智能调制解调器在ISM频段上实现可靠的无线数据传输

作者：Patrick Butler and Austin Harney

在过去的几年里，射频技术突飞猛进，产生了数量惊人的新无线应用。这些应用中的大多数（例如蓝牙、WLAN 802.11b 和无绳电话）都与微波炉一起出现在 2.4 GHz 的免许可 UHF 频段中。由于 2.4 GHz 频段的大量流量及其相关的共存问题，人们对 ISM（工业、科学、医疗）UHF 频段的兴趣日益浓厚——欧洲的较低频率为 868 MHz 和 433 MHz，美国的较低频率为 902 MHz 至 928 MHz。®

然而，与 2.4 GHz 不同，低 UHF 频段没有通用的全球标准;这意味着制造商的系统必须适应每个地区的法规。然而，通过引入灵活的ISM频段收发器，如ADF7020，这一负担已大大减轻，该收发器的工作频率范围为433 MHz至960 MHz。

不幸的是，不能通过简单地切换到这些较低的UHF频段来完全消除干扰和共存的问题。正如预期的那样，这些频段中已经有大量遗留系统在运行。在无线系统中，如果干扰源与所需信号发生碰撞，数据就会损坏，从而导致接收器的信噪比（SNR）不足。处理此问题的传统方法是使用某种错误检测技术，例如循环冗余检查（CRC）。CRC可以在一定程度上检测到这种损坏并触发错误数据包的重新传输（这通常称为自动重复请求，ARQ），但代价是实时应用中相当大的延迟和性能损失。

对于低吞吐量系统（例如，每隔几分钟从远程传感器发送一次突发数据）来说，重新传输损坏的数据包的需求并不是特别繁重。但是，对于无线音频或视频传输等具有较高数据速率的应用来说，这确实是一个问题，因为ARQ引入的延迟可能是不可接受的。它还在工业过程控制和遥测系统中引入了问题，这些系统必须在嘈杂的环境中保持吞吐量，而无需多次重传。这种较长的相关传输时间也会增加整体系统功耗。

解决这一困境的有力解决方案在于使用前向纠错（FEC）技术，能够检测和纠正足够多的比特的错误，以补偿部分数据包丢失并确保服务质量。Blackfin ADSP-BF531等低成本但功能强大的处理器可用于实现需要每秒数百万条指令（MIPS）的密集纠错技术（例如具有位加扰和交错的卷积编码），以提供超过100 kbps的数据速率，传输错误率小于10®–6.

当与ADF7020 ISM频段收发器IC配合使用时，该方法的典型范围为数百米（视距），为希望在不影响服务质量的情况下替换当前有线解决方案的设计人员提供了可靠的解决方案。得益于其400 MIPS（每秒百万条指令）和800 MMACS（每秒百万次乘法累加）功能，ADSP-BF531还可以支持各种无线配置和拓扑的协议，包括点对点、多点和广播，以及复杂的加密和源编码和解码算法，如运动JPEG（MJPEG）。

图1是围绕ADF7020 ISM频段收发器及其配套控制器ADSP-BF531构建的无线数字调制解调器的详细电路图。两个主芯片共享相同的电源电压（2.3 V发送/接收操作。

图1.调制解调器的电路图。

数据将通过UART异步传输或与其余SPORT同步传输到调制解调器或从调制解调器接收。

多功能收发器

ADF7020是一款完整的单芯片无线电收发器，采用0.25μm CMOS技术。它能够在433 MHz和868 MHz欧洲ISM频段（ETSI EN300 220-1标准）中工作，而ADF7025覆盖的北美902至928 MHz频段具有更高的数据速率：384 kbps。

与最新的ISM频段收发器一样，ADF7020采用小数N分频锁相环（PLL）频率合成器，可以选择433 MHz的通道以及868 MHz至928 MHz之间的任何通道，分辨率优于1 kHz。这种频率捷变性使ADF7020可用于美国FCC Part 15法规规定的跳频系统，但如果输出功率低于–1.5 dBm，也可以在美国频段的单通道上运行。

