEG 和其他視頻編解碼器需要非常低的傳輸錯(cuò)誤率，通常為 10–6，因?yàn)樵创a編碼過程會(huì)刪除大部分冗余信息。對(duì)于一些高效的熵編碼器尤其如此，例如霍夫曼，其中單個(gè)錯(cuò)誤位使原始數(shù)據(jù)無法解碼。低于10-6的誤碼率（BER）對(duì)無線電提出了非常嚴(yán)格的要求，但可以通過使用上述信道編碼方案來實(shí)現(xiàn)。

非常低的 BER 并不能確保所有數(shù)據(jù)包都能正確進(jìn)行熵解碼。為了提高圖像質(zhì)量，有必要提供一些機(jī)制來隱藏圖像的一部分，如果數(shù)據(jù)包中的重要位太多損壞。為此，每個(gè)數(shù)據(jù)包都分別進(jìn)行分段和熵編碼。檢測(cè)到錯(cuò)誤的段或塊后，其內(nèi)容將被丟棄。根據(jù)丟失的信息，根據(jù)相鄰模塊的系數(shù)估計(jì)相應(yīng)圖像塊的離散余弦變換（DCT）的直流和前兩個(gè)交流系數(shù)。最終的低通2D 3× 3去阻塞濾波器級(jí)旨在消除DCT阻塞偽影，有助于平滑產(chǎn)生的失真。

ADSP-BF531的功耗足以處理MJPEG編碼或解碼以及通道FEC處理。對(duì)于最大 QCIF（176 像素 x 144 像素）和 4：2：2 視頻格式的幀大小，無需外部存儲(chǔ)器。更大的幀可以以外部SDRAM為代價(jià)，SDRAM也可用于存儲(chǔ)壓縮視頻。這種低成本處理器可以通過其并行外設(shè)接口直接連接到CCIR-656兼容的低成本CMOS圖像傳感器或TFT顯示器（請(qǐng)參閱“Blackfin處理器的并行外設(shè)接口簡(jiǎn)化了便攜式多媒體中的LCD連接”）。標(biāo)準(zhǔn)的低成本、低功耗 PCM 音頻編解碼器可以連接到可用的串行端口 SPORT1，以支持語音或音頻的數(shù)字傳輸?；蛘?，處理器可以通過執(zhí)行類似于FR-GSM（13 kbps）的軟件編解碼器，以適度的延遲提供語音編碼和解碼。

在 200 kbps 的原始數(shù)據(jù)速率下，可以通過 ISM 以大約每秒 4 個(gè) QCIF 4：2：2 彩色幀 （fps） 的速率實(shí)現(xiàn)“基線”MJPEG 傳輸，同時(shí)留下 20 kbps 用于語音。這對(duì)于簡(jiǎn)單的低成本消費(fèi)電器來說是可以接受的，例如視頻嬰兒監(jiān)視器、可視門電話或無線家庭安全攝像頭。這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視頻傳輸系統(tǒng)（嬰兒監(jiān)視器）的功能框圖如圖4所示。此應(yīng)用程序的總物料清單 （BOM） 在 75 美元范圍內(nèi);而2.5英寸LCD TFT顯示屏是最昂貴的部分。

圖4.視頻傳輸系統(tǒng)應(yīng)用。

結(jié)論

ADF7020 ISM頻段收發(fā)器和ADSP-BF531 Blackfin處理器的獨(dú)特組合以極具吸引力的成本表現(xiàn)出出色的無線電鏈路性能，在各種ISM數(shù)字無線傳輸系統(tǒng)中具有明顯的多功能性。ADF702x RF收發(fā)器系列的未來成員、新的TCP/IP友好型Blackfin DSP處理器以及其他通道和源碼編碼軟件模塊有望進(jìn)一步改進(jìn)該通信模型。

審核編輯：郭婷