通過ISM頻段實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{制解調器

在過去幾年中，射頻技術實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，導致新的無線應用數(shù)量驚人。這些應用中的大多數(shù) - 例如藍牙?，WLAN 802.11b和無繩電話 - 都出現(xiàn)在2.4 GHz無牌照UHF頻段的微波爐旁邊。由于2.4 GHz頻段的流量很大及其相關的共存問題，ISM（工業(yè)，科學，醫(yī)療）UHF頻段的興趣在歐洲868 MHz和433 MHz的較低頻率可用，而在美國則為902 MHz至928 MHz。

與2.4 GHz不同，低UHF頻段沒有共同的全球標準;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（例如ADF7020）可以大大減輕這種負擔，該收發(fā)器允許從433 MHz到960 MHz的工作。

不幸的是，人們不能完全消除干擾問題通過簡單地切換到這些低UHF頻段來共存。正如所預料的那樣，已有許多傳統(tǒng)系統(tǒng)在這些頻段中運行。在無線系統(tǒng)中，如果干擾源與有用信號發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)將被破壞，從而導致接收器的信噪比（SNR）不足。處理該問題的傳統(tǒng)方法是使用某種錯誤檢測技術，例如循環(huán)冗余校驗（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)包的重傳（這通常稱為自動重復請求，ARQ），但代價是相當大的延遲和實時性能損失應用

這種重新傳輸損壞數(shù)據(jù)包的需求對于低吞吐量系統(tǒng)來說并不是特別繁重 - 例如，每隔幾分鐘就會從遠程傳感器發(fā)送一次數(shù)據(jù)突發(fā)。但它確實成為無線音頻或視頻傳輸?shù)葢玫膯栴}，因為它們具有更高的數(shù)據(jù)速率，因為ARQ引入的延遲可能是不可接受的。它還引入了工業(yè)過程控制和遙測系統(tǒng)中的問題，這些問題必須在嘈雜的環(huán)境中保持吞吐量而不需要許多重傳。這種較長的相關傳輸時間也會增加整個系統(tǒng)的功耗。

這種困境的有效解決方案在于使用前向糾錯（FEC）技術，能夠檢測到并在足夠大的位數(shù)上糾正錯誤，以補償部分數(shù)據(jù)包丟失并確保服務質量。低成本但功能強大的處理器（如Blackfin ? ADSP-BF531）可用于實施強制糾錯技術，每秒需要數(shù)百萬條指令（MIPS）例如，使用比特加擾和交織進行卷積編碼，以提供超過100 kbps的數(shù)據(jù)速率，傳輸錯誤率小于10 -6 。

使用時結合ADF7020 ISM頻段收發(fā)器IC，其典型范圍為幾百米（視距），這種方法為希望在不影響服務質量的情況下取代現(xiàn)有有線解決方案的設計人員提供了強大的解決方案。得益于其400 MIPS（百萬指令每秒）和800-MMACS（百萬次每秒累加）功能，ADSP-BF531還可以適用于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Motion 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)字調制解調器的詳細電路圖。兩個主芯片共享相同的電源電壓（2.3 V CC <3.6 V），它們直接連接用于控制操作，使用ADSP-BF531標志（數(shù)字I / O）和發(fā)送/接收操作，使用其中一個串行同步端口（SPORT0）。

數(shù)據(jù)將以異步方式從調制解調器傳輸?shù)秸{制解調器或從調制解調器接收UART或與剩余的SPORT同步。

多功能收發(fā)器

ADF7020是一款采用0.25μmCMOS技術構建的完整單片無線電收發(fā)器。它能夠在433 MHz和868 MHz歐洲ISM頻段（ETSI EN300 220-1標準）中運行，ADF7025涵蓋的北美902至928 MHz頻段具有更高的數(shù)據(jù)速率： 384 kbps。

