李明

（寶雞文理學院 電子電氣工程學院，陜西 寶雞721016）

大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)設計

李明

（寶雞文理學院 電子電氣工程學院，陜西 寶雞721016）

為了提高通信信號的穩(wěn)定采集性能，提出一種改進的大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)設計方法，系統(tǒng)主要包括AD模塊、模擬信號預處理模塊、收發(fā)轉換模塊、功率放大器、邏輯與譯碼控制模塊等，采用32位VME總線擴展技術構建無線通信信號的采集系統(tǒng)的可編程專用集成總線，選用MAX264芯片作為信號處理核心芯片，設計運算放大器完成無線終端智能通信信號的數(shù)模轉換，采用CPLD編程技術進行信號采集的數(shù)據鎖存并完成串并轉換，完成系統(tǒng)的硬件模塊化設計和集成電路開發(fā)。測試結果表明，該信號采集系統(tǒng)能實現(xiàn)大數(shù)據環(huán)境下的無線終端智能通信信號采集，輸出信號的信噪比較高，誤比特率較低，具有很好的抗干擾性能。

大數(shù)據；無線通信；信號采集；系統(tǒng)設計

無線終端智能通信信號采集是實現(xiàn)無線通信信通構建和信號傳輸?shù)谝徊?，信號采集模塊建立在傳感器基陣和陣列模塊基礎上，通過傳感器陣列采集到無線通信系統(tǒng)的物理信號和原始數(shù)據。在大數(shù)據環(huán)境下進行信號處理和數(shù)據加工，并通過數(shù)據記錄分析儀實現(xiàn)采集信號的數(shù)模轉換，采用標準化的軟件和硬件接口輸入到無線通信系統(tǒng)終端中，完成無線通信系統(tǒng)的總線系統(tǒng)硬件集成[1]。研究大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)在優(yōu)化無線通信質量，提高通信系統(tǒng)的保真性方面具有重要意義，相關的信號采集系統(tǒng)設計方法受到人們的極大重視。

信號采集系統(tǒng)建立在陣列信號分析和數(shù)據總線調度的基礎上，通過多傳感器陣列分布方式進行總線數(shù)據調度，結合嵌入式控制系統(tǒng)實現(xiàn)信號采集的多通道觸發(fā)[2]。傳統(tǒng)方法中，對大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號的采集方法主要是通過高速DSP信號處理系統(tǒng)進行數(shù)據的局部總線記錄，結合信號發(fā)生器和信號放大器完成無線通信信號的放大和濾波，并存儲在無線通信系統(tǒng)的終端寄存器中，文獻[3]中提出基于FPGA的雙CF卡數(shù)據采集系統(tǒng)設計方法，通過邏輯編程控制和嵌入式的DSP集成信號處理，實現(xiàn)對無線通信系統(tǒng)的物理信號（包括電信號、磁信號、機械信號）的實時采集，并進行了通信信號的頻譜分析，提取信號的譜特征量，提高了無線通信信號采集的實時性和集成性，但該系統(tǒng)在模塊式測試中容易出現(xiàn)自激振蕩，信號采集系統(tǒng)的抗干擾性不好；文獻[4]提出基于ARM和LabVIEW的網絡數(shù)據采集系統(tǒng)，數(shù)據采集的基本總線數(shù)據傳輸速率可達1Gbyte/sec，提高了無線通信系統(tǒng)的傳輸速率，系統(tǒng)可靠性高，但該系統(tǒng)設計中硬件電路的集成性不好，且通信信號輸出的誤碼較高。針對上述問題，本文提出一種改進的大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)設計方法，首先進行了無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)的總體設計，對系統(tǒng)的AD模塊、模擬信號預處理模塊、收發(fā)轉換模塊等功能模塊進行模塊化電路設計，采用CPLD編程技術進行系統(tǒng)的總線開發(fā)，在VisualDSP開發(fā)平臺上完成系統(tǒng)的集成設計，最后進行系統(tǒng)調試，測試該系統(tǒng)在優(yōu)化通信信號的采集性能、提高通信質量方面的優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)總體構架與功能結構分析

