串口通讯—通信协议 所谓通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程，它属于ISO'S OSI七层参考模型中的数据链路层。 目前，采用的通信协议有两类：异步协议和同步协议。同步协议又有面向字符和面向比特以及面向字节计数三种。其中，面向字节计数的同步协议主要用于DEC公司的网络体系结构中。 一、物理接口标准 1.串行通信接口的基本任务 （1）实现数据格式化：因为来自CPU的是普通的并行数据，所以，接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。在异步通信方式下，接口自动生成起止式的帧数据格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待传送的数据块前加上同步字符。 （2）进行串－并转换：串行传送，数据是一位一位串行传送的，而计算机处理数据是并行数据。所以当数据由计算机送至数据发送器时，首先把串行数据转换为并行数才能送入计算机处理。因此串并转换是串行接口电路的重要任务。 （3）控制数据传输速率：串行通信接口电路应具有对数据传输速率——波特率进行选择和控制的能力。 （4）进行错误检测：在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其他校验码。在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码，确定是否发生传送错误。 （5）进行TTL与EIA电平转换：CPU和终端均采用TTL电平及正逻辑，它们与EIA采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。 （6）提供EIA-RS-232C接口标准所要求的信号线：远距离通信采用MODEM时，需要9根信号线；近距离零MODEM方式，只需要3根信号线。这些信号线由接口电路提供，以便与MODEM或终端进行联络与控制。 2、串行通信接口电路的组成 为了完成上述串行接口的任务，串行通信接口电路一般由可编程的串行接口芯片、波特率发生器、EIA 与TTL电平转换器以及地址译码电路组成。其中，串行接口芯片，随着大规模继承电路技术的发展，通用的同步(USRT)和异步（UART）接口芯片种类越来越多，如下表所示。它们的基本功能是类似的，都能实现上面提出的串行通信接口基本任务的大部分工作，且都是可编程的。才用这些芯片作为串行通信接口电路的核心芯片，会使电路结构比较简单。 3.有关串行通信的物理标准 为使计算机、电话以及其他通信设备互相沟通，现在，已经对串行通信建立了几个一致的概念和标准，这些概念和标准属于三个方面：传输率，电特性，信号名称和接口标准。 1、传输率：所谓传输率就是指每秒传输多少位，传输率也常叫波特率。国际上规定了一个标准波特率系列，标准波特率也是最常用的波特率，标准波特率系列为110、300、600、1200、4800、9600和19200。大多数CRT终端都能够按110到9600范围中的任何一种波特率工作。打印机由于机械速度比较慢而使传输波特率受到限制，所以，一般的串行打印机工作在110波特率，点针式打印机由于其内部有较大的行缓冲
水声通信系统中的信道编码技术研究 信道编码定理为人们探索信道的最佳编码方案提供了理论依据，但并没有指明如何获得好码。目前，出现了多种信道编码方案，如RS 码、卷积码、级联码等。本文简要介绍了RS 码和卷积码的基本原理，并进行了相应的计算机仿真，并给出了加入了RS 码和卷积码水声通信系统的水池实验数据，结果表明利用信道编码技术能够提高水声通信系统的误码性能。 （一）Reed －Solomon 码 1960 年I.S Reed 和G .Solomond 提出RS 码,又称Reed －Solomon 码，RS 码是一类纠错能力很强的多进制BCH 码。 RS 码是在GF(q)上长度为N=q-1的本原BCH 码。冗余根据可纠正错误确定，通常等于2t 个字符。这样，编码具有k=q-2t-1个信息字符。这种码具有N 个信息字符，可纠正t 个错误。长度为N ，设计距离为=q-k δ的RS 码的生成多项式为： )())()(()(1321-----=δααααx x x x x g (1) 本论文系统中实现的编码器按图1工作。开始编码前，向A0~A13或A0~A11单元写入信息字符（分别对应1个或2个可纠错码）。P0~P15单元记载类构造器算出的校验多项式的系数值。然后校验多项式系数和信息字相乘并相加，如图所示。运算的结果得出校验字符，存入A0（此时，信息字符向左移位）。生成过程继续，直到A15出现信息字高位元素。这样，在编码中，为纠正1个错误，必须进行2次迭代；为纠正2个错误，必须进行4次。 ∑ 图1 RS 码编码器的结构 纠错码的译码问题，一直是编码理论中最感兴趣的课题之一。RS 在短和中的码长下，具有很好的纠错性能，构造容易，故得到广泛应用。 RS 的译码基本上分为3步：第一步是由接收到的R(x)计算出伴随式；第2步由伴随式找出错误图样E(x)；第3步由R(x)- E(x)得到可能发送的码字C(x)。 记q(x)为信息多项式，则发送码字C(x)＝q(x)g(x)，接收到的码字:
随着对信息流量需求的不断增长，传统并行接口技术成为进一步提高数据传输速率的瓶颈。过去主要用于光纤通信的串行通信技术——SERDES正在取代传统并行总线而成为高速接口技术的主流。本文阐述了介绍SERDES收发机的组成和设计，并展望了这种高速串行通信技术的广阔应用前景。 SERDES是英文SERializer(串行器)/DESerializer(解串器)的简称。它是一种时分多路复用(TDM)、点对点的通信技术，即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经过传输媒体(光缆或铜线)，最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量，减少所需的传输信道和器件引脚数目，从而大大降低通信成本。 SERDES技术最早应用于广域网(WAN)通信。国际上存在两种广域网标准：一种是SONET，主要通行于北美；另一种是SDH，主要通行于欧洲。这两种广域网标准制订了不同层次的传输速率。目前万兆(OC-192)广域网已在欧美开始实行，中国大陆已升级到2.5千兆(OC-48)水平。SERDES技术支持的广域网构成了国际互联网络的骨干网。 