基于ARM自适应均衡器的设计与实现
无线通信中,信号在非理想信道传输时总是存在失真,具体表现为码间干扰[1,2]。为降低干扰,通常在接收端采用自适应均衡器进行失真补偿。自适应均衡器一般由横向滤波器组成,这是自适应均衡器中最易实现的形式,也是实际应用比较广泛的一种方法[3-5]。
ARM作为嵌入式的主流核心架构,具有高速度、高精度和智能化等优点,逐渐取代了单片机技术,占据了绝大部分市场。在工业控制、移动设备、智能仪表、信息家电和网络通信等领域有广泛的应用[6-9]。
本文利用ARM的高速度、高精度和低功耗优点,采用μC/OS-Ⅱ系统,构建了基于ARM7的自适应均衡器。
1 系统设计
自适应均衡器系统框图如图1所示。
1.1 系统功能
采集的模拟数据经调理后,通过多路选择开关进行A/D转换,进入主处理器。在主处理器调用LMS算法对采集的数据进行自适应均衡,处理后的数据通过LCD模块显示。系统自带键盘,可以方便现场调试和算法参数调整。同时系统通过RS-232接口与上位机进行通信。
1.2 ARM微处理器
本系统采用Philips公司生产的LPC2131微处理器,它是基于一个支持实施仿真和跟踪的16/32位ARM7TD-
MI-S CPU的微处理器,具有高性能和低功耗的特性。
该处理器结构主要包括8 KB的片内RAM,多个串行接口,1个8位A/D转换器,2个32位定时器。处理器可通过外部存储器接口进行扩展。这些功能结构使LPC2131特别适用于工业控制和医疗系统。
1.3 人机交互接口
控制器具有一个LCD接口,用于实时显示采集的数据和经过自适应均衡后的数据,以方便工作人员现场调试和观察设备运行。该接口可以支持图形液晶。本系统采用128×64模组STN点阵图形液晶模块[10]。该模块由列驱动器HD61202和行驱动器HD61203组成,可直接与8位CPU相接。两个控制器原理基本相同,可以简化显示模块的设计。
2 算法原理
线性均衡器结构如图2所示。其中滤波器可以采用FIR或IIR结构。由于IIR滤波器存在不稳定性问题,因此采用FIR滤波器,其结构如图3所示。
工作原理为:发方首先发送一训练序列,收方收到经信道已失真的序列,再经滤波器得到,以此序列与训练序列相减得到误差εk,将误差输入自适应算法模块,根据算法不断调整滤波器系数,直到误差接近最小或达到允许误差范围内,此时均衡器能够使前后序列误差最小,从而进入锁定状态。此后就不再需要训练序列,这样均衡器就能够实现对信道码间串扰的补偿或抑制功能。目前最常用的自适应算法是最小均方误差算法,即LMS算法。它是一种易于实现、性能稳健、应用广泛的算法。依据原理框图和均方误差原则,可以得到LMS算法如下:设滤波器的输入为x(n),理想输出为d(n),实际输出为y(n),滤波器系数为ωi(n),(i=0,1,…,M-1),则:
3 软件设计
在软件设计中采用了抢占式实时多任务μC/OS-Ⅱ操作系统。此操作系统内核具有简洁、稳定、实时性强等优点,可以简化应用系统设计,使整个系统结构简洁,应用程序易于维护。
3.1 初始化函数
完成系统硬件和软件初始化工作。其中硬件初始化工作包括中断、键盘和显示初始化,为系统正常工作做好准备;软件初始化主要创建一个任务,完成时钟、中断和通信模块的启动。
3.2 系统任务
本系统根据任务的重要性,分为4个不同的优先级任务:系统监控、AD采样、键盘输入、LCD显示。其功能如图4所示。
3.3 算法流程
为实现软件的以上功能,利用C语言在ADS集成环境中编程实现基于LMS算法的自适应均衡器算法。其算法流程如图5所示。
4 试验结果
为验证系统的有效性和可靠性,进行了算法验证。首先采集500个数据并保存,然后进行LMS自适应均衡,得到如图6所示的结果。图中上半部分为带噪声的原始输入信号波形,下半部分为均衡后的输出信号波形。从图中可以看出,该算法均衡效果良好,达到了设计要求。
本系统以ARM7为平台,设计了基于LMS算法的自适应均衡器,消除了无线通信中的码间干扰问题。系统体积小、功耗低、便携性强。通过实验验证了系统的可靠性和有效性,具有一定的实用价值。
![](http://m.amcfsurvey.com/webstorage/images/2014/m/wx.png)
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