CN104902589B - 基于wia-pa无线网关的数字信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于WIA‑PA无线网关的数字信号处理方法，包括以下步骤：将接收的射频信号进行采样并通过数字控制振荡器得到无线信号；对无线信号进行功率控制和信道选择，根据选择的信道进行干扰抑制处理；再依次通过位同步、OQPSK解调、OQPSK解扩得到接收到的原始数据。本发明能更好的抑制干扰，提升WIA‑PA工业网络的无线环境适应能力；避免大量的人工勘测与调试工作。并通过位同步方法可以最大程度恢复原始信号，即便受到干扰，也能通过相关检测恢复原始信号。

Description

基于WIA-PA无线网关的数字信号处理方法

技术领域

本发明属工业物联网领域，具体地说是一种应用于工业控制系统中的工业无线网关能够自适应变频数字基带干扰抑制的数字信号处理方法。

背景技术

WIA-PA工业无线网络与WLAN、蓝牙设备工作在2.4G的公共频率上，受到的干扰也由此增大；其低功耗的特点决定了其在工作时节点模块的发射功率通常小于100mW，加之其工作频点带宽为5MHz，更不利于信号的无损传输。

WIA-PA工业无线网络工作带宽为83.5MHz，大多数ADC无法满足如此宽的采样带宽；即便满足，成本的增加也是难以令人接受的。物理层协议处理全部由IC完成，扩展性以及系统适应及功能的可扩展性差。

目前业界的没有类似数字基带干扰抑制技术，必须通过物理层芯片本身集成的滤波器进行滤波，可这个滤波器的性能并不能满足复杂现场的应用，在组网前后均需要大量的人工勘测与调试工作，不仅效率低，而且效果并不显著，并且已经有很多失败的应用案例。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的在于实现WIA-PA无线网关全数字化处理，提升无线网关的抗干扰能力及集成度，提供一种用于网关的高带宽、可靠性实时性好、灵活性高的基带WIA-PA数字信号处理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于WIA-PA无线网关的数字信号处理方法，包括以下步骤：

将接收的射频信号进行采样并通过数字控制振荡器得到无线信号；

对无线信号进行功率控制和信道选择，根据选择的信道进行干扰抑制处理；再依次通过位同步、OQPSK解调、OQPSK解扩得到接收到的原始数据。

所述进行信道选择包括以下步骤：

将无线信号带宽分成多段，每段对应多个设定的信道，根据工作信道设定本振频率，使本振频率与工作信道频率对应。

所述干扰抑制处理包括以下步骤：

建立多个截止频率且阶数不同的数字低通滤波器；根据无线信号的强度选择不同的数字低通滤波器。

所述位同步包括以下步骤：

数字低通滤波器输出I路和Q路基带信号，分别获取两路信号的下降沿作为输入相位基准信号；

如果I路、Q路输入相位基准信号超前或滞后于本地时钟分频后的相位脉冲N个，则I路锁定数据模块、Q路锁定数据模块分别通过内部计数器扣除或附加N个脉冲，作为I路、Q路同步脉冲反馈至同步时钟模块；

同步时钟模块根据I路、Q路同步脉冲锁定I路、Q路通道数据的中点并在中点处输出采样时钟输出至I路、Q路锁定数据模块、输出串行位同步脉冲直接透传；

I路锁定数据模块、Q路锁定数据模块根据采样时钟分别输出并行的I路数据和Q路数据，转换为串行数据后输出。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明能更好的抑制干扰，提升WIA-PA工业网络的无线环境适应能力；避免大量的人工勘测与调试工作。

2.本发明能够通过不同滤波器的选择，可以根据现场实际应用情况灵活配置，在无线环境变化时能够方便的实现。

3.通过位同步方法可以最大程度恢复原始信号，即便受到干扰，也能通过相关检测恢复原始信号。

4.解决了现有芯片的邻频干扰问题，扩大了组网规模。

附图说明

图1是本发明的无线网关结构图；

图2是无线网关下变频结构原理图；

图3是数字基带接收数据流程图；

图4是功率控制流程图；

图5是位同步原理图；

图6是抽样判决示意图；

图7是数字中频信号处理框图；

图8是上／下行数字中频链路信号流程图；

图9是调制信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

（一）数字基带干扰抑制方法

本发明所述网关属于多个功能模块组合在一起的独立的模块，它一般是由下变频器、数字基带处理板、上变频器三个个独立的功能模块组成。本发明的WIA-PA网络的工作原理以及其数字中频单元原理简要介绍一下：