1.1 信號采集系統(tǒng)總體設計構架

為了實現(xiàn)大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集，首先分析系統(tǒng)的總體結構模型，通信信號采集系統(tǒng)設計主要包括硬件電路設計和通信信號采集系統(tǒng)軟件編程設計，通信信號采集系統(tǒng)的中斷模塊和電流調節(jié)模塊由上、下機位兩部分組成，通過A/D轉換器和D/A轉換器產生的高頻高壓電流作為通信信號采集系統(tǒng)的控制脈沖，進行多線程的無線通信信號采集和信息融合處理[5]。大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)采用高速A/D芯片AD9225進行通信信號調制，其采樣頻率為12 MHz，系統(tǒng)的分辨率為12位，采用單12 V供電作為通信信號采集系統(tǒng)的電源輸入，無線通信系統(tǒng)通信信號采集系統(tǒng)采用PCI總線控制概念，基于DSP高速信號處理技術實現(xiàn)對通信信號的高速調制解調處理，在檢波器中實現(xiàn)通信信號的自適應放大，采用FIR濾波器進行干擾抑制，根據上述設計原理，得到無線通信系統(tǒng)的信號輸入輸出模型如圖1所示。

圖1 無線通信系統(tǒng)的信號輸入輸出模型

無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)通過AD采樣輸出通信信號的時域波形，通過電壓、電流的自動調節(jié)，結合上電檢查電路進行總線控制，采用VIX總線技術進行上、下機位兩部分的集成控制，輸出的采集信號主要有CW、LFM、HFM等信號模式。根據上述設計原理描述，構建本文設計的大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)的總體構架結構框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體構架結構框圖

1.2 系統(tǒng)功能模塊分析和開發(fā)平臺描述

在信號采集系統(tǒng)采用STC89C52單片機控制D/A轉換器，選用高速A/D芯片AD9225進行信號采集控制系統(tǒng)的基線漂移控制，無線通信信號采集系統(tǒng)采用的是模塊化設計方法和嵌入式集成設計體系構架，采用32位VME總線擴展技術構建無線通信信號的采集系統(tǒng)的可編程專用集成總線，通過外部伽馬探頭作為信號傳感器，進行通信信號的數(shù)模轉換，構建并行外設接口（PPI），可實現(xiàn)16位無線通信總線數(shù)據的輸入輸出[6]。根據A/D的特點，采用ITU-656 PPI模式和通用PPI模式進行通信信號的內部觸發(fā)和無幀同步傳輸。在人機交互模塊中設置DMA參數(shù)，啟動PPI，在沒有外部FIFO下設計中斷電路和復位電路，可以在多條線路或多幀傳輸條件下完成無線終端智能通信信號采集[7]，由此構建大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)的功能結構框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的功能結構分析

根據圖3分析得知，系統(tǒng)采用4個換能器基陣進行通信信號的實時采樣，采集的無線通信信號經系統(tǒng)接收機進行放大、濾波、包絡檢波和調制解調處理后，使用有源晶振輸出可識別的無線通信信號，通過DSP控制二極管檢波電路進行無線通信控制器的AD采樣和信號轉換，設計基線漂移抑制模塊進行高壓調節(jié)，進行無線通信控制器的8通道模擬輸出調制。在硬件設計部分，采用低功耗的S3C2440作為邏輯控制處理器，通過DSP進行通信信號處理，實現(xiàn)無線智能通信信號采集和大數(shù)據分析。

