基于DSP的移動基站信號監測設備設計

溫 武1，賀德華

(1.廣州大學 計算機科學與教育軟件學院，廣州 510006；2.華中科技大學 電子與信息工程系，武漢 430074)

1 引 言

隨著移動通信網絡的快速發展，通信覆蓋面的日益擴大，以及廣大客戶不斷提升的服務要求，促使運營維護部門對通信設備的維護管理提出了更高的要求，尤其是在重大節日或活動期間的應急通信保障和集中調度。移動通信基站是發送和接收信號的基本設施，傳遞的一般是電信號，傳統的示波器等儀器只能測量模擬信號，了解信號的時域特性，在對移動基站信號進行監測時又往往需要從頻域的角度對信號進行分析；同時，基于DSP的監測設備與目前還在廣泛使用的基于普通8位或者16位單片機的監測設備相比，具有處理速度快、可擴展性和適應性強、性能和精度高等優勢，在這種情況下設計和實現可以通過USB鏈路按照既定通信協議進行通信的單機工作DSP最小系統，就能有效地完成信號的采集、A/D轉換、頻譜分析和將數據傳到上位機加以分析和存儲等功能，進而可以了解通信網絡的運行質量情況，便于運營維護人員及時發現通信網絡隱性故障等問題，并適時采取應急措施，從而保障通信網絡安全、穩定運行。

2 系統硬件設計

2.1 系統總體結構

數字信號處理技術的出現、FFT算法的提出和USB接口的廣泛應用，給數字信號處理領域帶來了革命性的進步，極大地提高了信號檢測的測量精度和速度，也促使測控系統設計向微型化和輕型化發展[1]。如圖1所示，便攜式的移動基站信號監測設備將現場采集的通信信號經過信號調理和濾波后進行A/D采樣，并轉換為數字信號，然后對采樣信號進行時域和頻域的分析，最后將數據通過RS-232接口轉USB接口電路，由USB線纜上傳到上位機，上位機軟件完成對數據作進一步分析處理并存儲。

圖1 移動基站信號監測設備硬件結構圖Fig.1 Hardware structure of signal monitoring equipment for mobile base station

2.2 DSP最小系統設計

利用DSP芯片組成可行的最小系統是整個移動基站信號監測設備的核心，由DSP芯片和人機交互模塊、電源管理模塊和通信接口模塊等一些輔助電路構成，如圖2所示，完成信號的通信與監測功能。美國TI公司的定點DSP芯片TMS320F28234是一款較為完整的高性能高速數據采集與控制單片系統，該器件具有處理速度快、精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、數據以及程序存儲量大、內置信號采樣模塊(ADC)、A/D轉換更精確快速等特點，不僅適用于數字信號處理,而且在圖像處理、語音處理、通信等領域得到了廣泛應用，已成為通信、計算機、消費類電子產品以及控制等領域的基礎器件，更是那些需要進行定點運算的便攜式產品的理想選擇[2]。系統首先由芯片內置的12位ADC直接把模擬信號連接到處理芯片上，然后在DSP內，運用數字信號處理算法進行濾波和快速傅里葉運算(FFT)，然后基于PWM的虛擬DAC輸出，并通過鍵盤和LED顯示進行人機交互，同時通過一個RS-232接口轉USB接口的電路，使用USB接口與上位機連接，將采集的原始信號和處理過的信號傳送給上位機，由計算機端軟件進行分析和顯示，以及數據存儲。

圖2 系統結構框圖Fig.2 Block diagram of system structure

2.3 通信接口設計

目前RS-232接口是最為常用的串行接口標準，大量的集成設備、工業產品都提供了RS-232接口，因此監測系統通常情況下將采用RS-232接口與計算機進行通信，但隨著時間的推移和計算機技術的發展，RS-232接口及打印機并行接口已經逐步被淘汰，在一些筆記本電腦及品牌計算機上已經越來越少配備或不配備這兩種接口，取而代之的是支持熱插拔的USB標準接口和IEEE 1394接口，USB接口與RS-232接口相比具有數據傳輸速率高、易于使用、適用于多種設備并且不需要占用系統外設地址、節約系統資源等優點[3，4]。由于RS-232接口和USB接口的數據格式、通信協議、信號電平以及機械連接方式不相同，因此需要將監測系統的RS-232接口轉換成USB接口，這樣才可以與計算機進行連接，但是從硬件底層固件開發基于USB接口的設備遠比RS-232接口復雜，特別是在下位機硬件驅動和上位機驅動程序的編寫方面，而且開發成本高；另外，USB標準也不允許遠距離的數據傳輸。綜合考慮兩者的特點，系統通信接口設計在硬件方面應用橋接器件CP2102做一個RS-232接口轉USB的電路，使用USB接口與上位機連接，上位機開發虛擬驅動程序將端口重定位到RS-232接口，上位機主程序便可方便地用讀取串口的方式讀取DSP系統上傳的數據。轉換原理示意圖如圖3所示。

圖3 RS-232/USB轉換示意圖Fig.3 RS-232/USB converting diagram

RS-232/USB轉換模塊由USB接口電路模塊、UART接口電路模塊、數據緩沖器和協議控制單元等組成，USB接口電路模塊主要提供與上位機的數據傳輸和完成USB數據與UART數據之間的轉換。UART接口需要實現標準RS-232接口的連接。協議控制單元通過接收USB接口的命令，對UART接口進行配置，包括波特率、數據位、校驗位、停止位參數的配置。當RS-232/USB接口連接到計算機后，計算機檢測到設備后進行設備初始化配置并啟動相關驅動程序。上位機應用軟件通過驅動程序可以把USB接口承載的數據按照常規的串口進行讀寫操作編程，完成和下位機的通信[5]。