高分辨率小数N分频频率合成器也是新型自动频率控制（AFC）环路的一部分，该环路可补偿输入频率误差，并允许使用容差较低、成本较低的晶体。ADF7020的框图如图2所示。PLL环路滤波器元件可以在ADI公司网站上提供的ADIsimPLL仿真软件的帮助下确定。

图2.ADF7020的功能框图。

使用Blackfin处理器进行前向纠错

虽然在数字蜂窝系统中将真正高性能的处理器与无线电结合使用很常见，但乍一看似乎不适合实现低成本数字调制解调器的目标。然而，以每秒几百千比特的速度实现FEC运算需要与Blackfin ADSP-BF531相当的计算密集型数字信号处理能力。例如，虽然标准8051或基于ARM的微控制器可以充分处理用户界面、协议栈、RF收发器监控和电源排序，但它不具备FEC方案所需的计算“马力”。除了实现控制功能外，ADSP-BF531的计算能力和实时功能还使其能够：提高有效通道数据速率，减少通信延迟，补偿通道传播变化以保持链路质量，并确保通信安全。

图3显示了要跨传输通道执行的各种功能，包括为发送（Tx）和接收（Rx）操作处理的处理功能。Blackfin处理器位于发射器侧时，同时处理数据速率控制和数据分区，因此数据以准恒定速率在数据包中传输。数据包在调制载波频率之前被处理以进行前向纠错（FEC）。这是通过添加接收器将用于检测和纠正错误的冗余位来实现的。当然，添加到传入数据包的位将增加给定信息比特率所需的带宽。

图3.信号处理功能。

在FEC的不同适用方法中，卷积编码虽然实现起来非常简单，但可以很好地防止通道高斯噪声干扰，并有助于满足最小汉明距离标准。卷积编码器是一种有限状态机，包括一个L级移位寄存器、N个模2加器和一个多路复用器，用于将输出转换为串行比特流。移位器输出和加法器输入之间的连接决定了多项式代码。使用两个特别适用的指令，Blackfin内核非常有效地执行所有这些操作。

在传输通道的另一端，解码器部分实现维特比算法（硬输入/硬输出）。为了获得最大似然解码，Viterbi 解码器将所有可能的代码序列与接收到的代码向量进行比较。汉明距离与接收序列最短的代码序列是好的。对于约束长度为 K = L + 1 of 7 的 （1/2， 7， 371， 247） 等代码，解码器最多可以纠正六个连续的错误位。根据系统要求，在此类无线应用中，ADSP-BF531必须支持5至9的约束长度（K）。

但是，即使是约束长度为 9 的卷积代码也不能防止可能长时间内击中传输数据包的突发噪声。必须使用基于时间多样性的补充保护技术。时间分集，即随着时间的推移将位或符号分散开来，提高了编码通信系统在存在多路径、衰落和突发噪声时的性能。因此，它降低了连续数量的位被破坏的可能性。加扰和简单的块交错函数无需使用更复杂的纠正代码（如 Reed-Solomon）即可实现这一目标。同样，ADSP-BF531提供了两个特定的矢量指令：一个用于计算维特比格子蝴蝶，另一个用于重建路径搜索（回溯）操作的数据。

然后将编码数据传递到ADF7020发送器部分，该部分执行一些额外的滤波和高斯频移键控（GFSK）调制。GFSK调制具有减少占用频谱带宽的优点，这在寻求满足欧洲868 MHz频段的相邻信道要求时非常有用。

