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

在過去幾年中，射頻技術(shù)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，導(dǎo)致新的無線應(yīng)用數(shù)量驚人。這些應(yīng)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(guān)的共存問題，ISM（工業(yè)，科學(xué)，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(yīng)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(yù)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(dǎo)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(shù)，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(fù)請求，ARQ），但代價是相當大的延遲和實時性能損失應(yīng)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?yīng)用的問題，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(guān)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(shù)，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(wù)質(zhì)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(shù)，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(jié)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(wù)質(zhì)量的情況下取代現(xiàn)有有線解決方案的設(shè)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(fù)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(gòu)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 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(diào)制解調(diào)器傳輸?shù)秸{(diào)制解調(diào)器或從調(diào)制解調(diào)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(shù)構(gòu)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(wǎng)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(jié)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(zhì)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(cè)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(diào)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(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確定多項式代碼。使用兩個特別適用的指令，Blackfin內(nèi)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(yīng)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(nèi)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(shù)。 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(fù)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(wǎng)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(diào)制。 GFSK調(diào)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(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(nèi)核的干預(yù)。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(dǎo)碼未命中而丟失的分組數(shù)量，因為前導(dǎo)碼未被編碼并因此不受保護。為了進一步減少前導(dǎo)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(chǎn)生預(yù)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(yīng)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(diào)制解調(diào)器的應(yīng)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(yù)期的幀速率和質(zhì)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(zhì)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(nèi)容。根據(jù)丟失的信息，從相鄰塊的系數(shù)估計相應(yīng)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(chǎn)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(shè)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(shè)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?，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。

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(shè)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(yīng)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(yīng)的應(yīng)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(jié)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(yù)期對此通信模型的進一步改進。