基于嵌入式的遠程通信信號發生器的設計

張益銘+張正中

摘 要： 設計遠程通信信號發生器實現通信信號的采集、濾波、檢波、放大、調制與接收，提出基于嵌入式技術的遠程通信信號發生器設計方案。信號發生器主要包括了通信基陣模塊、收發轉換電路模塊、通信信號濾波及檢波電路模塊、信號放大處理模塊、信號調制解調模塊以及接收機設計等。采用嵌入式控制器PXI?8155對通信信號發生器的各模塊進行串口、并口及GPIB接口的總線設計，實現遠程通信信號發生器的嵌入式集成總線優化設計。對信號發生器進行通信信號傳輸處理分析，實驗結果表明，該遠程通信信號發生器能有效提高信號的穩定準確傳輸能力，降低通信信號傳輸的誤比特率。

關鍵詞： 嵌入式信號發生器； 遠程通信； 信號調制； 信號采集

中圖分類號： TN782?34； TN911 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0075?04

Design of remote communication signal generator based on embedded technology

ZHANG Yiming1， ZHANG Zhengzhong2，3

（1. Yantai Engineering & Technology College， Yantai 264006， China； 2. Suzhou Institute of Industrial Technology， Suzhou 215104， China；

3. Nano Science and Technology Institute， University of Science and Technology of China， Suzhou 215123， China）

Abstract： In order to design the remote communication signal generator to achieve communication signal acquisition， filtering， amplification， demodulation， modulation and receiving， a design scheme of the remote communication signal generator based on embedded technology is proposed. The signal generator includes communication basic?array module， transceiver conversion circuit module， communication signal filtering and demodulation circuit module， signal amplification processing module， signal modulation and demodulation module， etc. The embedded controller PXI?8155 is adopted to design the bus for serial port， parallel port and GPIB interface of all the modules of the communication signal generator， so as to realize optimization design of embedded integrated bus for the remote communication signal generator. The communication signal transmission analysis of the signal generator is carried out. The experimental results show that the remote communication signal generator can improve the stability and accuracy of signal transmission and reduce the bit error rate of communication signals.

Keywords： embedded signal generator； remote communication； signal modulation； signal acquisition

0 引 言

電訊技術和計算機技術發展促進了遠程通信技術的進步，信號處理技術為遠程通信提供了強大的技術支持，人們通過遠程通信實現聲音、圖像、文本等信號與信息的傳輸和傳遞，為人們的生產生活提供便利[1]。在遠程通信系統中，通信質量受到信道的多徑及衰落的影響，導致信號傳輸過程中容易出現誤碼和失真，需要進行遠程通信信號發生器的優化設計，提高遠程通信信號傳輸的可靠性。信號發生器的設計是一個信號的采集、處理和接收的過程，在信號發生器中對通信信號采用頻移鍵控（FSK）[2]、相移鍵控（PSK）等調制解調方法[3]，進行信號放大濾波，并輸出準確的通信信號，改善通信質量。本文針對傳統的遠程通信信號發生器存在信號傳輸失真和輸出誤碼等問題，提出基于嵌入式技術的遠程通信信號發生器設計優化方案。首先進行了系統的總體設計構架，然后進行信號發生器的功能模塊硬件設計，采用嵌入式PXI?8155總線控制技術進行集成設計，最后進行信號傳輸測試分析，得出有效性結論。

1 信號發生器工作原理與總體設計

遠程通信信號發生器是對遠程通信系統發射的信號進行相干檢測和信號處理，選擇合適的信號調制、解調方法，在遠程通信系統的發射、接收設計中，結合自適應均衡和波束形成方法[4]，進行信號的相關性檢測和編碼設計。采用信道均衡技術來糾正加性干擾，提高信號輸出的信噪比，以FSK調制為基礎進行信號調頻設計。在通信信號接收的過程中實現信號的采集、濾波、檢波、放大、調制與接收。信號發生器的主要結構模塊如圖1所示。endprint