SERDES技术同样应用于局域网(LAN)通信。因为SERDES技术主要用来实现ISO模型的物理层，SERDES通常被称之为物理层(PHY)器件。以太网是世界上最流行的局域网，其数据传输速率不断演变。IEEE在2002年通过的万兆以太网标准，把局域网传输速率提高到了广域网的水平，并特意制订了提供局域网和广域网无缝联接的串行WAN PHY。与此同时，SERDES技术也广泛应用于不断升级的存储区域网(SAN)，例如光纤信道。 随着半导体技术的迅速发展，计算机的性能和应用取得了长足进步。可是，传统并行总线技术——PCI 却跟不上处理器和存储器的进步而成为提高数据传输速率的瓶颈。新一代PCI标准PCI Express正是为解决计算机IO瓶颈而提出的(见表1)。PCI Express是一种基于SERDES的串行双向通信技术，数据传输速率为2.5G/通道，可多达32通道，支持芯片与芯片和背板与背板之间的通信。国际互联网络和信息技术的兴起促成了计算机和通信技术的交汇，而SERDES串行通信技术逐步取代传统并行总线正是这一交汇的具体体现。 SERDES系统的组成和设计 基于SERDES的高速串行接口采用以下措施突破了传统并行I/O接口的数据传输瓶颈：一是采用差分信号传输代替单端信号传输，从而增强了抗噪声、抗干扰能力；二是采用时钟和数据恢复技术代替同时传输数据和时钟，从而解决了限制数据传输速率的信号时钟偏移问题。 一个典型SERDES收发机由发送通道和接收通道组成(见图1)：编码器、串行器、发送器以及时钟产生电路组成发送通道；解码器、解串器、接收器以及时钟恢复电路组成接收通道。顾名思义，编码器和解码器完成编码和解码功能，其中8B/10B、64B/66B和不规则编码(scrambling)是最常用的编码方案。串行器和解串器负责从并行到串行和从串行到并行的转换。串行器需要时钟产生电路，时钟发生电路通常由锁相环(PLL)来实现。解串器需要时钟和数据恢复电路(CDR)，时钟恢复电路通常也由锁相环来实现，但有多种实现形式如相位插植、过剩抽样等。发送器和接收器完成差分信号的发送和接收，其中LVDS和CML是最常用的两种差分信号标准。另外还有一些辅助电路也是必不可少的，例如环路(loopback)测试、内置误码率测试等等。 通信标准制订了严格的性能指标以确保系统的可靠性和互用性。SERDES芯片的主要性能指标包括抖动产生、抖动容忍、抖动转移以及系统误码率(BER)等。抖动产生取决于时钟发生电路特别是压控振荡器(VCO)的相位噪声；抖动容忍取决于时钟恢复电路容忍抖动的能力，而抖动转移是在用作中继器时必须满足的指
二 单载波频域均衡技术 2.1 单载波频域均衡系统简介 在对抗多径衰落信道方面，基本的传输技术可以分为多载波和单载波两大类。在多载波传输技术中，最具代表性的是OFDM 技术，它通过IFFT 变换将原始的数据符号调制到正交的子载波上；在单载波传输技术中，需要在接收端采用均衡器来补偿码间串扰，均衡可以采用传统的时域滤波器，也可以在频域进行，相应的系统分别成为单载波时域均衡系统(SC —TDE)和单载波频域均衡系统(SC —FDE)。单载波频域均衡系统结合了OFDM 系统和单载波时域均衡系统的优点，在复杂度和性能的折衷方面优于后两者。 单载波频域均衡系统框图如图15所示。 图15 单载波频域系统框图 在发射端，信源产生的比特流()d n 经过调制得到符号序列()x n 后，首先经过分块操作成长度为N 的数据块0121(),(),(),...,()N x n x n x n x n -，其中 ()(),01k x n x Nn k k N =+≤≤- （67） 将每个快的最后g N 个符号拷贝到块首作为循环前缀，得到长度为b g N N N =+的数据块，构成发射符号序列()s n ，通过多径衰落信道()h n 和噪声方差2σ的AWGN 信道()v n 到达接收端。 在接收端，接收到的信号()r n 分成长度为b N 的数据块011(),(),...,()N r n r n r n -，其中()(),01k b b r n r N n k k N =+≤≤-。然后对每个酷爱进行删除循环前缀的操作，得到()y n 。使用N 点FFT 将信号变换到频域中，得到频域序列()Y n 。在频域经 过均衡处理后的序列?()X n ，再通过N 点IFFT 操作变换回时域序列?()x n ，在时
水声通信的自适应频域均衡 摘要 这篇文章提出一种处理水下通信码间干扰的一种方法。该方法是在频域均衡技术基础上提出重叠和保存方法(overlap-and-save)。这种方法可以消除在每个块数据前的循环前缀引入的开销，并且在误比特率方面具有较好的性能。研究者还在距离大西洋海岸2千米的浅水区用该方法做了实验，在误比特率和均方误差方面做了评价。 1.引言 伴随着海洋开发和海洋环境监测的发展, 应用于各种水下设备的高数据率水声通信具有重要意义. 水声信道具有声速小、传播损失大、可用带宽有限、多径传播复杂且背景噪声高等特点, 是现有数字通信中最困难的信道之一。现在在水声信道中大部分应用的是正交频分复用技术，但该技术在水声信道中对多普勒频移非常敏感，很容易引起码间串扰。 为了更好的处理符号间干扰，作者在本篇论文中基于单载波传输系统，同时考虑到现在频域技术被广泛的应用，所以该方法是基于频域均衡技术的自适应频域均衡(AFDE)。传统的方法都要引入循环前缀，这样在传输端就要进行额外的处理，并且频谱效率也会降低。作者提出的方法使用重叠和保存，避免了引入循环前缀所带来的问题。同时该方法在接收端利用数据块持续时间信道变化来选择块长度。在接收端利用重叠保存自适应均衡技术来补偿多普勒频移带来的干扰。 2.接收器的设计 自适应频域均衡算法的全数字单载波接收机是在时变信道环境中，信息数据采用卷积码的编码方式，然后经过QPSK 调制器。传输到水声信道的信号表示为： ()()()? ?????-=∑+∞-∞=+n t f j n c e nT t g d t s ψπ2Re (2-1) 其中fc 是载波频率，y 是未知的载波相位，dn 是经QPSK 后所传输的符号，g(t ）表示脉冲整形滤波器。 对于数字带通信号，因为接收的信号频带受限，下转换过程通过数字化方式，并且通过采样数字转换器实现最优采样。整个过程如图2-1所示：
