大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统设计

李明

（宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡721016）

大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统设计

李明

（宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡721016）

为了提高通信信号的稳定采集性能，提出一种改进的大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统设计方法，系统主要包括AD模块、模拟信号预处理模块、收发转换模块、功率放大器、逻辑与译码控制模块等，采用32位VME总线扩展技术构建无线通信信号的采集系统的可编程专用集成总线，选用MAX264芯片作为信号处理核心芯片，设计运算放大器完成无线终端智能通信信号的数模转换，采用CPLD编程技术进行信号采集的数据锁存并完成串并转换，完成系统的硬件模块化设计和集成电路开发。测试结果表明，该信号采集系统能实现大数据环境下的无线终端智能通信信号采集，输出信号的信噪比较高，误比特率较低，具有很好的抗干扰性能。

大数据；无线通信；信号采集；系统设计

无线终端智能通信信号采集是实现无线通信信通构建和信号传输第一步，信号采集模块建立在传感器基阵和阵列模块基础上，通过传感器阵列采集到无线通信系统的物理信号和原始数据。在大数据环境下进行信号处理和数据加工，并通过数据记录分析仪实现采集信号的数模转换，采用标准化的软件和硬件接口输入到无线通信系统终端中，完成无线通信系统的总线系统硬件集成[1]。研究大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统在优化无线通信质量，提高通信系统的保真性方面具有重要意义，相关的信号采集系统设计方法受到人们的极大重视。

信号采集系统建立在阵列信号分析和数据总线调度的基础上，通过多传感器阵列分布方式进行总线数据调度，结合嵌入式控制系统实现信号采集的多通道触发[2]。传统方法中，对大数据环境下无线终端智能通信信号的采集方法主要是通过高速DSP信号处理系统进行数据的局部总线记录，结合信号发生器和信号放大器完成无线通信信号的放大和滤波，并存储在无线通信系统的终端寄存器中，文献[3]中提出基于FPGA的双CF卡数据采集系统设计方法，通过逻辑编程控制和嵌入式的DSP集成信号处理，实现对无线通信系统的物理信号（包括电信号、磁信号、机械信号）的实时采集，并进行了通信信号的频谱分析，提取信号的谱特征量，提高了无线通信信号采集的实时性和集成性，但该系统在模块式测试中容易出现自激振荡，信号采集系统的抗干扰性不好；文献[4]提出基于ARM和LabVIEW的网络数据采集系统，数据采集的基本总线数据传输速率可达1Gbyte/sec，提高了无线通信系统的传输速率，系统可靠性高，但该系统设计中硬件电路的集成性不好，且通信信号输出的误码较高。针对上述问题，本文提出一种改进的大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统设计方法，首先进行了无线终端智能通信信号采集系统的总体设计，对系统的AD模块、模拟信号预处理模块、收发转换模块等功能模块进行模块化电路设计，采用CPLD编程技术进行系统的总线开发，在VisualDSP开发平台上完成系统的集成设计，最后进行系统调试，测试该系统在优化通信信号的采集性能、提高通信质量方面的优越性。

1 系统总体构架与功能结构分析

1.1 信号采集系统总体设计构架

为了实现大数据环境下无线终端智能通信信号采集，首先分析系统的总体结构模型，通信信号采集系统设计主要包括硬件电路设计和通信信号采集系统软件编程设计，通信信号采集系统的中断模块和电流调节模块由上、下机位两部分组成，通过A/D转换器和D/A转换器产生的高频高压电流作为通信信号采集系统的控制脉冲，进行多线程的无线通信信号采集和信息融合处理[5]。大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统采用高速A/D芯片AD9225进行通信信号调制，其采样频率为12 MHz，系统的分辨率为12位，采用单12 V供电作为通信信号采集系统的电源输入，无线通信系统通信信号采集系统采用PCI总线控制概念，基于DSP高速信号处理技术实现对通信信号的高速调制解调处理，在检波器中实现通信信号的自适应放大，采用FIR滤波器进行干扰抑制，根据上述设计原理，得到无线通信系统的信号输入输出模型如图1所示。

图1 无线通信系统的信号输入输出模型

无线终端智能通信信号采集系统通过AD采样输出通信信号的时域波形，通过电压、电流的自动调节，结合上电检查电路进行总线控制，采用VIX总线技术进行上、下机位两部分的集成控制，输出的采集信号主要有CW、LFM、HFM等信号模式。根据上述设计原理描述，构建本文设计的大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统的总体构架结构框图如图2所示。

