基于ARM自適應(yīng)均衡器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無(wú)線通信中，信號(hào)在非理想信道傳輸時(shí)總是存在失真，具體表現(xiàn)為碼間干擾[1，2]。為降低干擾，通常在接收端采用自適應(yīng)均衡器進(jìn)行失真補(bǔ)償。自適應(yīng)均衡器一般由橫向?yàn)V波器組成，這是自適應(yīng)均衡器中最易實(shí)現(xiàn)的形式，也是實(shí)際應(yīng)用比較廣泛的一種方法[3-5]。

ARM作為嵌入式的主流核心架構(gòu)，具有高速度、高精度和智能化等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了單片機(jī)技術(shù)，占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)。在工業(yè)控制、移動(dòng)設(shè)備、智能儀表、信息家電和網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[6-9]。

本文利用ARM的高速度、高精度和低功耗優(yōu)點(diǎn)，采用μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，構(gòu)建了基于ARM7的自適應(yīng)均衡器。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自適應(yīng)均衡器系統(tǒng)框圖如圖1所示。


1.1 系統(tǒng)功能

采集的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)理后，通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)入主處理器。在主處理器調(diào)用LMS算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)均衡，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD模塊顯示。系統(tǒng)自帶鍵盤(pán)，可以方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和算法參數(shù)調(diào)整。同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)RS-232接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。

1.2 ARM微處理器

本系統(tǒng)采用Philips公司生產(chǎn)的LPC2131微處理器，它是基于一個(gè)支持實(shí)施仿真和跟蹤的16/32位ARM7TD-
MI－S CPU的微處理器，具有高性能和低功耗的特性。

該處理器結(jié)構(gòu)主要包括8 KB的片內(nèi)RAM，多個(gè)串行接口，1個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)32位定時(shí)器。處理器可通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口進(jìn)行擴(kuò)展。這些功能結(jié)構(gòu)使LPC2131特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)。

1.3 人機(jī)交互接口

控制器具有一個(gè)LCD接口，用于實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)自適應(yīng)均衡后的數(shù)據(jù)，以方便工作人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和觀察設(shè)備運(yùn)行。該接口可以支持圖形液晶。本系統(tǒng)采用128×64模組STN點(diǎn)陣圖形液晶模塊[10]。該模塊由列驅(qū)動(dòng)器HD61202和行驅(qū)動(dòng)器HD61203組成，可直接與8位CPU相接。兩個(gè)控制器原理基本相同，可以簡(jiǎn)化顯示模塊的設(shè)計(jì)。

2 算法原理

線性均衡器結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中濾波器可以采用FIR或IIR結(jié)構(gòu)。由于IIR濾波器存在不穩(wěn)定性問(wèn)題，因此采用FIR濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

工作原理為：發(fā)方首先發(fā)送一訓(xùn)練序列，收方收到經(jīng)信道已失真的序列，再經(jīng)濾波器得到，以此序列與訓(xùn)練序列相減得到誤差εk，將誤差輸入自適應(yīng)算法模塊，根據(jù)算法不斷調(diào)整濾波器系數(shù)，直到誤差接近最小或達(dá)到允許誤差范圍內(nèi)，此時(shí)均衡器能夠使前后序列誤差最小，從而進(jìn)入鎖定狀態(tài)。此后就不再需要訓(xùn)練序列，這樣均衡器就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信道碼間串?dāng)_的補(bǔ)償或抑制功能。目前最常用的自適應(yīng)算法是最小均方誤差算法，即LMS算法。它是一種易于實(shí)現(xiàn)、性能穩(wěn)健、應(yīng)用廣泛的算法。依據(jù)原理框圖和均方誤差原則，可以得到LMS算法如下：設(shè)濾波器的輸入為x(n)，理想輸出為d(n)，實(shí)際輸出為y(n)，濾波器系數(shù)為ωi(n)，(i=0，1，…，M-1)，則：


3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中采用了搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。此操作系統(tǒng)內(nèi)核具有簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，應(yīng)用程序易于維護(hù)。

3.1 初始化函數(shù)

完成系統(tǒng)硬件和軟件初始化工作。其中硬件初始化工作包括中斷、鍵盤(pán)和顯示初始化，為系統(tǒng)正常工作做好準(zhǔn)備；軟件初始化主要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)任務(wù)，完成時(shí)鐘、中斷和通信模塊的啟動(dòng)。

3.2 系統(tǒng)任務(wù)

本系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)的重要性，分為4個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)任務(wù):系統(tǒng)監(jiān)控、AD采樣、鍵盤(pán)輸入、LCD顯示。其功能如圖4所示。


3.3 算法流程

為實(shí)現(xiàn)軟件的以上功能，利用C語(yǔ)言在ADS集成環(huán)境中編程實(shí)現(xiàn)基于LMS算法的自適應(yīng)均衡器算法。其算法流程如圖5所示。


4 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和可靠性，進(jìn)行了算法驗(yàn)證。首先采集500個(gè)數(shù)據(jù)并保存，然后進(jìn)行LMS自適應(yīng)均衡，得到如圖6所示的結(jié)果。圖中上半部分為帶噪聲的原始輸入信號(hào)波形，下半部分為均衡后的輸出信號(hào)波形。從圖中可以看出，該算法均衡效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

本系統(tǒng)以ARM7為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于LMS算法的自適應(yīng)均衡器，消除了無(wú)線通信中的碼間干擾問(wèn)題。系統(tǒng)體積小、功耗低、便攜性強(qiáng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和有效性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。