如图1所示的无线网关的系统组成，无线网关的天线接收到节点发送过来的信号，下变频到中频信号，经高速ADC变换到数字信号，经过数字控制振荡器的数字信号处理后按照IEEE802.15.4-2006协议标准进行物理层、下MAC层协议的数据处理，再经CPU进行上层协议处理后传至上一级的服务器中，无线网关通过RJ45接口与上级服务器进行通信

发送部分，CPU依照WIA-PA标准对数据完成上层协议进行处理后送入数字中频采样及基带处理单元（FPGA）完成下MAC层和物理层的数据处理，经上变频后，由射频功放完成信号的放大，经天线发送至节点。这样完成了整个系统的组网。

图2所示为无线网关接收端的射频处理流程，天线接收到的2.4G射频信号经过第一级放大器放大后，进入混频器混频（锁相环PLL1根据CPU提供的不同通信信道改变对应的频率）始终将频率变为96MHz的中频信号；在对信号进行第二级放大后进入数字基带处理板进行数字信号处理。在FPGA中，物理层到MAC层的映射严格遵照IEEE802.15.4协议实现。

数字基带处理板主要包括电源，CPU，一路ADC和一路DAC数据转换单元，数字中频采样及基带处理单元，时钟单元，时钟管理单元等；其中，数字中频采样及基带处理单元由FPGA实现，如图7所示。

本发明中，数字基带干扰抑制处理是放在FPGA数字信号处理单元中实现。FPGA中，主要实现了数字信号处理（抽取、差值、滤波等），位同步与校验、信道编码、解码，功率控制，以及干扰抑制等功能。WIA-PA最主要的干扰为上行干扰，这是因为节点模块由于低功耗考虑，发射功率无法提高，更容易受到同频率的WIFI信号的干扰；而网关对于功耗并不敏感，所以下行可通过提高发射功率来实现抗干扰。数字基带干扰抑制处理只在上行链路中实现，FPGA大体的实现结构请参见图3。

1.功率控制实现流程如图4所示：

信号经过ADC采样和NCO（数字控制振荡器）后变为I、Q两路信号，分别将I路、Q路信号的平方并相加，得到的结果与设定的上门限进行比较，若超出门限则控制ADC前端衰减芯片以1dBc步进进行相应的衰减，否则与下门限比较，低于下门限则以0.5dBc步进减少衰减值，以保证信号的功率可以满足系统的要求；若信号强度处于上门限与下门限之间则不做任何处理。

2.信道选择与干扰抑制：

将无线信号带宽分成多段，每段对应多个设定的信道，根据工作信道设定本振频率，使本振频率与工作信道频率对应完成信道选择。

建立多个截止频率且阶数不同的数字低通滤波器；根据无线信号的强度选择不同的数字低通滤波器。本实施例采用40阶与60阶数字低通滤波器，如果带外干扰信号的强度小于-70dBm，则选用40阶数字低通滤波器，如果大于-70dBm，则选用60阶数字低通滤波器。数字低通滤波器的选择采用两种操作方式,即自动选择与人工选择。自动判断的依据来自于CPU上层协议中功率统计与健康报告；人工选择方式是通过配置相应的数字低通滤波器选择开关来实现的。

WIA-PA网络的通信信道是由CPU根据WIA-PA标准所确定，由于是时分系统数据发送时所用的信道号可作为数据接收时的信道号，若下一个使用的信道号包含在5个频点内，则不改变锁相环配置，否则改变锁相环配置，已达到覆盖16个信道的目的；本发明应用的ADC采样带宽为25MHz，可覆盖5个通信信道，覆盖11～26通道只需要改变锁相环4次即可。此实现方法可以将系统时钟速率由250MHz降低为128MHz或者更低，实现成本可降低2/3，并且可以尽可能的减少锁相环频率变更的次数，保证系统的稳定性。

