智能調(diào)制解調(diào)器可在ISM頻段上實現(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，射頻技術突飛猛進，產(chǎn)生了數(shù)量驚人的新無線應用。這些應用中的大多數(shù)（例如藍牙、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的共存問題，人們對 ISM（工業(yè)、科學、醫(yī)療）UHF 頻段的興趣日益濃厚——歐洲的較低頻率為 868 MHz 和 433 MHz，美國的較低頻率為 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準;這意味著制造商的系統(tǒng)必須適應每個地區(qū)的法規(guī)。然而，通過引入靈活的ISM頻段收發(fā)器，如ADF7020，這一負擔已大大減輕，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。正如預期的那樣，這些頻段中已經(jīng)有大量遺留系統(tǒng)在運行。在無線系統(tǒng)中，如果干擾源與所需信號發(fā)生碰撞，數(shù)據(jù)就會損壞，從而導致接收器的信噪比（SNR）不足。處理此問題的傳統(tǒng)方法是使用某種錯誤檢測技術，例如循環(huán)冗余檢查（CRC）。CRC可以在一定程度上檢測到這種損壞并觸發(fā)錯誤數(shù)據(jù)包的重新傳輸（這通常稱為自動重復請求，ARQ），但代價是實時應用中相當大的延遲和性能損失。

對于低吞吐量系統(tǒng)（例如，每隔幾分鐘從遠程傳感器發(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，對于無線音頻或視頻傳輸?shù)染哂休^高數(shù)據(jù)速率的應用來說，這確實是一個問題，因為ARQ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。這種較長的相關傳輸時間也會增加整體系統(tǒng)功耗。

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

當與ADF7020 ISM頻段收發(fā)器IC配合使用時，該方法的典型范圍為數(shù)百米（視距），為希望在不影響服務質(zhì)量的情況下替換當前有線解決方案的設計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撲的協(xié)議，包括點對點、多點和廣播，以及復雜的加密和源編碼和解碼算法，如運動JPEG（MJPEG）。

圖1是圍繞ADF7020 ISM頻段收發(fā)器及其配套控制器ADSP-BF531構建的無線數(shù)字調(diào)制解調(diào)器的詳細電路圖。兩個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。它能夠在433 MHz和868 MHz歐洲ISM頻段（ETSI EN300 220-1標準）中工作，而ADF902覆蓋的北美928至7025 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，也可以在美國頻段的單通道上運行。

高分辨率小數(shù)N分頻頻率合成器也是新型自動頻率控制（AFC）環(huán)路的一部分，該環(huán)路可補償輸入頻率誤差，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處理器進行前向糾錯

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合使用很常見，但乍一看似乎不適合實現(xiàn)低成本數(shù)字調(diào)制解調(diào)器的目標。然而，以每秒幾百千比特的速度實現(xiàn)FEC運算需要與Blackfin ADSP-BF531相當?shù)挠嬎忝芗?a target="_blank">數(shù)字信號處理能力。例如，雖然標準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方案所需的計算“馬力”。除了實現(xiàn)控制功能外，ADSP-BF531的計算能力和實時功能還使其能夠：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，同時處理數(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行前向糾錯（FEC）。這是通過添加接收器將用于檢測和糾正錯誤的冗余位來實現(xiàn)的。當然，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.信號處理功能。

在FEC的不同適用方法中，卷積編碼雖然實現(xiàn)起來非常簡單，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準。卷積編碼器是一種有限狀態(tài)機，包括一個L級移位寄存器、N個模2加器和一個多路復用器，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式代碼。使用兩個特別適用的指令，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行比較。漢明距離與接收序列最短的代碼序列是好的。對于約束長度為 K = L + 1 of 2 的 （7/371， 247， 1， 7） 等代碼，解碼器最多可以糾正六個連續(xù)的錯誤位。根據(jù)系統(tǒng)要求，在此類無線應用中，ADSP-BF5必須支持9至531的約束長度（K）。

但是，即使是約束長度為 9 的卷積代碼也不能防止可能長時間內(nèi)擊中傳輸數(shù)據(jù)包的突發(fā)噪聲。必須使用基于時間多樣性的補充保護技術。時間分集，即隨著時間的推移將位或符號分散開來，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。加擾和簡單的塊交錯函數(shù)無需使用更復雜的糾正代碼（如 Reed-Solomon）即可實現(xiàn)這一目標。同樣，ADSP-BF531提供了兩個特定的矢量指令：一個用于計算維特比格子蝴蝶，另一個用于重建路徑搜索（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，這在尋求滿足歐洲868 MHz頻段的相鄰信道要求時非常有用。

在接收器方面，ADF7020的內(nèi)部前導碼匹配電路有助于完成關鍵的數(shù)據(jù)包同步任務。該硬件功能允許識別或識別12位、16位、20位或24位長的可編程同步字或數(shù)據(jù)包前導碼，而無需ADSP-BF531內(nèi)核的干預。在有效的前導碼匹配時，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，并觸發(fā)Viterbi解碼器。這種獨特的電路具有一定的容錯能力——從某種意義上說，它甚至允許最多三個錯誤位的有效匹配。這減少了由于前導碼未命中而丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)，因為前導碼未編碼，因此不受保護。為了進一步減少前導碼未命中，接收器使用ADSP-BF531 32位定時器之一作為看門狗，如果INT/LOCK信號在幾個符號后未顯示，則在RFS0上生成預期脈沖。選擇這種使用硬件機制來檢索數(shù)據(jù)包同步標記是為了節(jié)省大量處理器 MIPS，與具有軟件分析和跟蹤的完整實現(xiàn)相比。

實際應用 — 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)器的應用。鑒于ISM無線信道帶寬的限制，需要相對較高的圖像/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誤率，通常為 10–6，因為源代碼編碼過程會刪除大部分冗余信息。對于一些高效的熵編碼器尤其如此，例如霍夫曼，其中單個錯誤位使原始數(shù)據(jù)無法解碼。低于10-6的誤碼率（BER）對無線電提出了非常嚴格的要求，但可以通過使用上述信道編碼方案來實現(xiàn)。

非常低的 BER 并不能確保所有數(shù)據(jù)包都能正確進行熵解碼。為了提高圖像質(zhì)量，有必要提供一些機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，每個數(shù)據(jù)包都分別進行分段和熵編碼。檢測到錯誤的段或塊后，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)估計相應圖像塊的離散余弦變換（DCT）的直流和前兩個交流系數(shù)。最終的低通2D 3× 3去阻塞濾波器級旨在消除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，無需外部存儲器。更大的幀可以以外部SDRAM為代價，SDRAM也可用于存儲壓縮視頻。這種低成本處理器可以通過其并行外設接口直接連接到CCIR-656兼容的低成本CMOS圖像傳感器或TFT顯示器（請參閱“Blackfin處理器的并行外設接口簡化了便攜式多媒體中的LCD連接”）。標準的低成本、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。或者，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 QCIF 2：2：20 彩色幀 （fps） 的速率實現(xiàn)“基線”MJPEG 傳輸，同時留下 4 kbps 用于語音。這對于簡單的低成本消費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。這種點對點視頻傳輸系統(tǒng)（嬰兒監(jiān)視器）的功能框圖如圖75所示。此應用程序的總物料清單 （BOM） 在 2 美元范圍內(nèi);而5.<>英寸LCD TFT顯示屏是最昂貴的部分。

圖4.視頻傳輸系統(tǒng)應用。

結論

ADF7020 ISM頻段收發(fā)器和ADSP-BF531 Blackfin處理器的獨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一步改進該通信模型。

審核編輯：郭婷