與最新的ISM波段收發(fā)器一樣，ADF7020采用小數(shù)N分頻鎖相環(huán)（PLL）合成器，可選擇433 MHz的信道，以及868 MHz和928 MHz之間的任何信道，分辨率優(yōu)于1 kHz。這種頻率捷變使ADF7020可用于跳頻系統(tǒng) - 如美國FCC第15部分規(guī)定 - 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工作。

高分辨率小數(shù)N分頻合成器也是新型自動頻率控制（AFC）環(huán)路的一部分，它可以補償輸入的頻率誤差并允許更低的容差，更少 - 使用昂貴的水晶。 ADF7020的框圖如圖2所示.PLL環(huán)路濾波器組件可以借助ADIsimPLL仿真軟件確定，該仿真軟件可在ADI網站上找到。

前向誤差 - 使用Blackfin處理器進行校正

雖然在數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中使用真正的高性能處理器與無線電相結合，但乍一看似乎不適合實現(xiàn)低成本的目標數(shù)字modem。然而，以每秒幾百千比特的速度實現(xiàn)FEC操作需要與Blackfin ADSP-BF531相當?shù)挠嬎忝芗?a target="_blank">數(shù)字信號處理能力。例如，雖然標準的8051或基于ARM的微控制器可以充分地處理用戶接口，協(xié)議棧，RF收發(fā)器監(jiān)控和電源排序，但它不具有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可以：提高有效信道數(shù)據(jù)速率，減少通信延遲，補償信道傳播變化以保持鏈路質量，并確保通信安全

圖3說明了要在傳輸通道上執(zhí)行的各種功能，包括為傳輸（Tx）和接收（Rx）操作處理的處理功能。 Blackfin處理器在坐在發(fā)送器側時處理數(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。在數(shù)據(jù)分組調制載波頻率之前，處理數(shù)據(jù)分組以進行前向糾錯（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，添加到輸入數(shù)據(jù)包的位將增加給定信息比特率所需的帶寬。

在FEC的不同適用方法中，卷積編碼雖然實施起來非常簡單，但可以很好地防止信道高斯噪聲干擾，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L級移位寄存器，N模2加法器和多路復用器，用于將輸出轉換為串行比特流。移位器輸出和加法器輸入之間的連接確定多項式代碼。使用兩個特別適用的指令，Blackfin內核可以非常有效地執(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)了維特比算法（硬輸入/硬輸出）。對于最大似然解碼，維特比解碼器將所有可能的碼序列與接收的碼矢量進行比較。與接收序列的漢明距離最短的代碼序列是好的。對于具有約束長度（K = L + 1）的代碼（1/2,7,371,247），解碼器可以校正多達六個連續(xù)的錯誤位。根據(jù)系統(tǒng)要求，ADSP-BF531必須在此類無線應用中支持從5到9的約束長度（K）。

然而，即使約束長度為9的卷積碼也不能防止在較長時間內可能擊中傳輸數(shù)據(jù)包的突發(fā)噪聲。必須使用基于時間分集的補充保護技術。 時間分集，即隨時間推移比特或符號的擴展，在存在多個路徑，衰落和突發(fā)噪聲的情況下改善了編碼通信系統(tǒng)的性能。因此，它降低了連續(xù)數(shù)量的比特被破壞的可能性。加擾和簡單的塊交織功能實現(xiàn)了這個目標，而不采用更復雜的糾正碼（如Reed-Solomon）。同樣，ADSP-BF531有助于使用兩個特定的向量指令 - 一個用于計算維特比網格蝴蝶，另一個用于重建路徑搜索（回溯）操作的數(shù)據(jù)。

此編碼數(shù)據(jù)為然后傳遞給ADF7020發(fā)射器部分，它進行一些額外的濾波和高斯頻移鍵控（GFSK）調制。 GFSK調制具有降低占用頻譜帶寬的優(yōu)勢 - 在尋求滿足歐洲868 MHz頻段的相鄰信道要求時是一項有用的操作。