系统完成信道选择后的数据进入数字低通滤波器，完成对于带外干扰的抑制。数字低通滤波器共有2个模式可供选择，根据截止频率的不同分为高、低两档，可以更好的适合应用现场的无线环境。对于5MHz以外的无用信号具有高达80dBm的抑制，大大高于现有芯片的50dBm的抑制。测试结果表明，其邻频的抗干扰能了提高了15dBc；不同模式的低通滤波器之间相差3～5dBc。

3.位同步：

位同步由同步时钟模块和抽样判决模块构成，其中抽样判决模块包括I路锁定数据模块和Q路锁定数据模块；位同步实现的是从匹配低通滤波器输出中提取位同步信息，以便抽样判决模块能从匹配滤波器的输出信号中选取到最佳采样点，最后对抽样输出进行判决即可恢复出原来的输入数据，从而完成帧同步。

本发明中，信号是由一串连续的信号码元传递的，这些码元都有相同的持续时间，在接收这个码元序列是，需要知道每个码元的起止时刻，而对信号进行周期性采样，以每个码元宽度为间隔抽样判决一次。因为信道的传播延迟是未知的，因此抽样判决的时刻就显得十分重要。例如，用抽样判决模块对信号进行取样判决时，均应对准每个码元最大值的位置。因此，信号的接收端必须要产生一个码元定时脉冲序列，并且定时脉冲的重复频率和相位(位置)要与接收码元一致。即：信号的接收端定时脉冲的重复频率和发送端码元速率相同；脉冲位置(即取样判决时刻)对准最佳取样判决位置。如图5所示，首先计算定时误差，再统计后判断输入符号长度，经抽样判决后得到恢复的同步信号。

匹配滤波后的基带信号：I路匹配滤波器输出和Q路匹配滤波器输出后的信号以下降沿作为输入相位基准信号，本地高频时钟即系统时钟分频后的相位脉冲与输入相位基准信号进行比较。获取信号的锁定数据模块具有相位锁定的8位双向计数器，扣除和附加脉冲通过改变改计数器值来实现。图6可以看到“↑”所示为同步时I通道的位同步脉冲，当基带信号下降沿在图示“○”位置出现，同步脉冲超前，那么需要扣除脉冲，这里一个码元周期分成4个区间，有两个超前区和两个滞后区。I路数据落入1区(0～64)时，相位锁定<=相位锁定-3；I路数据落入2区(64～128)时，相位锁定<=相位锁定-7。同样的，当基带信号下降沿在图示“□”位置出现，同步脉冲滞后，需要附加脉冲，I路数据落入3区(128～192)时，相位锁定<=相位锁定+8；I路数据落入4区(192～256)，相位锁定<=相位锁定+4。这样锁住I、Q通道数据的中点。后面的同步时钟模块对锁住的I路同步脉冲和Q路同步脉冲产生采样时钟和I、Q通道的串行位同步脉冲，得到I、Q通道数据的I路输出和Q路输出，最后通过并行转串行模块将并行数据转换为串行数据，同步时钟模块输出的串行位同步脉冲直接透传。

4.OQPSK解调：

完成位同步后，无线信号已经得到了最大程度的恢复。对于OQPSK信号的解调严格依照IEEE802.15.4协议规定的2450MHz PHY进行。IEEE802.15.4协议中已对解调有详细的说明，这里不在赘述。

5.OQPSK解扩：完成OQPSK解调后，通过查找表完成对信号的解扩，由于此时信号很可能被干扰，为保证准确性，通过解扩的数据对比IEEE802.15.4协议规定的扩频序列，找出最相近的序列。例如，解调后的数据为1001011000000111011110111000100，通过查表得到的解扩的数据为0111。若解调后的数据为1001011000110111011110111000100，由于IEEE802.15.4协议中规定的16个信号到码片映射序列相互独立，虽然11位与12位的数据由00变为11，但是通过最大相似的方式，得到的解扩后的数据依然为0111。

