淺析通信射頻模塊控制電路設(shè)計(jì)范文

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摘要:對(duì)通信射頻模塊進(jìn)行控制需要通信基帶模塊具有較高的速率，可以使用FEC(前向糾錯(cuò)碼)或者ARQ(自動(dòng)重傳請(qǐng)求算法)等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，F(xiàn)EC算法在進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)時(shí)較為復(fù)雜，需要依靠較多的硬件資源和寬帶;ARQ算法在進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)時(shí)，會(huì)因?yàn)殡p向數(shù)據(jù)傳輸和等待給通信造成較大的數(shù)據(jù)延遲。因此，本文提出了一種基于自適應(yīng)糾錯(cuò)功能的通信射頻模塊控制電路，對(duì)信號(hào)跳變進(jìn)行更好的處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻模塊電路的控制。

關(guān)鍵詞:自適應(yīng)糾錯(cuò);通信射頻模塊;控制電路

引言

通信系統(tǒng)的快速發(fā)展使射頻模塊和基帶之間的數(shù)據(jù)速度得到了極大的提高。通信射頻模塊中的基帶信號(hào)包含了自動(dòng)增益、自動(dòng)功率和自動(dòng)頻率等調(diào)節(jié)信息，這些調(diào)節(jié)信息都是通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。對(duì)誤碼率進(jìn)行解決的話，傳統(tǒng)方法有FEC(前向糾錯(cuò)碼)或者ARQ(自動(dòng)重傳請(qǐng)求算法)，F(xiàn)EC算法帶寬較大，ARQ算法帶寬較小。但是兩種算法在實(shí)際的計(jì)算中會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)重傳請(qǐng)求以及相應(yīng)過(guò)程為其帶來(lái)較大的延遲，除了這兩種算法，還有CRC校驗(yàn)算法也在通信射頻模塊控制電路中有較為廣泛的應(yīng)用。

1無(wú)線終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線終端系統(tǒng)示意圖如圖1所示。CBM:通信基帶模塊;CRMCC:射頻模塊控制電路;CRM:通信射頻模塊。通信基帶模塊主要負(fù)責(zé)信源編碼和解碼;射頻模塊控制電路主要接收來(lái)自通信射頻模塊的基帶控制信號(hào)，并將其生成射頻模塊控制信號(hào)(RFCS)，通過(guò)射頻模塊控制信號(hào)對(duì)通信射頻模塊進(jìn)行控制，并向通信射頻模塊返回信號(hào)接收回饋信息(SRCFM)。射頻模塊會(huì)在射頻模塊信號(hào)控制下，接收來(lái)自基帶傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)。

2常見(jiàn)的糾錯(cuò)算法

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)序信號(hào)會(huì)顯示正常的信號(hào)示意，DATA信號(hào)是最高有效位，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)先傳輸，原始的DATA信號(hào)所傳輸?shù)男盘?hào)是二進(jìn)制，相對(duì)于其他質(zhì)量的DATA信號(hào)，CLK信號(hào)的最高位并沒(méi)有被采樣，DATA信號(hào)可以在其他的時(shí)間保持高電平，并將最后的采樣結(jié)果表示為8位的二進(jìn)制。如果該數(shù)據(jù)用于控制信號(hào)功率，對(duì)于功率信號(hào)而言，增加的倍數(shù)較多，對(duì)通信系統(tǒng)將會(huì)造成十分嚴(yán)重的影響。移動(dòng)通信會(huì)隨著終端和基站之間的距離而隨時(shí)發(fā)生變換，AGC和AFC參數(shù)需要進(jìn)行修正設(shè)置，對(duì)于出現(xiàn)的傳輸錯(cuò)誤以及數(shù)據(jù)跳變等操作，通信射頻模塊控制電路需要對(duì)其作出正確的反應(yīng)。同時(shí)為了更好地解決基帶和射頻模塊之間存在的誤碼問(wèn)題，可以采用FEC(前向糾錯(cuò)碼)或者ARQ(自動(dòng)重傳請(qǐng)求算法)。ARQ(自動(dòng)重傳請(qǐng)求算法)有幾種典型的技術(shù)方式，比如停止等待、回退N步以及選擇重傳等方式，其中回退N步方式與選擇重選方式在正常的工作環(huán)境下具有較好的性能，但是應(yīng)用到射頻控制模塊中，存在無(wú)法實(shí)現(xiàn)等待回傳數(shù)據(jù)的問(wèn)題，限制了自動(dòng)重傳請(qǐng)求算法的實(shí)際應(yīng)用。FEC(前向糾錯(cuò)碼)算法在實(shí)際的使用中，誤碼率為1/2或3/4，原始碼率能夠達(dá)到200%，但是占用的額外帶寬較大，對(duì)于信道有限的通信射頻控制模塊而言無(wú)法得到更好的實(shí)現(xiàn)效果。