圖1描述了遠程通信系統信號發生器的工作原理和主要結構模塊。根據上述設計原理，進行遠程通信信號發生器的總體設計。

在遠程通信系統中，對輸出的通信信號采用非相干檢測方法進行通信信號的能量收集，采用嵌入式的ESSH和SSSDV技術提高信號收集的效率[5]。設計的信號發生器的信號采集模塊采用的是MAX4685芯片為核心的聲換能器基陣，通信基陣模塊實現通信信號的電聲﹑聲電轉換。基陣接收的遠程通信信號通過調制解調電路和模擬信號預處理機進行放大和調制解調，輸出端輸出幅度穩定的通信信號。在信號發生器的邏輯控制子系統中，設計DSP信號處理器控制A/D轉換進行信號的倍頻采樣，進行采集、處理與上位機通信，DSP控制D/A轉換器進行通信信號濾波，然后采用倍頻電路進行信號放大和檢波處理[6]，對檢波輸出信號采用信號調制解調器進行調制解調，輸出高、低電壓至繼電器。在DSP中，輸出多路回波信號到功率放大器，DSP接收信號發生器的PCI總線傳輸的通信信號進行嵌入式控制，通過PCI總線發送采樣數據或處理結果到PC機實時顯示。

根據上述設計過程，得到本文設計的遠程通信系統信號發生器的總體結構框圖如圖2所示。

2 信號發生器的系統模塊化設計

根據上述分析的遠程通信系統信號發生器工作原理和總體設計結構構架。結合圖2所示的總體結構進行信號發生器的硬件設計。本文設計的遠程通信系統的信號發生器的硬件模塊主要包括了通信基陣模塊、收發轉換電路模塊、通信信號濾波及檢波電路模塊、信號放大處理模塊、信號調制解調模塊以及接收機設計等。

2.1 通信基陣模塊設計

信號發生器的通信基陣模塊主要采用的是4個壓電陶瓷換能器構建信號采集和發生的圓柱形基陣[7]，換能器采用連續線陣和兩點源陣自稱電?聲轉換模型，通信基陣模塊需要滿足功率容量大、電聲效率高的設計需求，換能器在水平方向沒有指向性，通過兩級陣的通信電磁場互相耦合，構建信號發生器的輸出轉換基陣，得到信號通信基陣的圓柱換能器剖面圖如圖3所示。

圖3中在xOy平面內，圓柱換能器作為信號發生器系統基陣的基本陣元，遠程通信信號通過傳感器采集的通信信號通過信號放大電路進行信號濾波放大，負載（陣元）為[Z∠φ]，隨輸出電流的增大，輸出電流幅值收斂于[Im=VmZ=VS-VCEZ]，結合圖3得到通信基陣的方向性函數為：

[Dθ=sin（πHsinθλ）πHsinθλ?sin2πDcosθλ2sinπDcosθλ] （1）

式中：H為通信基陣換能器的高度；D為信號發生器的換能基陣的外徑；[λ]為波長。頻帶范圍內信號的傳輸功率增益和輸入電功率的比值：

[η=10PL-WL-DI-170.710] （2）

式中：PL為換能器的阻抗；WL為輸入功率級；DI為信號發上期的基陣的指向性指數。由此得到信號發生器的基陣模塊供電效率ηE和運放耗散功率PD分別為：[ηE=PLPE=0.56?cosφ] （3）

[PD=1-0.56?cosφ?PE=10.56?cosφ-1?PL] （4）

式中：[ηD=PDPE=0.44]；在額定電流時，VCE一般在10 V左右。

通過上述設計，構建串聯調諧等效電路，通過CRC 校驗來進行信號傳輸的穩定性檢查。

2.2 收發轉換電路模塊設計

收發轉換電路主要作用是根據信號的大小自動調整系統的放大倍數，將信號發生器采樣的遠程通信信號進行數字FIR濾波，把RC積分器輸出的直流信號放大，進行電源供電的端口分配。

根據采樣通道數、信號脈寬，采用運算放大器電路構建收發轉換電路模塊的同相放大器，信號發生器的接收機的有效頻率范圍為100～2 000 Hz，采用兩個8階的帶通濾波器級聯構建一個16階的數字FIR濾波器，FIR濾波器為一個雙列直插式開關電容低通濾波，低通截止頻率[fc]的變化范圍為 40～20 kHz，利用阻抗分析儀測得系統頻帶內最大發射電壓響應級，結合窄帶陣元串聯調諧和并聯調諧的特點[8]，降低射頻干擾，得到收發轉換電路模塊設計如圖4所示。

圖中，將TRF7960的I/O_0～I/O_7作為輸出電源的端口，信號輸出端與GPIO口相連接，通過上述設計，確定了適合遠程通信的寬帶陣元電匹配網絡結構模型，選擇合適的功放管進行嵌入式控制，提高信號發生器的輸出增益。

