通过ISM频段实现无线数据传输的调制解调器

在过去几年中，射频技术实现了跨越式发展，导致新的无线应用数量惊人。这些应用中的大多数 - 例如蓝牙®，WLAN 802.11b和无绳电话 - 都出现在2.4 GHz无牌照UHF频段的微波炉旁边。由于2.4 GHz频段的流量很大及其相关的共存问题，ISM（工业，科学，医疗）UHF频段的兴趣在欧洲868 MHz和433 MHz的较低频率可用，而在美国则为902 MHz至928 MHz。

与2.4 GHz不同，低UHF频段没有共同的全球标准;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（例如ADF7020）可以大大减轻这种负担，该收发器允许从433 MHz到960 MHz的工作。

不幸的是，人们不能完全消除干扰问题通过简单地切换到这些低UHF频段来共存。正如所预料的那样，已有许多传统系统在这些频段中运行。在无线系统中，如果干扰源与有用信号发生冲突，数据将被破坏，从而导致接收器的信噪比（SNR）不足。处理该问题的传统方法是使用某种错误检测技术，例如循环冗余校验（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传（这通常称为自动重复请求，ARQ），但代价是相当大的延迟和实时性能损失应用

这种重新传输损坏数据包的需求对于低吞吐量系统来说并不是特别繁重 - 例如，每隔几分钟就会从远程传感器发送一次数据突发。但它确实成为无线音频或视频传输等应用的问题，因为它们具有更高的数据速率，因为ARQ引入的延迟可能是不可接受的。它还引入了工业过程控制和遥测系统中的问题，这些问题必须在嘈杂的环境中保持吞吐量而不需要许多重传。这种较长的相关传输时间也会增加整个系统的功耗。

这种困境的有效解决方案在于使用前向纠错（FEC）技术，能够检测到并在足够大的位数上纠正错误，以补偿部分数据包丢失并确保服务质量。低成本但功能强大的处理器（如Blackfin ® ADSP-BF531）可用于实施强制纠错技术，每秒需要数百万条指令（MIPS）例如，使用比特加扰和交织进行卷积编码，以提供超过100 kbps的数据速率，传输错误率小于10 -6 。

使用时结合ADF7020 ISM频段收发器IC，其典型范围为几百米（视距），这种方法为希望在不影响服务质量的情况下取代现有有线解决方案的设计人员提供了强大的解决方案。得益于其400 MIPS（百万指令每秒）和800-MMACS（百万次每秒累加）功能，ADSP-BF531还可以适用于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Motion 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 CC <3.6 V），它们直接连接用于控制操作，使用ADSP-BF531标志（数字I / O）和发送/接收操作，使用其中一个串行同步端口（SPORT0）。

数据将以异步方式从调制解调器传输到调制解调器或从调制解调器接收UART或与剩余的SPORT同步。

多功能收发器

ADF7020是一款采用0.25μmCMOS技术构建的完整单片无线电收发器。它能够在433 MHz和868 MHz欧洲ISM频段（ETSI EN300 220-1标准）中运行，ADF7025涵盖的北美902至928 MHz频段具有更高的数据速率： 384 kbps。

与最新的ISM波段收发器一样，ADF7020采用小数N分频锁相环（PLL）合成器，可选择433 MHz的信道，以及868 MHz和928 MHz之间的任何信道，分辨率优于1 kHz。这种频率捷变使ADF7020可用于跳频系统 - 如美国FCC第15部分规定 - 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工作。

高分辨率小数N分频合成器也是新型自动频率控制（AFC）环路的一部分，它可以补偿输入的频率误差并允许更低的容差，更少 - 使用昂贵的水晶。 ADF7020的框图如图2所示.PLL环路滤波器组件可以借助ADIsimPLL仿真软件确定，该仿真软件可在ADI网站上找到。

前向误差 - 使用Blackfin处理器进行校正

虽然在数字蜂窝系统中使用真正的高性能处理器与无线电相结合，但乍一看似乎不适合实现低成本的目标数字modem。然而，以每秒几百千比特的速度实现FEC操作需要与Blackfin ADSP-BF531相当的计算密集型数字信号处理能力。例如，虽然标准的8051或基于ARM的微控制器可以充分地处理用户接口，协议栈，RF收发器监控和电源排序，但它不具有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可以：提高有效信道数据速率，减少通信延迟，补偿信道传播变化以保持链路质量，并确保通信安全

图3说明了要在传输通道上执行的各种功能，包括为传输（Tx）和接收（Rx）操作处理的处理功能。 Blackfin处理器在坐在发送器侧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。在数据分组调制载波频率之前，处理数据分组以进行前向纠错（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，添加到输入数据包的位将增加给定信息比特率所需的带宽。

在FEC的不同适用方法中，卷积编码虽然实施起来非常简单，但可以很好地防止信道高斯噪声干扰，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L级移位寄存器，N模2加法器和多路复用器，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确定多项式代码。使用两个特别适用的指令，Blackfin内核可以非常有效地执行所有这些操作。

