基于嵌入式的远程通信信号发生器的设计

摘 要： 设计远程通信信号发生器实现通信信号的采集、滤波、检波、放大、调制与接收，提出基于嵌入式技术的远程通信信号发生器设计方案。信号发生器主要包括了通信基阵模块、收发转换电路模块、通信信号滤波及检波电路模块、信号放大处理模块、信号调制解调模块以及接收机设计等。采用嵌入式控制器PXI⁃8155对通信信号发生器的各模块进行串口、并口及GPIB接口的总线设计，实现远程通信信号发生器的嵌入式集成总线优化设计。对信号发生器进行通信信号传输处理分析，实验结果表明，该远程通信信号发生器能有效提高信号的稳定准确传输能力，降低通信信号传输的误比特率。

关键词： 嵌入式信号发生器； 远程通信； 信号调制； 信号采集

中图分类号： TN782⁃34； TN911 文献标识码： A 文章编号： 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

電讯技术和计算机技术发展促进了远程通信技术的进步，信号处理技术为远程通信提供了强大的技术支持，人们通过远程通信实现声音、图像、文本等信号与信息的传输和传递，为人们的生产生活提供便利[1]。在远程通信系统中，通信质量受到信道的多径及衰落的影响，导致信号传输过程中容易出现误码和失真，需要进行远程通信信号发生器的优化设计，提高远程通信信号传输的可靠性。信号发生器的设计是一个信号的采集、处理和接收的过程，在信号发生器中对通信信号采用频移键控（FSK）[2]、相移键控（PSK）等调制解调方法[3]，进行信号放大滤波，并输出准确的通信信号，改善通信质量。本文针对传统的远程通信信号发生器存在信号传输失真和输出误码等问题，提出基于嵌入式技术的远程通信信号发生器设计优化方案。首先进行了系统的总体设计构架，然后进行信号发生器的功能模块硬件设计，采用嵌入式PXI⁃8155总线控制技术进行集成设计，最后进行信号传输测试分析，得出有效性结论。

1 信号发生器工作原理与总体设计

远程通信信号发生器是对远程通信系统发射的信号进行相干检测和信号处理，选择合适的信号调制、解调方法，在远程通信系统的发射、接收设计中，结合自适应均衡和波束形成方法[4]，进行信号的相关性检测和编码设计。采用信道均衡技术来纠正加性干扰，提高信号输出的信噪比，以FSK调制为基础进行信号调频设计。在通信信号接收的过程中实现信号的采集、滤波、检波、放大、调制与接收。信号发生器的主要结构模块如图1所示。

图1描述了远程通信系统信号发生器的工作原理和主要结构模块。根据上述设计原理，进行远程通信信号发生器的总体设计。

在远程通信系统中，对输出的通信信号采用非相干检测方法进行通信信号的能量收集，采用嵌入式的ESSH和SSSDV技术提高信号收集的效率[5]。设计的信号发生器的信号采集模块采用的是MAX4685芯片为核心的声换能器基阵，通信基阵模块实现通信信号的电声﹑声电转换。基阵接收的远程通信信号通过调制解调电路和模拟信号预处理机进行放大和调制解调，输出端输出幅度稳定的通信信号。在信号发生器的逻辑控制子系统中，设计DSP信号处理器控制A/D转换进行信号的倍频采样，进行采集、处理与上位机通信，DSP控制D/A转换器进行通信信号滤波，然后采用倍频电路进行信号放大和检波处理[6]，对检波输出信号采用信号调制解调器进行调制解调，输出高、低电压至继电器。在DSP中，输出多路回波信号到功率放大器，DSP接收信号发生器的PCI总线传输的通信信号进行嵌入式控制，通过PCI总线发送采样数据或处理结果到PC机实时显示。

根据上述设计过程，得到本文设计的远程通信系统信号发生器的总体结构框图如图2所示。

2 信号发生器的系统模块化设计

根据上述分析的远程通信系统信号发生器工作原理和总体设计结构构架。结合图2所示的总体结构进行信号发生器的硬件设计。本文设计的远程通信系统的信号发生器的硬件模块主要包括了通信基阵模块、收发转换电路模块、通信信号滤波及检波电路模块、信号放大处理模块、信号调制解调模块以及接收机设计等。

2.1 通信基阵模块设计

信号发生器的通信基阵模块主要采用的是4个压电陶瓷换能器构建信号采集和发生的圆柱形基阵[7]，换能器采用连续线阵和两点源阵自称电⁃声转换模型，通信基阵模块需要满足功率容量大、电声效率高的设计需求，换能器在水平方向没有指向性，通过两级阵的通信电磁场互相耦合，构建信号发生器的输出转换基阵，得到信号通信基阵的圆柱换能器剖面图如图3所示。

图3中在xOy平面内，圆柱换能器作为信号发生器系统基阵的基本阵元，远程通信信号通过传感器采集的通信信号通过信号放大电路进行信号滤波放大，负载（阵元）为[Z∠φ]，随输出电流的增大，输出电流幅值收敛于[Im=VmZ=VS-VCEZ]，结合图3得到通信基阵的方向性函数为：

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

式中：H为通信基阵换能器的高度；D为信号发生器的换能基阵的外径；[λ]为波长。频带范围内信号的传输功率增益和输入电功率的比值：

[η=10PL-WL-DI-170.710] （2）

式中：PL为换能器的阻抗；WL为输入功率级；DI为信号发上期的基阵的指向性指数。由此得到信号发生器的基阵模块供电效率ηE和运放耗散功率PD分别为：[ηE=PLPE=0.56⋅cosφ] （3）

