基于ARM自适应均衡器的设计与实现

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无线通信中，信号在非理想信道传输时总是存在失真，具体表现为码间干扰[1，2]。为降低干扰，通常在接收端采用自适应均衡器进行失真补偿。自适应均衡器一般由横向滤波器组成，这是自适应均衡器中最易实现的形式，也是实际应用比较广泛的一种方法[3-5]。

ARM作为嵌入式的主流核心架构，具有高速度、高精度和智能化等优点，逐渐取代了单片机技术，占据了绝大部分市场。在工业控制、移动设备、智能仪表、信息家电和网络通信等领域有广泛的应用[6-9]。

本文利用ARM的高速度、高精度和低功耗优点，采用μC/OS-Ⅱ系统，构建了基于ARM7的自适应均衡器。

1 系统设计

自适应均衡器系统框图如图1所示。


1.1 系统功能
采集的模拟数据经调理后，通过多路选择开关进行A/D转换，进入主处理器。在主处理器调用LMS算法对采集的数据进行自适应均衡，处理后的数据通过LCD模块显示。系统自带键盘，可以方便现场调试和算法参数调整。同时系统通过RS-232接口与上位机进行通信。

1.2 ARM微处理器

本系统采用Philips公司生产的LPC2131微处理器，它是基于一个支持实施仿真和跟踪的16/32位ARM7TD-
MI－S CPU的微处理器，具有高性能和低功耗的特性。

该处理器结构主要包括8 KB的片内RAM，多个串行接口，1个8位A/D转换器，2个32位定时器。处理器可通过外部存储器接口进行扩展。这些功能结构使LPC2131特别适用于工业控制和医疗系统。

1.3 人机交互接口

控制器具有一个LCD接口，用于实时显示采集的数据和经过自适应均衡后的数据，以方便工作人员现场调试和观察设备运行。该接口可以支持图形液晶。本系统采用128×64模组STN点阵图形液晶模块[10]。该模块由列驱动器HD61202和行驱动器HD61203组成，可直接与8位CPU相接。两个控制器原理基本相同，可以简化显示模块的设计。

2 算法原理

线性均衡器结构如图2所示。其中滤波器可以采用FIR或IIR结构。由于IIR滤波器存在不稳定性问题，因此采用FIR滤波器，其结构如图3所示。

工作原理为：发方首先发送一训练序列，收方收到经信道已失真的序列，再经滤波器得到，以此序列与训练序列相减得到误差εk，将误差输入自适应算法模块，根据算法不断调整滤波器系数，直到误差接近最小或达到允许误差范围内，此时均衡器能够使前后序列误差最小，从而进入锁定状态。此后就不再需要训练序列，这样均衡器就能够实现对信道码间串扰的补偿或抑制功能。目前最常用的自适应算法是最小均方误差算法，即LMS算法。它是一种易于实现、性能稳健、应用广泛的算法。依据原理框图和均方误差原则，可以得到LMS算法如下：设滤波器的输入为x(n)，理想输出为d(n)，实际输出为y(n)，滤波器系数为ωi(n)，(i=0，1，…，M-1)，则：


3 软件设计

在软件设计中采用了抢占式实时多任务μC/OS-Ⅱ操作系统。此操作系统内核具有简洁、稳定、实时性强等优点，可以简化应用系统设计，使整个系统结构简洁，应用程序易于维护。

3.1 初始化函数

完成系统硬件和软件初始化工作。其中硬件初始化工作包括中断、键盘和显示初始化，为系统正常工作做好准备；软件初始化主要创建一个任务，完成时钟、中断和通信模块的启动。

3.2 系统任务

本系统根据任务的重要性，分为4个不同的优先级任务:系统监控、AD采样、键盘输入、LCD显示。其功能如图4所示。


3.3 算法流程

为实现软件的以上功能，利用C语言在ADS集成环境中编程实现基于LMS算法的自适应均衡器算法。其算法流程如图5所示。


4 试验结果

为验证系统的有效性和可靠性，进行了算法验证。首先采集500个数据并保存，然后进行LMS自适应均衡，得到如图6所示的结果。图中上半部分为带噪声的原始输入信号波形，下半部分为均衡后的输出信号波形。从图中可以看出，该算法均衡效果良好，达到了设计要求。

本系统以ARM7为平台，设计了基于LMS算法的自适应均衡器，消除了无线通信中的码间干扰问题。系统体积小、功耗低、便携性强。通过实验验证了系统的可靠性和有效性，具有一定的实用价值。