3 系統軟件設計

一方面我們已經通過運用TMS320F28234芯片結合適當的外圍接口電路為整個便攜式移動基站信號監測設備搭建了一個高效的硬件平臺，另一方面需要應用FFT算法來提高運算速度，因此在軟件設計時采用模塊化設計，主要分為初始化模塊和運行模塊，其中包括DSP軟件主程序、數據處理程序、串口通信程序等關鍵程序。

3.1 DSP軟件主程序設計

DSP軟件主程序主要對系統控制(包括PLL、看門狗、使能外設時鐘)、相應的GPIO、SCI的端口、PIE控制寄存器、中斷向量表、內置ADC、CPU計時器、HRPWM、FIR濾波器等進行初始化；同時實現對一路信號進行1 024點采集，并根據聯機狀態和單機狀態來執行相應的操作，分別執行發送原始數據、發送濾波器濾波之后的數據和執行采集原始數據、FFT計算等過程。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of main program

3.2 實數FFT算法構成

FFT算法的實質是將長序列的DFT運算逐級分解為較短序列的DFT運算，使DFT的計算量減少了兩個數量級，可以很大程度上減少系統的運算時間，從而成為數字信號處理強有力的工具。當輸入是完全的實數時，復數DFT算法仍然可以使用，一個簡單的方法是將虛部填零，實部是采樣點，復數FFT可以直接被使用。然而，這種方法效率不高，因為它要消耗2N個存儲單元；然而如果利用輸入序列的對稱性進行DFT計算非常高效，原始的N點序列按照N/2個復數點打包，然后進行N/2點復數FFT運算，最后將N/2點結果通過一些變換，成為原始實數點的FFT。這樣使得FFT的運算量減少了近一半，效率比一般的FFT提高近一倍，通過這種變換處理，滿足了信號處理系統對實時處理和運算精度的要求[6]。

假設g(n)為N點實數序列，則令

xe(n)=g(2n)，n=0:N/2-1

(1)

xo(n)=g(2n+1)，n=0:N/2-1

(2)

定義x(n)=xe(n)+jxo(n)，n=0:N/2-1。則對x(n)進行FFT計算，如下式所示：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

并且g(n)的DFT為G(k)=GR(k)+jGI(k)，經推導有以下結論:

(9)

(10)

(11)

(12)

并且有GR(0)=GI(0)=GR(N/2)=GI(N/2)=0；GR(N/4)=RP(N/4)/2；GI(N/4)=-IP(N/4)/2。

本實數FFT算法在CCS環境下進行軟件編程，采用匯編語言在TMS320F28234芯片上實現，可以計算N為128、256、512、1 024的實數和復數快速傅里葉變換。

3.3 串口通信協議設計

為保證串行通信的準確性和可靠性，上、下位機通信雙方必須具有相同的通信協議，即相同的波特率及信息傳送格式[7]。因此，通信雙方的波特率設為9 600 bit/s，幀格式如圖5所示。

soh(0x01)字節填充后的數據塊eot(0x04)cs

圖5 數據幀結構圖
Fig.5 Frame structure

用ASCⅡ字符soh(十六進制01)和eot(十六進制04)分別表示幀起始和幀結束。在幀的結構設計上為避免由于在傳輸過程中所傳的數據有可能出現與soh、eot和esc相同數據而發生錯誤的情況，將發送數據識別為幀起始、結束或者中斷，需要對要發送的數據進行字節填充。選擇ASCⅡ字符esc(十六進制1B)作為一個特殊字符，當數據中出現soh時用esc和x代替，出現eot時用esc和y代替，出現esc時用esc和z代替，如圖6所示；同時采用校驗和的檢驗方式進行差錯處理，將經過字節填充的數據幀(包括soh和eot)求和，生成校驗和，并用4個字節進行存儲，以保證校驗和的計算不發生數據溢出，確保系統在工作過程中可能會受到外界雜波干擾的情況下數據的正確性。

圖6 字節填充映射關系Fig.6 Illustration of byte stuffing

考慮到上位機必須具有良好的人機界面，同時還要具有基本的數據顯示、存儲、打印等功能，整個接口部分軟件采用JAVA語言實現數據的接收、處理和反饋，不僅使代碼執行率高，實時性好，而且結構更加合理。

4 實驗仿真結果

在基于DSP的移動基站信號監測設備研制完成后，采用100 Hz～20 kHz正弦波信號，1.5 V直流分量，1.6 V峰值，使用XDS100仿真器將DSP和CCS3.3連接，進行調試，并通過雙蹤示波器觀察信號輸入和濾波之后的信號輸出，將數據通過RS-232/USB轉換模塊傳送到上位機。

通過ADC采集的原始數據波形如圖7所示，通過濾波器之后的數據波形如圖8所示。

圖7 原始數據波形Fig.7 Original data waveform

圖8 濾波之后的數據波形Fig.8 Data waveform after filtering

通過HRPWM+4階低通濾波器的波形對比如圖9所示。

圖9 濾波前后波形Fig.9 Waveform before and after filtering

以上結果表明，系統可以實現對信號的采集、濾波和通過RS-232接口與USB接口轉換模塊發送原始數據和濾波之后的數據給上位機等功能，通信協議設計合理，程序運行正確。

5 結 論

基于DSP的移動基站信號監測設備是獨立于通信業務網管系統的基礎設施管理平臺，能夠在各種環境條件下有效地利用DSP的信號處理優勢，采用實數FFT算法和RS-232接口轉USB接口電路、通信協議、JAVA語言等軟硬件關鍵技術，實現對現場各種數據的實時、準確的監測，具有測量精度高、實時性好、人機界面友好等特點，從而保證移動通信網絡的正常、安全運行。

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