基于A(yíng)RM自適應均衡器的設計與實(shí)現

無(wú)線(xiàn)通信中，信號在非理想信道傳輸時(shí)總是存在失真，具體表現為碼間干擾[1，2]。為降低干擾，通常在接收端采用自適應均衡器進(jìn)行失真補償。自適應均衡器一般由橫向濾波器組成，這是自適應均衡器中最易實(shí)現的形式，也是實(shí)際應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，具有高速度、高精度和智能化等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了單片機技術(shù)，占據了絕大部分市場(chǎng)。在工業(yè)控制、移動(dòng)設備、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，構建了基于ARM7的自適應均衡器。

1 系統設計

自適應均衡器系統框圖如圖1所示。


1.1 系統功能

采集的模擬數據經(jīng)調理后，通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行A/D轉換，進(jìn)入主處理器。在主處理器調用LMS算法對采集的數據進(jìn)行自適應均衡，處理后的數據通過(guò)LCD模塊顯示。系統自帶鍵盤(pán)，可以方便現場(chǎng)調試和算法參數調整。同時(shí)系統通過(guò)RS-232接口與上位機進(jìn)行通信。

1.2 ARM微處理器

本系統采用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。

該處理器結構主要包括8 KB的片內RAM，多個(gè)串行接口，1個(gè)8位A/D轉換器，2個(gè)32位定時(shí)器。處理器可通過(guò)外部存儲器接口進(jìn)行擴展。這些功能結構使LPC2131特別適用于工業(yè)控制和醫療系統。

1.3 人機交互接口

控制器具有一個(gè)LCD接口，用于實(shí)時(shí)顯示采集的數據和經(jīng)過(guò)自適應均衡后的數據，以方便工作人員現場(chǎng)調試和觀(guān)察設備運行。該接口可以支持圖形液晶。本系統采用128×64模組STN點(diǎn)陣圖形液晶模塊[10]。該模塊由列驅動(dòng)器HD61202和行驅動(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)化顯示模塊的設計。

2 算法原理

線(xiàn)性均衡器結構如圖2所示。其中濾波器可以采用FIR或IIR結構。由于IIR濾波器存在不穩定性問(wèn)題，因此采用FIR濾波器，其結構如圖3所示。

工作原理為：發(fā)方首先發(fā)送一訓練序列，收方收到經(jīng)信道已失真的序列，再經(jīng)濾波器得到，以此序列與訓練序列相減得到誤差εk，將誤差輸入自適應算法模塊，根據算法不斷調整濾波器系數，直到誤差接近最小或達到允許誤差范圍內，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)。此后就不再需要訓練序列，這樣均衡器就能夠實(shí)現對信道碼間串擾的補償或抑制功能。目前最常用的自適應算法是最小均方誤差算法，即LMS算法。它是一種易于實(shí)現、性能穩健、應用廣泛的算法。依據原理框圖和均方誤差原則，可以得到LMS算法如下：設濾波器的輸入為x(n)，理想輸出為d(n)，實(shí)際輸出為y(n)，濾波器系數為ωi(n)，(i=0，1，…，M-1)，則：


3 軟件設計

在軟件設計中采用了搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)μC/OS-Ⅱ操作系統。此操作系統內核具有簡(jiǎn)潔、穩定、實(shí)時(shí)性強等優(yōu)點(diǎn)，可以簡(jiǎn)化應用系統設計，使整個(gè)系統結構簡(jiǎn)潔，應用程序易于維護。

3.1 初始化函數

完成系統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，為系統正常工作做好準備；軟件初始化主要創(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 系統任務(wù)

本系統根據任務(wù)的重要性，分為4個(gè)不同的優(yōu)先級任務(wù):系統監控、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)現軟件的以上功能，利用C語(yǔ)言在A(yíng)DS集成環(huán)境中編程實(shí)現基于LMS算法的自適應均衡器算法。其算法流程如圖5所示。


4 試驗結果

為驗證系統的有效性和可靠性，進(jìn)行了算法驗證。首先采集500個(gè)數據并保存，然后進(jìn)行LMS自適應均衡，得到如圖6所示的結果。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，達到了設計要求。

本系統以ARM7為平臺，設計了基于LMS算法的自適應均衡器，消除了無(wú)線(xiàn)通信中的碼間干擾問(wèn)題。系統體積小、功耗低、便攜性強。通過(guò)實(shí)驗驗證了系統的可靠性和有效性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。