咼速DSP 与PC 实现串口通信的万法 数字信号处理器（Digital Signal Processor , DSP ）在图形图像处理、高精度测量控制、高性 能仪器仪表等众多领域得到越来越广泛的应用，实际运用中，通常须将 DSP 采集处理后的数 据传送到PC 机，然后进行存储和处理。 T1公司的TMS320VC33微处理器具有性价比高，同时，该芯片的I/O 电平、字长、运行 速 度、串口功能具有大多数 DSP 的共同特点。本文针对TMS320VC33与PC RS-232的通讯， 分析三种具体的接口电路和软件设计方法，实现高速 DSP 与低速设备的通讯：①通过 TMS320VC33的通用I/O 口实现通信；②通过TMS320VC33中可设置为通用I/O 的串行引脚 实现通信；③直接利用TMS320VC33的串口功能实现通信，在硬件和软件设计的基础上，完 成相关试验和调试，并达到预期的效果。 采用通用I/O 口实现 PC 的RS-232接口按照设定的固定波特率传送，RS-232串行口进行通信采用三线式 接 法，即RX （数据接收）、TX （数据发送）、GND （地）三个引脚，PC 机按帧格式发送、接收数据， 一帧通常包括1位起始位（"0"电平）、5-8位数据位、1 位（或无）校验位、1位或1位半停止位（"1"电平），起始位表示数据传送开始，数据位为低位在 前、高位在后，停止位表示一帧数据结束。 TMS320VC33微处理器的串口帧格式没有起始位和停止位，只有数据位，且数据位 为高 位在前、低位在后。利用 TMS320VC33微处理器的通用I/O 引脚实现串行通信时，须依 据 RS232的通信协议并结合DSP 硬件资源编写相应的DSP 程序。 1 ?硬件设计 TMS320VC33微处理器共有10个引脚可配置为通用I/O 口，其中XFO 、XFl 为专用 的 通用I/O 口，通过软件设计可实现 XFO 、XFl 专用I/O 口与RS232的串行通信，电路结构 如图1所示。 本文选用 MAX3232E 作为RS232C 电平与TTL 电平的转换芯片，R1in 、T1out 为RS232C 电平，R1out 、T1in 为TTL 电平，TMS320VC33微处理器的INT2引脚为外部中断脚，R10ut 同时连接到INT2和XF0，即可利用传输的第一位触发 TMS320VC33微处理器的外部中断。 2.软件设计 假设系统已经完成初始化，数据接收流程如图 2所示，设传输速率为9600bit/s , — 个起始位（"0"）、8位数据位、一个终止位（"1"）。数据传输时对起始位定时半位的时间，数据 位第一位以后的定时周期设置为一个位的时间， 保证每一位数据都在中间采样，与传统RS232 串口传输方式不同，有利于降低传输的误码率。 肖 ^ xv> in 门 https://www.doczj.com/doc/939803577.html, —— Klin -_ ■ # Tlout 地 X F I
单载波频域均衡技术在随钻声波传输中的应用探析 发表时间：2019-07-29T12:29:14.530Z 来源：《基层建设》2019年第14期作者：郭美芳 [导读] 摘要：梳状窄带通道属于随钻声波传输信道频域的特性之一，这种特性很容易导致码间串扰问题出现，这类问题的解决向来属于业界研究的重点，相关研究也因此大量涌现。 中时讯通信建设有限公司广东省广州市 510000 摘要：梳状窄带通道属于随钻声波传输信道频域的特性之一，这种特性很容易导致码间串扰问题出现，这类问题的解决向来属于业界研究的重点，相关研究也因此大量涌现。基于此，本文简单介绍了单载波频域均衡技术的基本原理，并围绕信道估计深入探讨了该技术在码间串扰消除中所能够发挥的作用，该技术具备的降低通信误码率作用也通过仿真分析得到了证明。 关键词：单载波频域均衡技术；随钻声波传输；误码率 前言：通阻带相间的梳状信道属于沿钻杆传输时声波信道的主要特征，由于信道的结构关系与通带范围关系密切，结合钻柱结构，即可通过计算得出信道特征为“窄带有起伏”。由于存在接箍，声波钻杆多径传输的声波信号不可避免的会出现频率选择性慢衰落问题，这源于码间干扰和衰减问题，为解决这类问题，单载波频域均衡技术应运而生，通过该技术完成频域均衡处理，即可有效增加码间干扰的对抗能力。 1. 基本原理 作为无线传输领域广受关注的抗多径干扰技术，单载波频域均衡技术在我国各领域均有着较为广泛应用。对于应用传统技术的单载波时域均衡系统来说，时延扩展的指数与均衡器抽头数成正比，且存在较高的运算复杂度。但在单载波频域均衡技术支持下，正交频分复用系统的FFT模块能够从发射端转至接收端，通过接收端，单载波频域均衡技术即可实现信号的频域均衡处理，并保证时延扩展的对数与均衡器的抽头数成正比，系统的复杂度由此即可实现长足下降，图1为单载波频域均衡系统基本原理图[1]。 图1 单载波频域均衡系统基本原理图 经过QAM调制，发送端数据源可加入UW形成帧数据格式，循环前缀为UW，作为导频并负责码间干扰的屏蔽，以此进行信道估计。单载波频域均衡技术的数学原理存在三方面假设，分别为采用线性时不变系统、存在有理想同步的接收机、信道平坦衰落，其中接收机需实现所有定时误差和频率偏移的准确估计。 对于长度为N的数据块，所有数据块均带有循环前缀，可得到公式（1），公式中的Wk、rn、hn、νn分别为均衡滤波器频域系数、接收信号、单位脉冲响应（传输信道）、独立高斯白噪声，νn的方差为，均值为0，在其中代表卷积。 （1） 结合式（1）进行离散傅里叶变换、频域均衡处理并引入最小均方误差准则，即可确定信道估计中应用单载波频域均衡技术得出的，即Hk的估计值，基于式（2），即可求得均衡器的权值Wk。 （2） 单载波频域均衡技术得在频域均衡，因此rn（接收信号）需变换到频域，为消除传输过程中的码间干扰，需采用为数据块添加循环前缀的方式，循环前缀选择UW序列，导频作用和帧间干扰能够在各块内容不变的前提下得到有效处理。UW序列的长度需大于信道的最大时延长度，UW序列采用Zadoff-Chu序列，结合仿真可确定，在该序列的周期为64时，接收信号效果最好，即r=1.5。 2. 信道估计 在应用最小均方估计算法的过程中，为顺利实现频域均衡，信道频率响应估计的准确性属于其中关键，均衡滤波器频域系数的计算也会因此受到直接影响。设导频信号为进行仿真，并结合图1内容。在仿真过程中，采用QAM形式的调制方式用于二进制序列输入，以此在信号星座上实现映射，为组织帧数据流，需插入UW序列于数据块之间。对于接收到的SC-FDE帧，接收端需围绕其开展针对性的解帧，以此将其中的UW序列与数据块分离开来。