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

式中：[ηD=PDPE=0.44]；在额定电流时，VCE一般在10 V左右。

通过上述设计，构建串联调谐等效电路，通过CRC 校验来进行信号传输的稳定性检查。

2.2 收发转换电路模块设计

收发转换电路主要作用是根据信号的大小自动调整系统的放大倍数，将信号发生器采样的远程通信信号进行数字FIR滤波，把RC积分器输出的直流信号放大，进行电源供电的端口分配。

根据采样通道数、信号脉宽，采用运算放大器电路构建收发转换电路模块的同相放大器，信号发生器的接收机的有效频率范围为100～2 000 Hz，采用两个8阶的带通滤波器级联构建一个16阶的数字FIR滤波器，FIR滤波器为一个双列直插式开关电容低通滤波，低通截止频率[fc]的变化范围为 40～20 kHz，利用阻抗分析仪测得系统频带内最大发射电压响应级，结合窄带阵元串联调谐和并联调谐的特点[8]，降低射频干扰，得到收发转换电路模块设计如图4所示。

图中，将TRF7960的I/O_0～I/O_7作為输出电源的端口，信号输出端与GPIO口相连接，通过上述设计，确定了适合远程通信的宽带阵元电匹配网络结构模型，选择合适的功放管进行嵌入式控制，提高信号发生器的输出增益。

2.3 通信信号滤波检波及放大处理模块

对信号发生器的滤波、检波和放大模块进行集成设计，采用普通的二极管检波电路进行远程通信信号的检波处理，将二极管接在运算放大器的反馈电路，采用ADUM1201和PCA82C250设计线性检波电路，通过一个5[Ω]电阻与CAN总线相连，设计功率放大的D/A转换接口。接收功率放大信号进入 BWP08 的SIN引脚控制D/A转换器工作，在ARM⁃Linux 平台下通过 UART 接口实现节点高低电平直接控制，为了二极管检波电路中的非线失真[9]，在Windows CE5.0/6.0系统程序保护下，进行信号放大处理，采用8阶高通滤波器（S3529）和一个

8阶低通滤波器（S3528）并联方法设计数字隔离器，输出电压[Vo]为电源导通状态下的电压增益，在过流过压保护设计中选择：[C1=C2=C]，[R1=R2=R]，利用二极管[D1]的非线性特性进行增益控制，信号经过R1向C1两端积累，自动控制增益频率点满足[ωn=25 kHz]，[G0=2]，负载功率的增益（1～1 000），此时信号放大倍数为：

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

式中：[NFi]为第i级的窄带阻抗匹配系数；运算放大器AD620失真度为[-120 dB@20 kHz]；电压幅值为[ηE=PLPE=0.56⋅cosφ]，通过上述设计原理，得到通信信号滤波检波及放大处理模块的电路设计如图5所示。

2.4 信号调制解调模块及信号接收机模型

远程通信系统的信号调制解调模块采用数字增益控制方法进行FSK调制设计，选用程控放大器VCA810作为调制解调电路的主控芯片。考虑到远程通信系统的自激噪声干扰和码间干扰，还需要进行干扰抑制，采用三级放大增益控制提供8通道模拟输出，由Mux101多路开关连接在信号路由上进行MIMO可编程控制，通过外部I/O接口上引入外部参考电压，输出一个特定内部时间信号，接收到的扩频信号经高放和混频处理后，由外部源来控制时钟和触发总线[10]。采用PXI的10 MHz时钟作为调制解调的中断，降低了进入信号通频带内的干扰，扩频系统通过相关接收，使进入信号频带内的干扰功率降低，提高了远程通信系统的信号接收性能，由此设计的信号调制解调器和信号接收机，设计结果如图6所示。

3 嵌入式总线设计及信号测试分析

最后采用嵌入式控制器PXI⁃8155对通信信号发生器的各模块进行串口、并口及GPIB接口的总线设计，实现远程通信信号发生器的嵌入式集成总线优化设计。PXI总线内部系统使用10 MHz时钟作为集成总线RTSI0～7路由端口，由PXI⁃6713采集卡配置的数据流和时间信号连接的传输缓冲区，启动远程通信信号发生器后，检测到外部触发信号，当到达缓冲区的脉冲宽度，输出信号的更新率时钟，配置PXI⁃6713的计数器，实现远程通信信号发生器的嵌入式集成总线优化设计。为了测试本文设计的远程通信系统信号发生器的性能，进行信号发射和接收的性能分析，首先测试信号发生器的高通滤波和低通滤波的响应性能，得到滤波特性曲线如图7所示。以信号的输出误比特率为测试指标分析信号发生器的远程通信信号传输能力，干扰信噪比为-10～30 dB，得到测试结果如图8所示。

分析图7结果得知，采用本文设计的信号发生器，能有效滤除信号远程通信中的干扰，高通滤波的衰减特性为22.1 dB，低通滤波的衰减特性为20.9 dB，有效满足远程通信的信号传输和接收的技术需求。分析图8结果得知，采用本文方法进行信号远程通信传输，有效降低了误比特率，提高了信号传输的准确收发质量。

4 结 语

本文提出基于嵌入式技术的远程通信信号发生器设计方案。信号发生器主要包括了通信基阵模块、收发转换电路模块、通信信号滤波及检波电路模块、信号放大处理模块、信号调制解调模块以及接收机设计等。采用嵌入式控制器PXI⁃8155对通信信号发生器的各模块进行串口、并口及GPIB接口的总线设计，实现远程通信信号发生器的嵌入式集成总线优化设计。对信号发生器进行通信信号传输处理分析，实验结果表明，该远程通信信号发生器能有效提高信号的稳定准确传输能力，降低通信信号传输的误比特率，改善了通信质量。

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