2.3 通信信號濾波檢波及放大處理模塊

對信號發生器的濾波、檢波和放大模塊進行集成設計，采用普通的二極管檢波電路進行遠程通信信號的檢波處理，將二極管接在運算放大器的反饋電路，采用ADUM1201和PCA82C250設計線性檢波電路，通過一個5[Ω]電阻與CAN總線相連，設計功率放大的D/A轉換接口。接收功率放大信號進入 BWP08 的SIN引腳控制D/A轉換器工作，在ARM?Linux 平臺下通過 UART 接口實現節點高低電平直接控制，為了二極管檢波電路中的非線失真[9]，在Windows CE5.0/6.0系統程序保護下，進行信號放大處理，采用8階高通濾波器（S3529）和一個

8階低通濾波器（S3528）并聯方法設計數字隔離器，輸出電壓[Vo]為電源導通狀態下的電壓增益，在過流過壓保護設計中選擇：[C1=C2=C]，[R1=R2=R]，利用二極管[D1]的非線性特性進行增益控制，信號經過R1向C1兩端積累，自動控制增益頻率點滿足[ωn=25 kHz]，[G0=2]，負載功率的增益（1～1 000），此時信號放大倍數為：

[NF=NF1+NF2-1KP1+…+NFn-1KP1KP2…KP（n-1）] （5）

式中：[NFi]為第i級的窄帶阻抗匹配系數；運算放大器AD620失真度為[-120 dB@20 kHz]；電壓幅值為[ηE=PLPE=0.56?cosφ]，通過上述設計原理，得到通信信號濾波檢波及放大處理模塊的電路設計如圖5所示。endprint

2.4 信號調制解調模塊及信號接收機模型

遠程通信系統的信號調制解調模塊采用數字增益控制方法進行FSK調制設計，選用程控放大器VCA810作為調制解調電路的主控芯片。考慮到遠程通信系統的自激噪聲干擾和碼間干擾，還需要進行干擾抑制，采用三級放大增益控制提供8通道模擬輸出，由Mux101多路開關連接在信號路由上進行MIMO可編程控制，通過外部I/O接口上引入外部參考電壓，輸出一個特定內部時間信號，接收到的擴頻信號經高放和混頻處理后，由外部源來控制時鐘和觸發總線[10]。采用PXI的10 MHz時鐘作為調制解調的中斷，降低了進入信號通頻帶內的干擾，擴頻系統通過相關接收，使進入信號頻帶內的干擾功率降低，提高了遠程通信系統的信號接收性能，由此設計的信號調制解調器和信號接收機，設計結果如圖6所示。

3 嵌入式總線設計及信號測試分析

最后采用嵌入式控制器PXI?8155對通信信號發生器的各模塊進行串口、并口及GPIB接口的總線設計，實現遠程通信信號發生器的嵌入式集成總線優化設計。PXI總線內部系統使用10 MHz時鐘作為集成總線RTSI0～7路由端口，由PXI?6713采集卡配置的數據流和時間信號連接的傳輸緩沖區，啟動遠程通信信號發生器后，檢測到外部觸發信號，當到達緩沖區的脈沖寬度，輸出信號的更新率時鐘，配置PXI?6713的計數器，實現遠程通信信號發生器的嵌入式集成總線優化設計。為了測試本文設計的遠程通信系統信號發生器的性能，進行信號發射和接收的性能分析，首先測試信號發生器的高通濾波和低通濾波的響應性能，得到濾波特性曲線如圖7所示。以信號的輸出誤比特率為測試指標分析信號發生器的遠程通信信號傳輸能力，干擾信噪比為-10～30 dB，得到測試結果如圖8所示。

分析圖7結果得知，采用本文設計的信號發生器，能有效濾除信號遠程通信中的干擾，高通濾波的衰減特性為22.1 dB，低通濾波的衰減特性為20.9 dB，有效滿足遠程通信的信號傳輸和接收的技術需求。分析圖8結果得知，采用本文方法進行信號遠程通信傳輸，有效降低了誤比特率，提高了信號傳輸的準確收發質量。

4 結 語

本文提出基于嵌入式技術的遠程通信信號發生器設計方案。信號發生器主要包括了通信基陣模塊、收發轉換電路模塊、通信信號濾波及檢波電路模塊、信號放大處理模塊、信號調制解調模塊以及接收機設計等。采用嵌入式控制器PXI?8155對通信信號發生器的各模塊進行串口、并口及GPIB接口的總線設計，實現遠程通信信號發生器的嵌入式集成總線優化設計。對信號發生器進行通信信號傳輸處理分析，實驗結果表明，該遠程通信信號發生器能有效提高信號的穩定準確傳輸能力，降低通信信號傳輸的誤比特率，改善了通信質量。

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