经FFT，数据块将传送至频域，在信道估计支持下，即可围绕数据块得出均衡权重，并在单载波频域均衡技术支持下完成频域均衡处理，将频域信号变换回时域需得到IFFI支持，为得到最终的二进制输出信号，最后还需经过QAM调解[2]。 基于正交载波抑制的双边带调制被称为正交幅度调制，为实现数字信息的两路并行传输，QAM频谱正交性质需得到充分应用。在信道估计过程中，基于理想序列和接收到序列的频域相除后，信道频率响应估计即可顺利求得，但考虑到数据数列的长度和UW序列的长度并不一致，为尽可能提升信道估计的效率，避免效率过低问题出现，应设法保证数据数列的长度大于UW序列的长度。为有效控制UW序列长度，需针对性开展信道频率响应的开展插值处理，具体的处理过程需首先通过IFFT将估计值变换到时域，以此进行信号末尾补零处理，即可在时域得到期望长度，最终需通过FFT将信号变换到频域。 3. 仿真分析 在仿真过程中，采用单载波频域均衡技术用于高斯信道的信息传输，并在相同信噪比下对比信道均衡与非均衡的数据传输误码率、速率，以此判断传输性能的优劣，图1单载波频域均衡系统基本原理图的传输模块简要说明如下：（1）采用待调制的二进制比特流作为发射端数据。（2）采用4QAM调制方式用于数据流调制，以此调制星座图，特定的二进制数字码与星座图中的每个符号相对应，同时将两两进行比特流数据分组，并通过映射得到相应符号，如将两两分开的比特流映射为格雷码，星座图中符号的位置通过格雷码一一对应，通过映射处理，二进制比特流可转换为3个符号，所有二进制比特流会基于映射转换为共计4个符号。 梳状带通信道属于井下声波信道，为满足仿真需要，仅选择其中的一个窄带通道，其构造中心频率为0.2P，因此数字滤波器设计的带通信道的带通宽度为0.2p，基于仿真即可明确信道时域特性、信道频域特性。基于仿真图可以发现，信道通带内存在起伏，通过加入10dB 信噪比的噪声，即可在仿真中形成通带幅值的起伏。通过信道的待传输数据流采用单载波频域均衡技术进行均衡和未均衡对比，结合星座
水声通信FSK调制系统性能仿真 钟方盛石亦敏张杰峰 一.仿真要求 仿真一下单发单收、FSK调制下得水下通信系统性能。 中心频率有两个:2１~27KHｚ,带宽6KHz；55～65KHz，带宽1０KHz; 信道:AＷGN及单径Rayleigh衰落; 通信距离１Ｋｍ、8Km; 通信速率:未定（通过仿真确定); 给出BER vｓSＮR 得曲线; 其她可以认为就是理想得； 二．带宽、码元速率与频率间隔分析 带宽;波特率；一共有个频率点,相邻频率间隔。 1、基带信号带宽与波特率 , 其中就是比特率,为滚降因子。取＝1，则基带系统所需带宽 2、带宽与波特率、频率间隔 3、频率点设置 频段为,其中为最小频率,为最大频率,则中心频率为,带宽为。 设波特率为，那么相邻频率间隔为。 因此,可以设计频率点得值为 。 三.信道建模与最佳接收 1、信道建模 对于ＭFSK,经过单径Ｒayｌeiｇｈ衰落及ＡＷＧN噪声,可以将信号建模成 ,
其中服从参数为得瑞利分布,服从得均匀分布,高斯噪声,就是ＭFSK调制中得频点。 由于若X、Ｙ相互独立且都服从，那么服从参数为得瑞利分布。因此,可以根据这个来设计瑞利分布。 2、最佳接收 经过理论推导，可以得到检测统计量,，对于都成立,则判为。 而这等价于都成立,这判为,其中 四．不同瑞利分布参数与速率下得BEＲ-SNＲ仿真曲线 注： (1)以下曲线中,Ｘ坐标为ＳNＲ(ｄB),Y坐标为BER(误比特率,对数坐标)；不同颜色代表不同有效比特速率,即经过１／2卷积码信道编码。 (2)在比特速率与SＮR确定时，瑞利分布参数对BＥR有很大影响,越小信道越优良,误比特B ＥR越小。因此为了折衷考虑,选择＝0、５来进行仿真。 1、中心频率２1～27KHz,带宽６KHz (１)2ＦＳK，瑞利分布参数=０、5, 有效比特率为0、４、０、６、0、8、1、0、１、2kbps (2)4FSK,瑞利分布参数=0、5, 有效比特率为0、8、1、2、１、6、2、０、2、４kbps
第37卷第8期电子与信息学报 Vol.37 No.8 2015年8月 Journal of Electronics & Information Technology Aug. 2015 单载波通信系统的迭代频域合成均衡算法 乔良*①辛吉荣①②郑辉① ①(盲信号处理重点实验室成都 610041) ②(国防科学技术大学电子科学与工程学院长沙 410073) 摘要：为提高符号间干扰(ISI)信道条件下信号接收的可靠性，该文研究单载波通信系统的多天线空间分集接收问题，提出一种迭代频域合成均衡算法。该算法推导先验信息条件下合成均衡器的频域传输函数，并借助快速傅里叶变换(FFT)实现合成均衡器系数和均衡滤波的高效计算。仿真结果表明，相比时域算法，该算法能够在不损失性能的前提下，大幅降低运算复杂度。与单载波频域均衡(SC-FDE)算法相比，该算法不需要在数据传输的结构中插入循环前缀(CP)，提高频谱利用率，能够直接应用于现有单载波通信系统。 关键词：无线通信；空间分集；频域均衡；符号间干扰 中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-5896(2015)08-1950-07 DOI: 10.11999/JEIT141507 Iterative Frequency Domain Combining Equalization Algorithm for Single Carrier Systems Qiao Liang① Xin Ji-rong①② Zheng Hui① ①(National Key Laboratory of Science and Technology on Blind Signal Processing, Chengdu 610041, China) ②(College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract: To combat the effect of InterSymbol Interference (ISI) while transmitting data over wireless fading channels, the issue of single carrier communication signal receiving with multiple antennas is studied and an iterative frequency domain combining