一種帶有自適應糾錯功能的通信射頻模塊控制電路

引言

隨著通信系統的進步，射頻模塊和基帶之間的數據速率大幅度提高[1]，控制射頻模塊的基帶信號包含AGC(自動增益調節)、APC(自動功率調節)和AFC(自動頻率調節)等信息。上述的增益、功率和頻率信息都是低誤碼率通信的基礎。

傳統解決誤碼率主要為兩種方式：前向糾錯碼(FEC)或自動重傳請求算法(ARQ)，FEC算法會占用相當大的帶寬；ARQ算法不會占用額外帶寬，但是會因為數據重傳請求及響應過程造成較大的時延[2]。其他算法，包括CRC校驗算法[7]等，也有較為廣泛的應用。

一個無線終端系統可分為3個部分：通信基帶模塊(以下簡稱 CBM)，射頻模塊控制電路(以下簡稱CRMCC)和通信射頻模塊(以下簡稱CRM)。如圖1所示，CBM負責信源編碼和信源解碼，CRMCC接收CBM的基帶控制信號(以下簡稱BCS)，生成射頻模塊控制信號(以下簡稱RFCS)，以RFCS控制通信射頻模塊(CRM)，并且向CBM返回信號接收回饋信息(以下簡稱SRCFM)。而射頻模塊(包括天線)在RMCS的控制下，接收基帶傳輸的通信數據，負責信道編碼與信道解碼。

BCS信號的錯誤模型分析及常見糾錯算法

一個標準的SPI時序信號[3～7]如圖2上半部分“正常SPI信號示意”所示，其中的DATA信號為最高有效位(以下簡稱MSB)優先傳輸，其中“原始DATA信號”電平所傳輸信號為8位二進制數據0b00101011(以十六進制表示為0x2B，以十進制表示為43)。

如圖2下半部所示，相對于同樣質量的DATA信號，由于CLK信號和～CS信號的錯位(相對DATA信號)，最高位的“0”沒有被采樣，由于DATA信號在其他時間保持在高電平，最后的采樣結果為8位二進制數據0b01010111(以十六進制表示為0x57，以十進制表示為87)。如果此數據用來控制射頻信號增益(功率)，則數據從43誤傳為87，對于功率信號，其增益將增加約15848倍(

)，這將對通信系統將造成非常嚴重的影響。

由于移動通信尤其是高速移動通信的特點，隨著終端和基站之間的距離和噪音因素的快速變換(進出樹木或水泥建筑)，AGC、APC和AFC參數都需要高頻率的修正設置。對于上述出現的傳輸錯誤和信號數值跳變，CRMCC必須做出及時而正確的反應。為解決基帶和射頻模塊之間的誤碼問題，當前主要采用兩種算法：FEC算法[1～4]與ARQ算法[2]。

ARQ算法有三種典型技術：停止等待方式(SW-ARQ)、回退N步方式(GBN-ARQ)以及選擇重傳方式(SRARQ)等。其中GBN-ARQ及SR-ARQ在一般環境下工作得相當好，但應用于射頻控制模塊尤其是下一代移動通信中時，收發切換的小時間間隔(LTE系統中為5ms)使得等待回傳數據很難實現，也限制了ARQ算法在未來應用中的實現[5]。

常見的FEC算法包括卷積碼、Turbo碼、LDPC碼和RS碼等。上述FEC碼在實際實現中使用的碼率通常為1/2、3/4等，也即其碼率為原始碼率的200%和133%，都需要占有大量額外的帶寬，對于信道有限的通信射頻控制模塊，亦較難實現[5]。

一種帶有自適應糾錯功能的通信射頻模塊控制電路

為解決上述射頻通信控制電路的誤碼問題，我們提出了一種帶有自糾錯功能的通信射頻模塊控制電路(CRMCC)。如圖3所示，本文提出的CRMCC在結構上包括：信號接收單元(以下簡稱SRU)、信號接收情況反饋單元(以下簡稱SRSFU)、信號閾值控制單元(以下簡稱STCU)、信號數值濾波單元(以下簡稱SVFU)、控制數值存儲單元(以下簡稱CVSU)、控制信號生成使能單元(以下簡稱CSGEU)和控制信號生成單元(以下簡稱CSGU)。

在下文中，我們將首先介紹本文提出的CMRCC架構中的各組成部分，然后對本文所提架構的處理流程做出介紹。

信號接收單元(SRU)內部包含相應基帶控制信號相應波形的解碼電路，對輸入的基帶控制信號進行接收并傳遞給SRSFU。信號接收情況反饋單元(SRSFU)對信號接收單元的接收情況進行監控，并將信號數值傳送給STCU，SRSFU同時接收來自STCU的信息(數值超出閾值信息)并反饋給基帶。

信號閾值控制單元(STCU)接收來自SRSFU的信號數值，單元內有初始化的閾值信息(包括信號數值比較閾值和信號誤差計數閾值)、信號誤差計數寄存器和數值緩存寄存器和比較單元。STCU在每次接收到有效數據后都會判斷當前數據是否使能，并通知CSGEU。此外，信號閾值控制單元還接收從SVFU寫入的濾波后數據存入緩存，以待下一次收到有效信號時與之對比。

數值信號濾波單元(SVFU)接收STCU傳送的數據，單元內部有濾波器單元。濾波器單元包括固定或可配置的系數單元。每次STCU接收到有效信號并傳輸至SCFU后，SVFU將讀取CVSU中的數據并逐個乘以對應系數并計算出濾波結果。信號數值濾波單元計算濾波結果后將數值存在CVSU中。