在接收機端，ADF7020的內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12,16,20或24位長的可編程同步字或分組前同步碼，而無需ADSP-BF531內核的干預。在有效的前同步碼匹配后，電路將ADF7020 INT / LOCK引腳置為有效，該引腳向串行端口（RFS0）發(fā)送新數(shù)據(jù)包的信號，并觸發(fā)Viterbi解碼器。這種獨特的電路有點容錯 - 從某種意義上說，它甚至允許有效匹配多達三個不正確的位。這減少了由于前導碼未命中而丟失的分組數(shù)量，因為前導碼未被編碼并因此不受保護。為了進一步減少前導碼未命中，接收器使用一個ADSP-BF531 32位定時器作為看門狗，如果INT / LOCK信號在幾個符號后沒有出現(xiàn)，則會在RFS0上產生預期的脈沖。選擇使用硬件機制來檢索數(shù)據(jù)包同步標記，以便與使用軟件分析和跟蹤的完整實現(xiàn)相比，節(jié)省大量處理器MIPS。

真實應用 - 基于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穩(wěn)健性。視頻編解碼器是具有智能，可靠的基于Blackfin處理器的無線調制解調器的應用的理想選擇?？紤]到ISM無線信道帶寬的限制，需要相對高的圖像/視頻壓縮比，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量。遺憾的是，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 ，因為源編碼過程會刪除大部分冗余信息。對于諸如霍夫曼（Huffman）之類的一些有效熵編碼器尤其如此，其中單個錯誤位使得原始數(shù)據(jù)不可能被解碼。所需的誤碼率（BER）小于10-6對無線電提出了非常嚴格的要求，但可以通過使用如上所述的信道編碼方案來實現(xiàn)。

極低的BER不能確保所有數(shù)據(jù)包都能被正確地進行熵解碼。為了提高圖像質量，如果分組中的太多重要位被破壞，則必須提供一些隱藏圖像部分的機制。為此，每個數(shù)據(jù)包都是分開的，并分別進行熵編碼。在檢測到錯誤的段或塊之后，丟棄其內容。根據(jù)丟失的信息，從相鄰塊的系數(shù)估計相應圖像塊的離散余弦變換（DCT）的dc和前兩個ac系數(shù)。最終的低通2D 3×3去塊濾波器級，旨在消除DCT阻塞偽像，有助于平滑產生的失真。

ADSP-BF531具有足夠的功率來處理MJPEG編碼或解碼和頻道FEC處理。幀大小不超過QCIF（176像素×144像素）且視頻格式為4：2：2時無需外部存儲器。較大的幀可能以外部SDRAM為代價，外部SDRAM也可用于存儲壓縮視頻。這款成本極低的處理器可以通過其并行外設接口直接與CCIR-656兼容的低成本CMOS圖像傳感器或TFT顯示器連接（參見“Blackfin處理器的并行外設接口簡化便攜式多媒體中的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?；蛘撸幚砥骺梢酝ㄟ^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。

原始數(shù)據(jù)速率為200 kbps時，可以通過ISM以大約4 QCIF 4：2：2彩色幀/秒（fps）的速率實現(xiàn)“基線”MJPEG傳輸，同時為語音留下20 kbps 。這對于簡單的低成本消費類設備是可接受的，例如視頻嬰兒監(jiān)視器，可視門鈴或無線家庭安全攝像機。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4所示。該應用的總物料清單（BOM）價格在75美元左右。 2.5英寸LCD TFT顯示屏是最昂貴的部分。

圖4所示系統(tǒng)框圖對應的應用程序代碼可從ArbosIngénierie獲?。╳ww.arbos-dsp.com ），ADI公司的法國DSP第三方合作伙伴。

結論

ADF7020 ISM頻段收發(fā)器和ADSP-BF531 Blackfin處理器的獨特組合展現(xiàn)了出色的無線電鏈路性能極具吸引力，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)器系列的未來成員和新的TCP / IP友好Blackfin DSP處理器以及其他通道和源編碼軟件模塊可以預期對此通信模型的進一步改進。