在传输通道的另一端，解码器部分实现了维特比算法（硬输入/硬输出）。对于最大似然解码，维特比解码器将所有可能的码序列与接收的码矢量进行比较。与接收序列的汉明距离最短的代码序列是好的。对于具有约束长度（K = L + 1）的代码（1/2,7,371,247），解码器可以校正多达六个连续的错误位。根据系统要求，ADSP-BF531必须在此类无线应用中支持从5到9的约束长度（K）。

然而，即使约束长度为9的卷积码也不能防止在较长时间内可能击中传输数据包的突发噪声。必须使用基于时间分集的补充保护技术。 时间分集，即随时间推移比特或符号的扩展，在存在多个路径，衰落和突发噪声的情况下改善了编码通信系统的性能。因此，它降低了连续数量的比特被破坏的可能性。加扰和简单的块交织功能实现了这个目标，而不采用更复杂的纠正码（如Reed-Solomon）。同样，ADSP-BF531有助于使用两个特定的向量指令 - 一个用于计算维特比网格蝴蝶，另一个用于重建路径搜索（回溯）操作的数据。

此编码数据为然后传递给ADF7020发射器部分，它进行一些额外的滤波和高斯频移键控（GFSK）调制。 GFSK调制具有降低占用频谱带宽的优势 - 在寻求满足欧洲868 MHz频段的相邻信道要求时是一项有用的操作。

在接收机端，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12,16,20或24位长的可编程同步字或分组前同步码，而无需ADSP-BF531内核的干预。在有效的前同步码匹配后，电路将ADF7020 INT / LOCK引脚置为有效，该引脚向串行端口（RFS0）发送新数据包的信号，并触发Viterbi解码器。这种独特的电路有点容错 - 从某种意义上说，它甚至允许有效匹配多达三个不正确的位。这减少了由于前导码未命中而丢失的分组数量，因为前导码未被编码并因此不受保护。为了进一步减少前导码未命中，接收器使用一个ADSP-BF531 32位定时器作为看门狗，如果INT / LOCK信号在几个符号后没有出现，则会在RFS0上产生预期的脉冲。选择使用硬件机制来检索数据包同步标记，以便与使用软件分析和跟踪的完整实现相比，节省大量处理器MIPS。

真实应用 - 基于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稳健性。视频编解码器是具有智能，可靠的基于Blackfin处理器的无线调制解调器的应用的理想选择。考虑到ISM无线信道带宽的限制，需要相对高的图像/视频压缩比，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。遗憾的是，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 ，因为源编码过程会删除大部分冗余信息。对于诸如霍夫曼（Huffman）之类的一些有效熵编码器尤其如此，其中单个错误位使得原始数据不可能被解码。所需的误码率（BER）小于10-6对无线电提出了非常严格的要求，但可以通过使用如上所述的信道编码方案来实现。

极低的BER不能确保所有数据包都能被正确地进行熵解码。为了提高图像质量，如果分组中的太多重要位被破坏，则必须提供一些隐藏图像部分的机制。为此，每个数据包都是分开的，并分别进行熵编码。在检测到错误的段或块之后，丢弃其内容。根据丢失的信息，从相邻块的系数估计相应图像块的离散余弦变换（DCT）的dc和前两个ac系数。最终的低通2D 3×3去块滤波器级，旨在消除DCT阻塞伪像，有助于平滑产生的失真。

ADSP-BF531具有足够的功率来处理MJPEG编码或解码和频道FEC处理。帧大小不超过QCIF（176像素×144像素）且视频格式为4：2：2时无需外部存储器。较大的帧可能以外部SDRAM为代价，外部SDRAM也可用于存储压缩视频。这款成本极低的处理器可以通过其并行外设接口直接与CCIR-656兼容的低成本CMOS图像传感器或TFT显示器连接（参见“Blackfin处理器的并行外设接口简化便携式多媒体中的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。

原始数据速率为200 kbps时，可以通过ISM以大约4 QCIF 4：2：2彩色帧/秒（fps）的速率实现“基线”MJPEG传输，同时为语音留下20 kbps 。这对于简单的低成本消费类设备是可接受的，例如视频婴儿监视器，可视门铃或无线家庭安全摄像机。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。该应用的总物料清单（BOM）价格在75美元左右。 2.5英寸LCD TFT显示屏是最昂贵的部分。

图4所示系统框图对应的应用程序代码可从ArbosIngénierie获取（www.arbos-dsp.com ），ADI公司的法国DSP第三方合作伙伴。

结论

ADF7020 ISM频段收发器和ADSP-BF531 Blackfin处理器的独特组合展现了出色的无线电链路性能极具吸引力，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和新的TCP / IP友好Blackfin DSP处理器以及其他通道和源编码软件模块可以预期对此通信模型的进一步改进。