控制數值存儲單元(CVSU)提供了兩個讀寫端口，同時可供SVFU和CSGEU寫入和讀取數據。CVSU同時根據信號接收SRSFU的標示情況修正數值的存儲。控制信號生成使能單元(CSGEU)接收STCU給出的通知信號，若STCU通知當前信號使能，則CSGEU生成使能信號，反之則不生成使能信號。

控制信號生成單元(CSGU)包含相應通信射頻模塊所需控制信號生成電路，CSGU在每一周期讀取CVSU和CSGEU的信息，若CSGEU給出使能信號，則CSGU讀取CVSU中的相應數據并生成相應射頻控制信號。

綜上所述，CRMCC應該對數據錯誤和有效的數據跳變做出有效的區分和處理。在本文所提出架構中，上述處理主要是由SRSFU和STCU完成的。

本文提出的CRMCC處理流程分為四種：普通信號流程(簡稱流程A)，錯誤信號流程(簡稱流程B)，無效信號流程(簡稱流程C)和有效信號跳變流程(簡稱流程D)。流程B反映并處理了圖2所示的應被濾波的錯誤，流程D則反映了有效并應被迅速反映的數據跳變。本文所提的CRMCC判斷流程如圖4所示：SRSFU將首先判斷當前信號是否為有效信號，若無效則進入流程C；若當前信號有效，則檢查其當前數值(以下簡稱Curr_ V)、STCU中的緩存值(簡稱Buff_V)和STCU中的信號數值比較閾值(簡稱Tv)，若|Curr_V- Buff_V|≤Tv，則進入流程A，反之，則檢查信號誤差計數寄存器(簡稱STER)和STCU中的信號誤差計數閾值(簡稱Tsec)，若STER>Tsec，則進入流程D，反之使用流程B。

新架構CRMCC的處理結果如圖5和圖6所示，其中流程A、流程B和流程C如圖5所示。從圖5中可以看出，本文提出的CRMCC架構對錯誤的數據跳變(流程B)可以進行有效的濾波。若出現了錯誤的數據跳變(流程B)和無效數據(流程C)，CSGU都將被置于空閑狀態(如圖中所示IDLE)，不生成任何信號，保證了所控射頻模塊正常運行。

流程D如圖6所示。從圖6中可以看出，本文提出的CRMCC架構對有效數據跳變可以做出有效的辨認(如圖中D1～D7所示)，3～5個周期后即可對數據做出反應。

濾波器參數的自適應修正算法

CRMCC中的濾波器可被描述為：

F_result = a1 ×Cu_value + a2 ×buf1 + a3 × buf2 (1)

在(1)式中，F_result為濾波結果，Cu_value為當前數值，buff1為較新緩存，buff2為較早緩存。對濾波器的選擇代表了在濾波力度和數據更新率上的傾向性：若選擇a1更大，當前數值(Cu_value)將在濾波結果中占有更大權重，也即濾波器傾向于獲得更大的數據更新率；若選擇更大的a2和a3，buff1和buff2將在濾波結果中擁有更大權重，也即濾波器傾向于更大的濾波力度。

基于前述思路，本文提出了一種濾波器參數的自適應更新算法：首先設定統計周期(如40000個數據塊，長度5秒)、有效數據跳變技術錯誤率閾值(以下簡稱VERT)、初始值和各參數的修正步距。

有效數據的跳變(每個流程D計數，以下簡稱為C_VJ)和錯誤數據跳變(每個流程B計數，以下簡稱為C_ EJ)在統計周期中都將被計數。在每一個統計周期結束之后，濾波器參數將依照C_VJ和C_EJ的計數結果而得到修正[6]。

若(C_VJ / C_EJ

硬件消耗與性能比較

本文所提的新CRMCC架構與ARQ、FEC算法實現的性能與硬件消耗比較如表1所示。從表1可以得出：雖然本文提出的新CRMCC架構在理論誤碼糾錯率上無法接近100%(當Cu_value，buff1和buff2數值不同時，根據前述(1)式，濾波結果與Cu_value將會不同)，新CRMCC架構在零響應時間，不需要額外帶寬的條件下，達到了較好的射頻模塊控制性能。本文所提CRMCC架構因其算法精簡，在硬件消耗上優于FEC算法，并在帶寬消耗上優于ARQ算法。

結語

本文提出了一種新的應用于無線通信的射頻模塊控制電路(CRMCC)架構，新CRMCC架構可以對有效數據跳變和錯誤數據跳變進行有效區分，對AGC、APC和AFC均能作出有效響應。CRMCC架構在0響應時間，不需要額外帶寬的情況下，達到了較好的射頻模塊控制性能。

文中所述的濾波器模塊(SVFU)為CRMCC電路中的關鍵模塊，其參數的自適應修正算法將是未來研究中的重點。

參考文獻：

[1] 黎鎖平，劉存明，何志鵬.無線數據傳輸的GBN-ARQ和SR-ARQ系統試驗性能研究[J].信號處理，2009，25(3):384-388

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[3] 李忠橋，游小杰，鄭瓊林.單片機SPI通信中數據流的同步問題研究[J].單片機與嵌入式系統，2007，1:11–13

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[6] 劉振宇，周莉，陳杰.一種基于運動檢測的碼率控制算法[J].科學技術與工程，2010，10(20):4940-4948

[7] 高振，羅秋鳳.SPI接口與CRC算法在雙DSP數據通信中的應用[J].電子產品世界，2011，1-2月合刊:46-48