equalization algorithm is proposed. The proposed algorithm derives the theoretical frequency domain transfer function of the combining equalizer with a priori information. An efficient implementation is proposed which employs the Fast Fourier Transform (FFT) to compute the combining equalizer coefficients and equalization filter. Numerical results show that the proposed algorithm reduces complexity enormously with nearly no performance loss compared with the time domain algorithm. Compared with Single Carrier Frequency Domain Equalization (SC-FDE), the Cyclic Prefix (CP) overhead can be avoided, and the computationally efficient frequency domain algorithm can be applied to the existing single carrier communication systems. Key words: Wireless communication; Spatial diversity; Frequency domain equalization; InterSymbol Interference (ISI) 1引言 无线通信系统中，信道的多径和衰落效应导致接收信号中产生符号间干扰(InterSymbol Interference, ISI)。信道均衡是补偿信道畸变、消除ISI的有效手段，但是对于严重ISI信道，均衡处理的信号中仍然会出现较高的误码率。采用多个接收天线的空间分集技术能够减小接收机遭遇信道衰落的深度和衰落的持续时间，从而提高信号传输的可靠性。空间分集与信道均衡技术的结合能够在减小信道衰落影响的同时消除ISI，提高通信的可靠性。 2014-11-27收到，2015-04-28改回，2015-06-08网络优先出版 国家自然科学基金(61172140)资助课题 *通信作者：乔良 lqiao57s@https://www.doczj.com/doc/939803577.html, Turbo均衡[1]是一种在均衡器和译码器之间迭代交换软信息的算法，它在信道均衡时充分利用了纠错编码的增益，因此在相同的信道条件下其性能优于传统均衡算法。近年来，Turbo均衡被广泛应用于短波[2]、水声通信[3]、OFDM[4]等领域。在迭代均衡与空间分集的联合优化方面，文献[5]提出了一种迭代合并均衡算法，根据最小均方误差(Minimum Mean Square Error, MMSE)准则，将多路接收信号以及译码器反馈的先验信息送入合成均衡器，同时完成分集合成和信道均衡。文献[6]在水声通信的背景下提出了一种空间分集自适应Turbo均衡算法，该算法在符号合成时使用了简单的等增益合成，无法达到最优的均衡合成性能。
0 引言 通信技术的发展主要集中在空间通信上。近年来，由于军事和海洋开发的要求，人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发。由于电磁波在水中传播时衰减严重，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。声波是目前水中信息传输的主要载体。因此，人们对水下通信的研究主要集中在对水声通信的研究之上。 水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式,由于其在民用和军事上都有重大意义,水声通信一直被人们所重视。文章介绍了水声通信的特点、系统组成、发展历史和国内外的发展现状。 1 水声通信的历史 水声通信的历史可以追溯到1914 年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945 年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8.33 kHz，主要用于潜艇之间的通信。早期的水声通信多使用模拟频率调制技术。如在50 年代末研制的调频水声通信系统，使用20kHz 的载波和500Hz 的带宽，实现了水底到水面船只的通信。模拟调制系统不能减轻由于水声信道的衰落所引起的畸变，限制了系统性能的提高。 70 年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字调制技术。采用数字技术的重要性在于，首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性;其次，它能够对在时域(多途)和频域(多普勒扩展)上的信道畸变进行各种补偿。随着处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也随之发展起来。数字调制技术的主流为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控调制(PSK)。 随着用于空间无线电衰落信道技术的发展，水声通信的下一代系统对数字编码的数据采用了频移键控(FSK)调制方式。作为一种能量检测(非相干)而不是相位检测(相干)算法，FSK 系统被认为对于信道的时间和频率扩展具有固有的稳健特性。采用数字技术有两个方面的好处:首先，它允许采用纠错编码技术来提高传输的可靠性；第二，它允许对信道混响做一定的补偿，包括时间和频率上的补