2 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

根據對系統(tǒng)總體構架與功能結構分析，進行大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)的硬件模塊化設計，采用32位VME總線擴展技術構建無線通信信號的采集系統(tǒng)的可編程專用集成總線，通信信號的傳輸速率為40Mbyte/sec，以VME總線作為基礎架構，通過計算機操縱VXI附加總線，在局部總線中使兩個或多個模塊通信觸發(fā)消息基器件，消息基VXI總線器件實驗字符串協(xié)議（Word Serial Protocol）完成數(shù)據入（Data In）或數(shù)據出（Data Out）的信號讀寫功能[8-10]。選用MAX264芯片作為信號處理核心芯片，設計運算放大器完成無線終端智能通信信號的數(shù)模轉換，進行AD模塊、模擬信號預處理模塊、收發(fā)轉換模塊、功率放大器、邏輯與譯碼控制模塊的硬件設計，詳細描述如下：

1）AD模塊。系統(tǒng)的AD模塊完成無線通信信號的初始采樣功能，采用AD7655作為AD電路的集成芯片，AD采樣電路的輸入電壓范圍為0～5 V，在78M05和79M05的兩端采用三端電壓轉換器78M05和79M05完成無線通信信號的AD轉換，AD電路的輸入電壓為：

最高采樣率不小于100 kHz，滿足AD轉換的輸入電壓要求。信號采集系統(tǒng)的AD電路設計如圖4所示。

圖4 信號采集系統(tǒng)的AD電路設計

2）模擬信號預處理模塊。模擬信號預處理模塊完成通信信號的濾波、放大、倍頻、檢波功能，通過IO引腳來啟動AD轉換，通過BUSY信號的狀態(tài)通知CPU讀走轉換完的數(shù)據，當A/B為高時，AD7655的BUSY信號高變低，定時器能準確的控制AD輸入電壓，在模擬信號預處理機中進行通信信號的包絡檢波，將SER/PAR引腳接地，外接2.5 V的參考電壓，進行無線通信信號的同步采樣，采樣速率最高可達1MSPS，當A0為低時，無線通信信號采集系統(tǒng)的AD7655外接2.5 V的參考電壓，在數(shù)據采集中，TMS320VC5509A的DMA引發(fā)DMA傳送中斷信號，實現(xiàn)無線通信信號的放大濾波，由此得到模擬信號預處理模塊的硬件電路設計如圖5所示。

圖5 模擬信號預處理模塊電路設計

3）收發(fā)轉換模塊。信號收發(fā)轉換模塊選用MAX264芯片作為信號處理核心芯片，根據技術指標要求，DA接口作為收發(fā)轉換模塊的串行輸出接口。DA轉換后通過2片AD5545芯片來組成DA收發(fā)轉換電路，輸出的無線通信中斷電流信號通過運算放大器AD8674完成數(shù)字地和模擬地的接地功能，當MSB=‘1’時，信號采集系統(tǒng)的AD5545采用單+5V供電，輸出的復位信號為串行輸入信號（SDI）和時鐘（CLK）信號，并設計運算放大器完成無線終端智能通信信號的數(shù)模轉換，輸出的VAA為+5V電壓，AD5545的串行輸入數(shù)據通過CPLD編程完成AD通信信號的數(shù)模轉換和無線收發(fā)，由此構建收發(fā)轉換電路如圖6所示。

圖6 信號收發(fā)轉換模塊設計

4）功率放大器。功率放大模塊是實現(xiàn)大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)輸出信號的功率放大功能[14]。通過VHDL編程進行信號采集的數(shù)據鎖存，結合CPLD編程技術將DSP發(fā)送的大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信并行數(shù)據進行模塊化并行處理，在DA輸出端加濾波器，得到功率放大模塊的信號放大時序圖如圖7所示。

5）邏輯與譯碼控制模塊。邏輯與譯碼控制模塊采用CPLD編程進行無線通信信號的邏輯與譯碼控制，譯碼控制的主頻可達160 M/MIPS，片內尋址頻率為32 K（地址范圍 0080H～7FFFH），AD5545的串行輸出數(shù)據線為D0～D7，通過HP E1433A采集無線通信終端的各通道數(shù)據[15]，輸出數(shù)據為16位垂直精度，信號串并轉換的速率為1 200 Bit/s，在數(shù)字觸發(fā)調試中，邏輯與譯碼控制模通過信號源產生TTL電平的脈沖，使用HP E1433A改變外觸發(fā)脈沖的觸發(fā)總線，并將所有采集數(shù)據存儲到一個文件里，實現(xiàn)信號回放。