本实施例中数字中频采样及基带处理单元是应用中频带通采样软件无线电结构，在进行数字信号处理时首先需要进行射频信号与中频信号之间的转换，目前这一部分电路设计仍采用模拟电路实现；最后在中频进行带通采样完成数字化，干扰抑制、调制与解调、信道编译码等功能实现方式。

中频带通采样软件无线电中频带宽为宽带结构，这不仅使前/后端电路设计简化，并且使信号经过接收/发送通道处理后的失真减小。再配以数字信号处理，具有更好的波形适应性，信号带宽适应性以及可扩展性。这种结构设计在通信领域得到广泛应用。

如图7所示，数字中频采样及基带处理单元采样带宽为5MHz，中心频率为96MHz，AD采样率为64MHz，DAC采样率为64MHz。基带零频信号带宽为2MHz。采样后数据经数字下变频，再通过低通滤波器后被送入数字中频处理采样及基带处理单元。

（二）频谱变化

本发明中中频采样及基带处理单元输入模拟中频信号的中心频率为48MHz，带宽为5MHz，经过A/D变换后，进入FPGA器件进行数字上／下变频和滤波处理，最后经D/A转换模拟中频输出，具体信号流程如图8所示。

信号经过ADC采用并混频后，再通过半带滤波器完成。

（三）调制解调的FPGA程序流程

调制解调所遵照的是IEEE802.15.4协议物理层标准，包括调制、解调、直接扩频序列（DSSS）、及位同步技术四个主要部分。

1.调制

IEEE802.15.4协议规定调制采用OQPSK（偏移四相相移键控），具体处理流程见图9。输入为16bit数据，数据率250KHz/s将输入数据的每四位作为一组数据，每组的数据率为62.5KHz/s,然后每组分别对应协议约定的32bit的PN序列，数据率由250KHz/s变为2MHz/s。

2.解调

解调过程如图3所示，首先信号经ADC采样后同时送入功率控制模块完成对于信号的功率控制，保证不会溢出，然后经由信道选择模块，再送入干扰抑制模块完成滤波，再经位同步模块、OQPSK解调模块、DSSS解扩模块后，依照IEEE802.15.4下MAC层协议进行原语的处理，最后送入CPU完成上层协议的处理。

Claims (3)

1.基于WIA-PA无线网关的数字信号处理方法，其特征在于包括以下步骤：

将接收的射频信号进行采样并通过数字控制振荡器得到无线信号；

对无线信号进行功率控制和信道选择，根据选择的信道进行干扰抑制处理；再依次通过位同步、OQPSK解调、OQPSK解扩得到接收到的原始数据；

所述位同步包括以下步骤：

数字低通滤波器输出I路和Q路基带信号，分别获取两路信号的下降沿作为输入相位基准信号；

如果I路、Q路输入相位基准信号超前或滞后于本地时钟分频后的相位脉冲N个，则I路锁定数据模块、Q路锁定数据模块分别通过内部计数器扣除或附加N个脉冲，作为I路、Q路同步脉冲反馈至同步时钟模块；

同步时钟模块根据I路、Q路同步脉冲锁定I路、Q路通道数据的中点并在中点处输出采样时钟输出至I路、Q路锁定数据模块、输出串行位同步脉冲直接透传；

I路锁定数据模块、Q路锁定数据模块根据采样时钟分别输出并行的I路数据和Q路数据，转换为串行数据后输出；

WIA-PA网络的通信信道是由CPU根据WIA-PA标准所确定，若下一个使用的信道号包含在5个频点内，则不改变锁相环配置，否则改变锁相环配置，以达到覆盖16个信道的目的。

2.根据权利要求1所述的基于WIA-PA无线网关的数字信号处理方法，其特征在于所述进行信道选择包括以下步骤：

将无线信号带宽分成多段，每段对应多个设定的信道，根据工作信道设定本振频率，使本振频率与工作信道频率对应。

3.根据权利要求1所述的基于WIA-PA无线网关的数字信号处理方法，其特征在于所述干扰抑制处理包括以下步骤：

建立多个截止频率且阶数不同的数字低通滤波器；根据无线信号的强度选择不同的数字低通滤波器。