二 单载波频域均衡技术 ２.1 单载波频域均衡系统简介 在对抗多径衰落信道方面,基本的传输技术可以分为多载波和单载波两大类。在多载波传输技术中，最具代表性的是OFD Ｍ 技术,它通过IFFT 变换将原始的数据符号调制到正交的子载波上；在单载波传输技术中，需要在接收端采用均衡器来补偿码间串扰,均衡可以采用传统的时域滤波器,也可以在频域进行,相应的系统分别成为单载波时域均衡系统(SC —T ＤE ）和单载波频域均衡系统(S Ｃ—FD Ｅ)。单载波频域均衡系统结合了OFD Ｍ 系统和单载波时域均衡系统的优点,在复杂度和性能的折衷方面优于后两者。 单载波频域均衡系统框图如图15所示。 图１5 单载波频域系统框图 在发射端，信源产生的比特流()d n 经过调制得到符号序列()x n 后,首先经过分块操作成长度为N 的数据块0121(),(),(),...,()N x n x n x n x n -，其中 ()(),01 k x n x Nn k k N =+≤≤- (67） 将每个快的最后g N 个符号拷贝到块首作为循环前缀，得到长度为b g N N N =+的数据块，构成发射符号序列()s n ,通过多径衰落信道()h n 和噪声方差2σ的A ＷGN 信道()v n 到达接收端。 在接收端，接收到的信号()r n 分成长度为b N 的数据块011(),(),...,()N r n r n r n -，其中()(),01k b b r n r N n k k N =+≤≤-。然后对每个酷爱进行删除循环前缀的操作，得到()y n 。使用N 点FFT 将信号变换到频域中,得到频域序列()Y n 。在频域经过
第1节高速数据连接功能简介 10.1.1 高速数据传输的背景 由于现代通信以及各类多媒体技术对带宽的需求迅猛增长，促使一系列基于差分、源同步、时钟数据恢复（clock and data recovery，CDR）等先进技术的互连方式应运而生。在传统设计中，单端互连方式易受干扰、噪声的影响，传输速率最高只能达到200~250Mbps／Line；在更高速率的接口设计中，多采用包含有源同步时钟的差分串行传输方式（如LVDS、LVPECL等），但在传输过程中时钟与数据分别发送，传输过程中各信号瞬时抖动不一致，破坏了接收数据与时钟之间的定时关系，因而传输速率很难超越1Gbps／通道。因此迫切需要新的高速数据传输技术。 在目前系统级互连速率已达到Gbps的设计中，先进的高速串行技术迅速取代传统的并行技术，成为业界的主流。高速串行技术不仅能够带来更高的性能、更低的成本和更简化的设计，克服了并行的速度瓶颈，还节省了I/O资源，使印制板的布线更简单。因此，被越来越广泛地应用于各种系统设计中，包括PC、消费电子、海量存储器、服务器、通信网络、工业计算和控制、测试设备等。高速串行传输一般采用差分线，迄今业界已经发展出了多种串行系统接口标准，例如千兆以太网、万兆以太网、PCI-Express、串行RapidIO、串行ATA 等。 10.1.2 Xilinx公司高速连接功能的解决方案 基于高速的需求和传统技术的弊端，Xilinx公司在Virtex 2 Pro以及更高系列的部分FPGA内部集成了能实现高速数据收发Rocket I/O模块，采用了CML（CurrentMode Logic）、CDR、线路编码（8B／10B）和预加重等技术的Rocket I/O硬核模块，可极大地减小时钟扭曲、信号衰减和线路噪声对接收性能的影响，从而使传输速率进一步提高，最高可达10Gbps以上，可用于实现吉比特以太网、 PCI-Express等常用接口。 除了底层的物理层技术，Xilinx还提供带32 bit LocalLink用户接口的Aurora协议引擎参考设计。Aurora 协议是为私有上层协议或标准上层协议提供透明接口的串行互连协议，它允许任何数据分组通过Aurora协议封装，并在芯片间电路板间甚至机箱间传输。Aurora链路层协议在物理层采用千兆位串行技术，每物理通道的传输波特率可从622Mbps扩展到3.125 Gbps。Aurora还可将1至16个物理通道绑定在一起，形成一个16个通道绑定而成的虚拟链路，可提供50Gbps的传输波特率和最大 40Gbps的全双工数据传输速率。Aurora可支持广泛的应用范围，如：路由器和交换机、远程接入交换机、HDTV广播系统、分布式服务器和存储子系统。在协议中，每个高速串行链接被称为“弄”。 协议引擎通过与高速收发器配合，可创建带LocalLink用户接口逻辑的串并、并串收发器。通过这一串行接口方案，用户无须自己设计有关串行接口所涉及的编解码、同步、速率匹配等问题。用户接口部分包含了所有必要的信号，如协议引擎的状态信号等。 Xilinx通过高品质的技术支持材料来支持其先进的芯片产品，这些材料包括广泛的知识产权核、参考设计、模拟电路模块、信号完整性（SI）设计套件、数字仿真的质量行为模型等。此外，Xilinx还提供了众多设计服务、开发平台以及最佳的FPGA实现工具，可确保用户的所有设计需求都能获得最佳产品和技术支持。
第４０卷 第２期２０１６年３月 激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２Ｍａｒｃｈ，２０１６ 文章编号：１００１-３８０６（２０１６）０２-０１６１-０５ 少模光纤通信频域均衡中的大点数FFT 设计 黄战华，赵宇璐，李桂芳，王云立 （天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室，天津３０００７２） 摘要：为了减小频域均衡系统电路实现的功耗和面积，满足长距离少模光纤通信对均衡器的要求，对关键环节快速 傅里叶变换（ＦＦＴ）电路的实现进行了研究，采用２维分解算法将大点数的ＦＦＴ运算转换为小点数ＦＦＴ处理器的设计，降 低了硬件复杂度。设计了基于现场可编程门阵列的高速蝶形运算核，实现了１６３８４点ＦＦＴ的２维Ｒ２２ ＳＤＦ结构，提高存储器的资源利用率，减少了复数乘法器的使用；进行了理论分析和实验验证，取得了不同时钟频率下的电路结构占用资源的数据。结果表明，ＦＦＴ运算器的正确性得到验证，该ＦＦＴ运算器能够适应少模光纤通信系统中优化频域均衡电路结构的要求，能够实现２００ＭＨｚ数据传输速度的频域均衡实时处理。 关键词：光通信；快速傅里叶变换；现场可编程门阵列；频域均衡；大点数 中图分类号：ＴＮ９２９．１１ 文献标志码：Ａ doi ：１０．７５１０／ｊｇｊｓ．ｉｓｓｎ．１００１-３８０６．２０１６．０２．