圖7 功率放大模塊的信號放大時序圖

最后通過電路集成設計，得到本文設計的大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)集成電路[16]如圖8所示。

圖8 大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)

3 系統(tǒng)測試分析

為了測試文中設計系統(tǒng)在實現(xiàn)大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集中的可行性，進行系統(tǒng)調試和實驗分析，設計用戶界面，將采集的信號通過數(shù)據流盤實時記錄無線通信數(shù)據，并傳輸?shù)街骺赜嬎銠C中，人機交互界面的控件重要包括了采集日期和時間、信號的采集通道、數(shù)據采樣率等信息，設置數(shù)據文件名，在默認情況下，信號源產生1 kHz的4種不同波形，將所有采無線通信信號存儲到一個文件里，并在4個通道的監(jiān)視窗口中查看信號采集結果，設計信號采樣率為50 kHz，ADC時鐘為5 000，觸發(fā)電平為3 V，信號采集的參數(shù)設置面板如圖9所示，信號采集輸出如圖10所示。

圖9 信號采集的參數(shù)設置界面

圖10 4通道監(jiān)視窗口輸出的信號采集結果

分析圖10得知，采用本文系統(tǒng)進行通信信號采集，能準確輸出采集信號，信噪比較高，輸出的誤比特率為0.001 2，說明信號輸出的抗干擾性能較強，具有較好的信號采集性能。

4 結束語

文中提出一種改進的大數(shù)據環(huán)境下無線終端智能通信信號采集系統(tǒng)設計方法，進行系統(tǒng)的模塊化設計和集成電路設計[17]，主要對AD模塊、模擬信號預處理模塊、收發(fā)轉換模塊、功率放大器、邏輯與譯碼控制模塊等電路模塊進行詳細設計描述，選用MAX264芯片作為信號處理核心芯片，設計運算放大器完成無線終端智能通信信號的數(shù)模轉換，采用CPLD編程技術進行信號采集的數(shù)據鎖存并完成串并轉換，實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件開發(fā)。研究結果表明，該信號采集系統(tǒng)能實現(xiàn)大數(shù)據環(huán)境下的無線終端智能通信信號采集，輸出信號的信噪比較高，誤比特率較低，具有很好的抗干擾性能，能有效實現(xiàn)通信信號采集和輸出。

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Design of intelligent communication signal acquisition system for wireless terminal in large data environment

LI Ming
（Department Electronics and Electric Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016，China）

In order to improve the stability of the acquisition performance of communication signals， alarge data environment of wireless terminal intelligent communication signal acquisition system design method， the system mainly includes AD module， analog signal pretreatment module， transceiver conversion module， power amplifier， system logic and decoding control module， using 32 bit VME bus extension construction the wireless communication technology of the signal acquisition system programmableappropriation integrated bus， using MAX264 chip as the core of signal processing chip，the design of operational amplifier to complete analog wireless terminal intelligent communication signal conversion， signal acquisition using CPLD programming technology and complete the data latch and string conversion， complete modular design of hardware system and integrated circuit developed. Test results show that the system can realize the wireless signal acquisition terminal intelligent communication signal acquisition under the big data environment， output The signal-to-noise ratio of the signal is high and the bit error rate is low， so it has good anti-interference performance.

big data； wireless communication； signal acquisition； system design

TN912

A

1674－6236（2017）16-0094-05

2017-01-23稿件編號：201701153

寶雞文理學院重點項目資助（ZK16122）；寶雞市科技計劃項目（16RKX1-9）

李 明（1982—），男，陜西寶雞人，碩士研究生，講師。研究方向：通信與信息系統(tǒng)。