3自適應(yīng)濾波器

自適應(yīng)濾波器與普通的濾波器不同，自適應(yīng)濾波器會(huì)根據(jù)外部的環(huán)境變化而發(fā)生變化，通過(guò)改變自身的沖激響應(yīng)來(lái)獲取最佳的濾波效果;同時(shí)，自適應(yīng)濾波器還包含了普通濾波器的硬件電路。濾波器的自適應(yīng)算法可以根據(jù)上一個(gè)階段的濾波參數(shù)適應(yīng)來(lái)自外界的信號(hào)變化，從而達(dá)到最佳的性能要求，自適應(yīng)濾波器是線性變化的過(guò)程。自適應(yīng)濾波器包含了數(shù)字濾波器和自適應(yīng)濾波算法兩部分，數(shù)字濾波器可以完成濾波功能，自適應(yīng)算法可以讓濾波器的效果達(dá)到最優(yōu)。其原理如圖2所示。X(n)表示輸入信號(hào);Y(n)表示輸出信號(hào);d(n)表示系統(tǒng)期望信號(hào);e(n)表示系統(tǒng)誤差信號(hào)。自適應(yīng)濾波器包含不同的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)也是一種非遞歸型濾波器，在數(shù)字信號(hào)處理中應(yīng)用廣泛，其處理的特點(diǎn)是在幅度特性較為隨意的情況下，也可以保證其線性特征，不會(huì)出現(xiàn)相位失真的情況，同時(shí)也不會(huì)因?yàn)闊o(wú)反饋回路而影響穩(wěn)定性問(wèn)題。可以對(duì)數(shù)字濾波器的系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證濾波器的性能，同時(shí)也是保證濾波器的穩(wěn)定性。為了更好的滿足濾波器的性能，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用較高的濾波階數(shù)，較低的階數(shù)會(huì)使得濾波器的系數(shù)較小，而無(wú)法滿足實(shí)際的需求。

4基于自適應(yīng)糾錯(cuò)功能需求的通信射頻模塊控制電路

4．1系統(tǒng)硬件架構(gòu)

在對(duì)通信射頻模塊控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)可視化的上位機(jī)方式對(duì)界面參數(shù)進(jìn)行靈活設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)在多頻段下的無(wú)線信道接入，滿足數(shù)據(jù)通信的要求。總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。系統(tǒng)中的控制模塊是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，由于AD/DA采樣芯片可以對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行整合，控制部分會(huì)完成各個(gè)模塊中的信號(hào)接收和發(fā)射，實(shí)現(xiàn)模擬射頻信號(hào)的接入。

4．2通信射頻模塊控制電路設(shè)計(jì)

為了更好的解決射頻通信模塊控制電路中所存在的誤碼率問(wèn)題，提出了一種基于自適應(yīng)糾錯(cuò)功能需求的通信射頻模塊控制電路。其基本架構(gòu)如圖4所示。CBM:通信基帶模塊;CRM:通信射頻模塊;BCS:射頻模塊控制信號(hào);SRCFM:信號(hào)接收回饋信息;RMCS:射頻模塊(包括天線);SRU:信號(hào)接收單元;SRSFU:信號(hào)接收信息反饋單元;STCU:信號(hào)閾值控制單元;SVFU:信號(hào)數(shù)值濾波單元;CVSU:控制數(shù)值存儲(chǔ)單元;CSGEU:控制信號(hào)生成使能單元;CSGU:控制信號(hào)生成單元。