００３ Long point FFT design for frequency domain equalization of few -mode fiber communication HUANG Zhanhua ，ZHAO Yulu ，LI Guifang ，WANG Yunli （ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｐｔｏ-ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＯｐｔｏ-ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ） Abstract ：Ｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔ’ｓｐｏｗｅｒａｎｄｓｉｚｅｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ（ＦＤＥ）ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆＦＤＥｉｎｌｏｎｇ-ｄｉｓｔａｎｃｅｆｅｗ-ｍｏｄｅｆｉｂｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｆａｓｔＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ＦＦＴ），ｔｈｅｋｅｙｏｆ ＦＤＥ，ｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅｌｏｎｇｐｏｉｎｔＦＦＴｏｐｅｒａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔｏｓｈｏｒｔＦＦＴｂｙｍｅａｎｓｏｆ２-Ｄｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｗａｓｒｅｄｕｃｅｄ．Ｈｉｇｈ-ｓｐｅｅｄｂｕｔｔｅｒｆｌｙｃｏｒｅｂａｓｅｄｏｎｆｉｅｌｄ-ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ２-ＤＲ２２ ＳＤＦｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ１６３８４ｐｏｉｎｔＦＦＴ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｓｏｕｒｃｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｍｅｍｏｒｙａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｕｓａｇｅｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｒｅｓｏｕｒｃｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｌｏｃｋｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｗａｓｃｏｌｌｅｃｔｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄＦＦＴｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆＦＤＥｃｉｒｃｕｉｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｆｅｗ-ｍｏｄｅｆｉｂｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｒｅａｌｉｚｅｒｅａｌ-ｔｉｍｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆ２００ＭＨｚｄａｔａｓｐｅｅｄｉｎＦＤＥ． Key words ：ｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｆａｓｔＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｆｉｅｌｄ-ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｌｏｎｇｐｏｉｎｔｓ 基金项目：国家九七三重点基础研究发展计划资助项目（２０１４ＣＢ３４０１００） 作者简介：黄战华（１９６５-），男，博士，教授，主要从事光电 图像和光电子信息技术等方面的教学和科研工作。 Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｈａｎｈｕａ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０１５-０１-３０；收到修改稿日期：２０１５-０４-０１ 引 言 在少模光纤（ｆｅｗ-ｍｏｄｅｆｉｂｅｒ，ＦＭＦ）通信系统中使用模分复用技术能够扩展信道，可以突破单模光纤信道容量提升的极限，是光纤通信领域研究的热点［１-２］ 。 在少模光纤通信系统中，模式信道的增加导致传输中 存在较大的色散［３］ ，信道均衡对少模光纤通信尤为重 要 ［４］ 。与采用卷积的时域均衡相比，频域均衡（ｆｒｅ- ｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＦＤＥ）具有运算简单、快速 的优势［５］ 。而在使用D 个模式传输的少模光纤通信系统中，均衡器包含D ×D 的自适应线性频域滤波器 矩阵［６］ 。每个模式信道都需要进行４＋４D 次快速傅里叶变换（ｆａｓｔＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＦＦＴ），其中２个ＦＦＴ用于输入，一对ＦＦＴ／ＩＦＦＴ用于更新循环，４D 个 ＦＦＴ用于梯度估计模块［７］ ，频域均衡系统的复杂度主 要取决于ＦＦＴ的复杂度［８］ 。因此ＦＦＴ是少模光纤通信频域均衡系统的关键环节，其实现方式和电路复杂度是制约ＦＤＥ电路实现的主要因素。 在少模光纤中，由模式群延时决定了均衡器的数据块长度，也决定了ＦＦＴ运算器的点数。在前期的研究中，进行了５０ｋｍ的少模光纤通信实验，使用６个模式进行传输，模式群延时为３．１５ｎｓ，符号率为２８Ｇ，采
