基于ARM自適應(yīng)均衡器的設(shè)計與實現(xiàn)*

王勇，朱曉榮，賈永興

(1.解放軍理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京210007；2.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003)

無線通信中，信號在非理想信道傳輸時總是存在失真，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)均衡器進行失真補償。自適應(yīng)均衡器一般由橫向濾波器組成，這是自適應(yīng)均衡器中最易實現(xiàn)的形式，也是實際應(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，逐漸取代了單片機技術(shù)，占據(jù)了絕大部分市場。在工業(yè)控制、移動設(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，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

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，通過多路選擇開關(guān)進行A/D轉(zhuǎn)換，進入主處理器。在主處理器調(diào)用LMS算法對采集的數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)均衡，處理后的數(shù)據(jù)通過LCD模塊顯示。系統(tǒng)自帶鍵盤，可以方便現(xiàn)場調(diào)試和算法參數(shù)調(diào)整。同時系統(tǒng)通過RS-232接口與上位機進行通信。

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，它是基于一個支持實施仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI－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，多個串行接口，1個8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個32位定時器。處理器可通過外部存儲器接口進行擴展。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 人機交互接口

控制器具有一個LCD接口，用于實時顯示采集的數(shù)據(jù)和經(jīng)過自適應(yīng)均衡后的數(shù)據(jù)，以方便工作人員現(xiàn)場調(diào)試和觀察設(shè)備運行。該接口可以支持圖形液晶。本系統(tǒng)采用128×64模組STN點陣圖形液晶模塊[10]。該模塊由列驅(qū)動器HD61202和行驅(qū)動器HD61203組成，可直接與8位CPU相接。兩個控制器原理基本相同，可以簡化顯示模塊的設(shè)計。

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{I?k}，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到允許誤差范圍內(nèi)，此時均衡器能夠使前后序列誤差最小，從而進入鎖定狀態(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)對信道碼間串?dāng)_的補償或抑制功能。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)，實際輸出為y(n)，濾波器系數(shù)為ωi(n)，(i=0，1，…，M-1)，則:

其中μ為收斂因子。

3 軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計中采用了搶占式實時多任務(wù)μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。此操作系統(tǒng)內(nèi)核具有簡潔、穩(wěn)定、實時性強等優(yōu)點，可以簡化應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，應(yīng)用程序易于維護。

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；軟件初始化主要創(chuàng)建一個任務(wù)，完成時鐘、中斷和通信模塊的啟動。

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個不同的優(yōu)先級任務(wù):系統(tǒng)監(jiān)控、AD采樣、鍵盤輸入、LCD顯示。其功能如圖4所示。

3.3 算法流程

為實現(xiàn)軟件的以上功能，利用C語言在ADS集成環(huán)境中編程實現(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 試驗結(jié)果

為驗證系統(tǒng)的有效性和可靠性，進行了算法驗證。首先采集500個數(shù)據(jù)并保存，然后進行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波形，下半部分為均衡后的輸出信號波形。從圖中可以看出，該算法均衡效果良好，達到了設(shè)計要求。

本系統(tǒng)以ARM7為平臺，設(shè)計了基于LMS算法的自適應(yīng)均衡器，消除了無線通信中的碼間干擾問題。系統(tǒng)體積小、功耗低、便攜性強。通過實驗驗證了系統(tǒng)的可靠性和有效性，具有一定的實用價值。

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