4．2．1信號(hào)接收單元(SRU)在SRU的內(nèi)部，包含了相應(yīng)基帶控制信號(hào)中的解碼電路，接收來(lái)自輸入的基帶控制信號(hào)，并將輸入的基帶控制信號(hào)傳輸給信號(hào)接收反饋信息(SRSFU)，SRSFU對(duì)信號(hào)接收單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并將得到的信號(hào)數(shù)值傳輸給信號(hào)閾值控制單元(STCU)，SRSFU單元會(huì)同時(shí)接收來(lái)STCU的信息，并將得到的信息反饋給基帶。

4．2．2信號(hào)閾值控制單元(STCU)STCU會(huì)接收信號(hào)反饋信息的信號(hào)數(shù)值，單元中含有初始化閾值信息、寄存器以及比較單元，其中閾值信息包含了信號(hào)數(shù)值比較閾值和誤差計(jì)數(shù)閾值。STCU接收到的有效數(shù)據(jù)，會(huì)自動(dòng)判斷數(shù)據(jù)是否使能，并將得到的判斷結(jié)果通知給控制信號(hào)生成使能單元(CSGEU)。信號(hào)閾值控制單元(STCU)還可以接收信號(hào)數(shù)據(jù)濾波單元(SVFU)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入緩存中，以等待下一次的有效信號(hào)。

4．2．3數(shù)值信號(hào)濾波單元(SVFU)SCFU會(huì)接收來(lái)自信號(hào)閾值控制單元中的數(shù)據(jù)信息，單元內(nèi)部包含濾波單元，濾波器中包含了固定系數(shù)單元和可配置系數(shù)單元。每一次信號(hào)閾值控制單元所接收到的有效信號(hào)都會(huì)傳輸?shù)叫盘?hào)數(shù)據(jù)濾波單元中，信號(hào)數(shù)據(jù)濾波單元(SVFU)會(huì)將控制數(shù)值存儲(chǔ)單元(CVSU)中的數(shù)據(jù)逐一乘以對(duì)應(yīng)的數(shù)值，并計(jì)算出最終的濾波結(jié)果，將得到的濾波結(jié)果存入到控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中。

4．2．4控制數(shù)值存儲(chǔ)單元(CVSU)在CVSU中所提供的讀寫(xiě)端口，會(huì)同時(shí)供信號(hào)數(shù)據(jù)濾波單元和控制信號(hào)生成使能單元進(jìn)行寫(xiě)入和數(shù)據(jù)讀取，控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元也會(huì)同時(shí)接收來(lái)自信號(hào)接收信息反饋單元(SRSFU)的修正數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，CSGEU接收來(lái)自信號(hào)閾值控制單元所發(fā)出的同通知信號(hào)，如果信號(hào)閾值控制電源可以對(duì)當(dāng)前的信號(hào)使能進(jìn)行通知，則可以讓CSGEU生成使能信號(hào)，反之則不能。

4．2．5控制信號(hào)生成單元(CSGU)CSGU包含了通信射頻模塊中的電路，當(dāng)控制信號(hào)生成單元通過(guò)周期性的方式對(duì)控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和控制信號(hào)生成使能單元中的信息進(jìn)行讀取，如果控制信號(hào)生成使能單元給出使能信號(hào)，則控制信號(hào)生成單元會(huì)自動(dòng)讀取來(lái)自控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)信息，并自動(dòng)生成射頻控制信號(hào)。通過(guò)上述的模塊分析，得出通信射頻模塊控制電路可以對(duì)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)跳變進(jìn)行正確的區(qū)分和處理。在進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，所有的處理內(nèi)容都需要通過(guò)信號(hào)接收信息反饋單元和信號(hào)閾值控制單元來(lái)完成。