图2 系统的总体构架结构框图

1.2 系统功能模块分析和开发平台描述

在信号采集系统采用STC89C52单片机控制D/A转换器，选用高速A/D芯片AD9225进行信号采集控制系统的基线漂移控制，无线通信信号采集系统采用的是模块化设计方法和嵌入式集成设计体系构架，采用32位VME总线扩展技术构建无线通信信号的采集系统的可编程专用集成总线，通过外部伽马探头作为信号传感器，进行通信信号的数模转换，构建并行外设接口（PPI），可实现16位无线通信总线数据的输入输出[6]。根据A/D的特点，采用ITU-656 PPI模式和通用PPI模式进行通信信号的内部触发和无帧同步传输。在人机交互模块中设置DMA参数，启动PPI，在没有外部FIFO下设计中断电路和复位电路，可以在多条线路或多帧传输条件下完成无线终端智能通信信号采集[7]，由此构建大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统的功能结构框图如图3所示。

图3 系统的功能结构分析

根据图3分析得知，系统采用4个换能器基阵进行通信信号的实时采样，采集的无线通信信号经系统接收机进行放大、滤波、包络检波和调制解调处理后，使用有源晶振输出可识别的无线通信信号，通过DSP控制二极管检波电路进行无线通信控制器的AD采样和信号转换，设计基线漂移抑制模块进行高压调节，进行无线通信控制器的8通道模拟输出调制。在硬件设计部分，采用低功耗的S3C2440作为逻辑控制处理器，通过DSP进行通信信号处理，实现无线智能通信信号采集和大数据分析。

2 系统硬件设计与实现

根据对系统总体构架与功能结构分析，进行大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统的硬件模块化设计，采用32位VME总线扩展技术构建无线通信信号的采集系统的可编程专用集成总线，通信信号的传输速率为40Mbyte/sec，以VME总线作为基础架构，通过计算机操纵VXI附加总线，在局部总线中使两个或多个模块通信触发消息基器件，消息基VXI总线器件实验字符串协议（Word Serial Protocol）完成数据入（Data In）或数据出（Data Out）的信号读写功能[8-10]。选用MAX264芯片作为信号处理核心芯片，设计运算放大器完成无线终端智能通信信号的数模转换，进行AD模块、模拟信号预处理模块、收发转换模块、功率放大器、逻辑与译码控制模块的硬件设计，详细描述如下：

1）AD模块。系统的AD模块完成无线通信信号的初始采样功能，采用AD7655作为AD电路的集成芯片，AD采样电路的输入电压范围为0～5 V，在78M05和79M05的两端采用三端电压转换器78M05和79M05完成无线通信信号的AD转换，AD电路的输入电压为：

最高采样率不小于100 kHz，满足AD转换的输入电压要求。信号采集系统的AD电路设计如图4所示。

图4 信号采集系统的AD电路设计

2）模拟信号预处理模块。模拟信号预处理模块完成通信信号的滤波、放大、倍频、检波功能，通过IO引脚来启动AD转换，通过BUSY信号的状态通知CPU读走转换完的数据，当A/B为高时，AD7655的BUSY信号高变低，定时器能准确的控制AD输入电压，在模拟信号预处理机中进行通信信号的包络检波，将SER/PAR引脚接地，外接2.5 V的参考电压，进行无线通信信号的同步采样，采样速率最高可达1MSPS，当A0为低时，无线通信信号采集系统的AD7655外接2.5 V的参考电压，在数据采集中，TMS320VC5509A的DMA引发DMA传送中断信号，实现无线通信信号的放大滤波，由此得到模拟信号预处理模块的硬件电路设计如图5所示。

图5 模拟信号预处理模块电路设计

3）收发转换模块。信号收发转换模块选用MAX264芯片作为信号处理核心芯片，根据技术指标要求，DA接口作为收发转换模块的串行输出接口。DA转换后通过2片AD5545芯片来组成DA收发转换电路，输出的无线通信中断电流信号通过运算放大器AD8674完成数字地和模拟地的接地功能，当MSB=‘1’时，信号采集系统的AD5545采用单+5V供电，输出的复位信号为串行输入信号（SDI）和时钟（CLK）信号，并设计运算放大器完成无线终端智能通信信号的数模转换，输出的VAA为+5V电压，AD5545的串行输入数据通过CPLD编程完成AD通信信号的数模转换和无线收发，由此构建收发转换电路如图6所示。