在接收器方面，ADF7020的内部前导码匹配电路有助于完成关键的数据包同步任务。该硬件功能允许识别或识别12位、16位、20位或24位长的可编程同步字或数据包前导码，而无需ADSP-BF531内核的干预。在有效的前导码匹配时，电路置位ADF7020 INT/LOCK引脚，该引脚向串行端口（RFS0）发出新数据包的开始信号，并触发Viterbi解码器。这种独特的电路具有一定的容错能力——从某种意义上说，它甚至允许最多三个错误位的有效匹配。这减少了由于前导码未命中而丢失的数据包数，因为前导码未编码，因此不受保护。为了进一步减少前导码未命中，接收器使用ADSP-BF531 32位定时器之一作为看门狗，如果INT/LOCK信号在几个符号后未显示，则在RFS0上生成预期脉冲。选择这种使用硬件机制来检索数据包同步标记是为了节省大量处理器 MIPS，与具有软件分析和跟踪的完整实现相比。

实际应用 — 通过 ISM 的无线视频

如前所述，高效的无线数字视频传输需要针对信道故障的鲁棒性。视频编解码器非常适合采用智能、可靠的基于Blackfin处理器的无线调制解调器的应用。鉴于ISM无线信道带宽的限制，需要相对较高的图像/视频压缩率，以便在没有太多延迟的情况下为给定图像大小提供预期的帧速率和质量。不幸的是，Motion JPEG 和其他视频编解码器需要非常低的传输错误率，通常为 10–6，因为源代码编码过程会删除大部分冗余信息。对于一些高效的熵编码器尤其如此，例如霍夫曼，其中单个错误位使原始数据无法解码。低于10-6的误码率（BER）对无线电提出了非常严格的要求，但可以通过使用上述信道编码方案来实现。

非常低的 BER 并不能确保所有数据包都能正确进行熵解码。为了提高图像质量，有必要提供一些机制来隐藏图像的一部分，如果数据包中的重要位太多损坏。为此，每个数据包都分别进行分段和熵编码。检测到错误的段或块后，其内容将被丢弃。根据丢失的信息，根据相邻模块的系数估计相应图像块的离散余弦变换（DCT）的直流和前两个交流系数。最终的低通2D 3× 3去阻塞滤波器级旨在消除DCT阻塞伪影，有助于平滑产生的失真。

ADSP-BF531的功耗足以处理MJPEG编码或解码以及通道FEC处理。对于最大 QCIF（176 像素 x 144 像素）和 4：2：2 视频格式的帧大小，无需外部存储器。更大的帧可以以外部SDRAM为代价，SDRAM也可用于存储压缩视频。这种低成本处理器可以通过其并行外设接口直接连接到CCIR-656兼容的低成本CMOS图像传感器或TFT显示器（请参阅“Blackfin处理器的并行外设接口简化了便携式多媒体中的LCD连接”）。标准的低成本、低功耗 PCM 音频编解码器可以连接到可用的串行端口 SPORT1，以支持语音或音频的数字传输。或者，处理器可以通过执行类似于FR-GSM（13 kbps）的软件编解码器，以适度的延迟提供语音编码和解码。

在 200 kbps 的原始数据速率下，可以通过 ISM 以大约每秒 4 个 QCIF 4：2：2 彩色帧 （fps） 的速率实现“基线”MJPEG 传输，同时留下 20 kbps 用于语音。这对于简单的低成本消费电器来说是可以接受的，例如视频婴儿监视器、可视门电话或无线家庭安全摄像头。这种点对点视频传输系统（婴儿监视器）的功能框图如图4所示。此应用程序的总物料清单 （BOM） 在 75 美元范围内;而2.5英寸LCD TFT显示屏是最昂贵的部分。

图4.视频传输系统应用。

结论

ADF7020 ISM频段收发器和ADSP-BF531 Blackfin处理器的独特组合以极具吸引力的成本表现出出色的无线电链路性能，在各种ISM数字无线传输系统中具有明显的多功能性。ADF702x RF收发器系列的未来成员、新的TCP/IP友好型Blackfin DSP处理器以及其他通道和源码编码软件模块有望进一步改进该通信模型。

审核编辑：郭婷