4．3通信射頻模塊控制電路處理流程

基于自適應(yīng)糾錯(cuò)功能需求的通信射頻模塊控制電路的處理流程分為四部分:普通信號(hào)、出錯(cuò)信號(hào)、失效信號(hào)以及有效信號(hào)跳變。其中，錯(cuò)誤信號(hào)流程中主要反映的是被濾波所造成的錯(cuò)誤，如圖5所示。有效信號(hào)跳變流程則反映了數(shù)據(jù)跳變的真實(shí)情況。本研究所設(shè)計(jì)的基于自適應(yīng)糾錯(cuò)功能需求的通信射頻模塊控制電路的判斷流程如圖6所示。信號(hào)接收信息反饋單元可以判斷當(dāng)前的信號(hào)是否有效，如果無(wú)效會(huì)進(jìn)入到失效信號(hào)流程中;如果信號(hào)有效，則檢查當(dāng)前數(shù)值、緩存值以及比較閾值，如果當(dāng)前數(shù)值和緩存值的絕對(duì)值小于或等于比較閾值，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到普通信號(hào)流程中;如果不是當(dāng)前結(jié)果，則需要對(duì)信號(hào)誤差計(jì)數(shù)寄存器以及信號(hào)誤差計(jì)數(shù)閾值進(jìn)行檢查，如果信號(hào)誤差計(jì)數(shù)寄存器大于信號(hào)誤差計(jì)數(shù)閾值，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入有效信號(hào)跳變流程中，如果無(wú)法達(dá)到此結(jié)果，則會(huì)使用出錯(cuò)信號(hào)流程。其處理結(jié)果如圖7和圖8所示，圖7表示的是普通信號(hào)流程、出錯(cuò)信號(hào)流程以及失效信號(hào)流程。從圖8可以看出，本文所提出的通信射頻模塊控制電路架構(gòu)對(duì)于出錯(cuò)的數(shù)據(jù)跳變可以進(jìn)行濾波。如果出現(xiàn)了錯(cuò)誤的出錯(cuò)信號(hào)和失效信號(hào)，則控制信號(hào)生成單元會(huì)處于空閑狀態(tài)，不會(huì)有任何的信號(hào)發(fā)生，對(duì)于通信射頻模塊的正常運(yùn)行具有很大作用。圖8可以得到，本文所提出的基于自適應(yīng)糾錯(cuò)功能需求的通信射頻模塊控制電路的有效數(shù)據(jù)跳變可以對(duì)其進(jìn)行與有效的辨別，并且在3個(gè)周期后會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的反應(yīng)。

4．4硬件消耗與性能比較

將本文所設(shè)計(jì)的基于自適應(yīng)功能需求的通信射頻模塊控制電路架構(gòu)與已有的FEC(前向糾錯(cuò)碼)和ARQ(自動(dòng)重傳請(qǐng)求算法)的性能與硬件消耗進(jìn)行比較，如表1所示。從表1可以看出，本研究中所提出的一種新的通信射頻模塊控制電路在誤碼糾錯(cuò)上能夠得到較高的糾錯(cuò)率，但是也無(wú)法達(dá)到100%，但是該架構(gòu)可以在零響應(yīng)的時(shí)間下達(dá)到較好的射頻模塊控制效果，并且不需要依靠額外帶寬。本文所提出的基于自適應(yīng)糾錯(cuò)功能需求的通信射頻模塊控制電路架構(gòu)在算法計(jì)算和硬件消耗等方面都優(yōu)于FEC算法和ARQ算法。

5結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于自適應(yīng)糾錯(cuò)功能需求的通信射頻模塊控制電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)完成后的通信射頻模塊控制電路架構(gòu)可以對(duì)數(shù)據(jù)跳變進(jìn)行更好的計(jì)算，對(duì)有效數(shù)據(jù)跳變和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)跳變進(jìn)行區(qū)分，并對(duì)不同的參數(shù)做出正確的響應(yīng)。通信射頻模塊控制電路架構(gòu)在響應(yīng)時(shí)間為零的狀態(tài)下，不需要通過(guò)額外帶寬就可以完成較好的射頻模塊控制。而本研究中所涉及到的濾波器模塊作為通信射頻模塊控制電路架構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常關(guān)鍵的模塊，其各項(xiàng)參數(shù)的自適應(yīng)修正算法則是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向

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作者：李力厚 程磊 單位：洛陽(yáng)鐵路信息工程學(xué)校