图6 信号收发转换模块设计

4）功率放大器。功率放大模块是实现大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统输出信号的功率放大功能[14]。通过VHDL编程进行信号采集的数据锁存，结合CPLD编程技术将DSP发送的大数据环境下无线终端智能通信并行数据进行模块化并行处理，在DA输出端加滤波器，得到功率放大模块的信号放大时序图如图7所示。

5）逻辑与译码控制模块。逻辑与译码控制模块采用CPLD编程进行无线通信信号的逻辑与译码控制，译码控制的主频可达160 M/MIPS，片内寻址频率为32 K（地址范围 0080H～7FFFH），AD5545的串行输出数据线为D0～D7，通过HP E1433A采集无线通信终端的各通道数据[15]，输出数据为16位垂直精度，信号串并转换的速率为1 200 Bit/s，在数字触发调试中，逻辑与译码控制模通过信号源产生TTL电平的脉冲，使用HP E1433A改变外触发脉冲的触发总线，并将所有采集数据存储到一个文件里，实现信号回放。

图7 功率放大模块的信号放大时序图

最后通过电路集成设计，得到本文设计的大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统集成电路[16]如图8所示。

图8 大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统

3 系统测试分析

为了测试文中设计系统在实现大数据环境下无线终端智能通信信号采集中的可行性，进行系统调试和实验分析，设计用户界面，将采集的信号通过数据流盘实时记录无线通信数据，并传输到主控计算机中，人机交互界面的控件重要包括了采集日期和时间、信号的采集通道、数据采样率等信息，设置数据文件名，在默认情况下，信号源产生1 kHz的4种不同波形，将所有采无线通信信号存储到一个文件里，并在4个通道的监视窗口中查看信号采集结果，设计信号采样率为50 kHz，ADC时钟为5 000，触发电平为3 V，信号采集的参数设置面板如图9所示，信号采集输出如图10所示。

图9 信号采集的参数设置界面

图10 4通道监视窗口输出的信号采集结果

分析图10得知，采用本文系统进行通信信号采集，能准确输出采集信号，信噪比较高，输出的误比特率为0.001 2，说明信号输出的抗干扰性能较强，具有较好的信号采集性能。

4 结束语

文中提出一种改进的大数据环境下无线终端智能通信信号采集系统设计方法，进行系统的模块化设计和集成电路设计[17]，主要对AD模块、模拟信号预处理模块、收发转换模块、功率放大器、逻辑与译码控制模块等电路模块进行详细设计描述，选用MAX264芯片作为信号处理核心芯片，设计运算放大器完成无线终端智能通信信号的数模转换，采用CPLD编程技术进行信号采集的数据锁存并完成串并转换，实现系统的硬件开发。研究结果表明，该信号采集系统能实现大数据环境下的无线终端智能通信信号采集，输出信号的信噪比较高，误比特率较低，具有很好的抗干扰性能，能有效实现通信信号采集和输出。

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Design of intelligent communication signal acquisition system for wireless terminal in large data environment

LI Ming
（Department Electronics and Electric Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016，China）

In order to improve the stability of the acquisition performance of communication signals， alarge data environment of wireless terminal intelligent communication signal acquisition system design method， the system mainly includes AD module， analog signal pretreatment module， transceiver conversion module， power amplifier， system logic and decoding control module， using 32 bit VME bus extension construction the wireless communication technology of the signal acquisition system programmableappropriation integrated bus， using MAX264 chip as the core of signal processing chip，the design of operational amplifier to complete analog wireless terminal intelligent communication signal conversion， signal acquisition using CPLD programming technology and complete the data latch and string conversion， complete modular design of hardware system and integrated circuit developed. Test results show that the system can realize the wireless signal acquisition terminal intelligent communication signal acquisition under the big data environment， output The signal-to-noise ratio of the signal is high and the bit error rate is low， so it has good anti-interference performance.

big data； wireless communication； signal acquisition； system design

TN912

A

1674－6236（2017）16-0094-05

2017-01-23稿件编号：201701153

宝鸡文理学院重点项目资助（ZK16122）；宝鸡市科技计划项目（16RKX1-9）

李 明（1982—），男，陕西宝鸡人，硕士研究生，讲师。研究方向：通信与信息系统。