ISSN 100020054CN 1122223 N 清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2009年第49卷第5期 2009,V o l .49,N o .5w 16 h ttp : qhxbw .ch inaj ournal .net .cn RS -485总线的高速串行远距离数据传输方法 李 成, 王 鹏, 丁天怀, 陈 恳, 耿立中 (清华大学精密仪器与机械学系,北京100084) 收稿日期:2008206220 作者简介:李成(1977—),男(汉),天津,博士后。通讯联系人:丁天怀,教授,E 2m ail :dlnj @tsinghua .edu .cn 摘 要:为实现工业参数的高速远距离长线传输,应用 FPGA 技术,设计并实现了一种基于R S 2485总线的高速串 行数据传输方法。分析R S 2485数据传输的影响因素,阐述系统总体结构,由时钟脉冲传输测试确定了外围接口。利用串行信号的跳变沿作为高速时钟采样检测的起点以实现位同步,采用8B 10B 的链路编码方案,支持高速时钟恢复和数据帧同步,并以双绞线作为传输介质进行了数据传输实验。结果表明:系统在20M b s 传输速率下实现了串行编码数据流沿220m 双绞线电缆的高速远距离数据传输,误码率可达 10 -11 ,为现场原始数据监测提供了高效的传输方法。 关键词:串行通信;R S 2485总线;高速;远距离数据传输中图分类号:T P 274 文献标识码:A 文章编号:100020054(2009)0520068204 RS -485bus -ba sed h igh -speed ser i a l rem ote da ta tran s m ission m ethod L I C he ng ,W ANG P eng ,D I N G Tia nhua i , CHE N Ke n ,GENG L izhong (D epart men t of Prec ision I n stru men t and M echanology ,Tsi nghua Un iversity ,Be ij i ng 100084,Chi na )Abstract :A h igh 2speed serial data trans m issi on m ethod based on R S 2485bus is developed by using FPGA techno logy to i m p lem ent the high 2speed remo te long w ire trans m issi on fo r industrial param eters .T he effects on R S 2485bus 2based data trans m issi on are analyzed .T he p rinci p le structure of system is illustrated,and then the peri pheral interface circuits are determ ined by pulse trans m issi on experi m ents .T he rising falling edges of serial signals are used as the start sym bo ls fo r h igh 2speed clock samp ling to enable bit synch ronizati ons .T he 8B 10B encoded data stream s m ake ti m e 2clock recovery and data fram e synch ronizati ons feasible .T he data trans m issi on experi m ents using tw isted 2pair cable as trans m issi on m edia are perfo r m ed .T he results show that the developed system can perfo rm the high 2speed remo te data trans m issi on along 2202m tw isted 2pair cable at trans m issi on rate up to 20M b s w ith an erro r rate of 10-11 ,w hich offers an effective trans m issi on m ethod fo r the raw monito ring data co llected in the field . Key words :serial comm unicati on;R S 2485bus;high speed;remo te data trans m issi on R S 2485总线系统具有硬件设计简单、 控制方便、成本低廉、传输距离远等优点,现广泛应用于工业控制、小区监控、水情监测、地震勘探等领域[1-2] 。R S 2485接口标准通信的最大传输距离为1200m ,通信速率限制在93.75kb s ;当通信距离为100m 时,通信速率可达12M b s 。 但现有R S 2485系统一般工作在较低传输速率,传输效率也较低。总之,对工业应用而言,目前通常R S 2485的最大传输距离为1 200m ,最高速率在10M b s 左右[3] ,从而制约了工业环境下高速、远距离通讯的应用。 因此,为实现工业现场参数的高速远距离长线传输的需要,以R S 2485标准为物理层基础,比较选用最新接口器件,应用V HDL 语言,基于FPGA 平台,设计并实现了一种R S 2485高速远距离数据传输方法。 1 RS -485传输性能分析 R S 2485电路具有分布参数特性,其电气特性及 信道响应主要由传输电缆、连接器、终端匹配负载及 连接到总线上的R S 2485器件所组成的物理介质的分布电感及电容决定。因此,R S 485传输性能主要与电缆特性、总线阻抗、信号处理方法,以及节点布局与屏蔽等因素有关。 1)电缆特性。 传输电缆的特性阻抗、长度及架构影响R S 2485 数据传输[3] 。电缆的分布电容和分布电感会降低信号的边沿速度,进而降低噪声裕量,而分布电阻直接导致信号电平的衰减。最大的电缆长度取决于电缆直流环路阻抗与终端阻抗的分压,且电缆长度与传 输速率的关系还与可接受的信号抖动有关[4] 。虽然屏蔽电缆可增强噪声抑制能力,提高传输性能,但平衡特性较差且增加质量,降低安装的灵活性。因此,在野外布线时会选择非屏蔽双绞线。