基于wia-pa無線網(wǎng)關(guān)的數(shù)字信號處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具體地說是一種應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)能夠自適應(yīng)變頻數(shù)字基帶干擾抑制的數(shù)字信號處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)與WLAN、藍牙設(shè)備工作在2.4G的公共頻率上，受到的干擾也由此增大；其低功耗的特點決定了其在工作時節(jié)點模塊的發(fā)射功率通常小于10mW,加之其工作頻點帶寬為5MHz，更不利于信號的無損傳輸。
[0003]WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)工作帶寬為83.5MHz，大多數(shù)ADC無法滿足如此寬的采樣帶寬；即便滿足，成本的增加也是難以令人接受的。物理層協(xié)議處理全部由IC完成，擴展性以及系統(tǒng)適應(yīng)及功能的可擴展性差。
[0004]目前業(yè)界的沒有類似數(shù)字基帶干擾抑制技術(shù)，必須通過物理層芯片本身集成的濾波器進行濾波，可這個濾波器的性能并不能滿足復(fù)雜現(xiàn)場的應(yīng)用，在組網(wǎng)前后均需要大量的人工勘測與調(diào)試工作，不僅效率低，而且效果并不顯著，并且已經(jīng)有很多失敗的應(yīng)用案例。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述技術(shù)不足，本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)全數(shù)字化處理，提升無線網(wǎng)關(guān)的抗干擾能力及集成度，提供一種用于網(wǎng)關(guān)的高帶寬、可靠性實時性好、靈活性高的基帶WIA-PA數(shù)字信號處理方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:基于WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)的數(shù)字信號處理方法，包括以下步驟:
[0007]將接收的射頻信號進行采樣并通過數(shù)字控制振蕩器得到無線信號；
[0008]對無線信號進行功率控制和信道選擇，根據(jù)選擇的信道進行干擾抑制處理；再依次通過位同步、OQPSK解調(diào)、OQPSK解擴得到接收到的原始數(shù)據(jù)。
[0009]所述進行信道選擇包括以下步驟:
[0010]將無線信號帶寬分成多段，每段對應(yīng)多個設(shè)定的信道，根據(jù)工作信道設(shè)定本振頻率，使本振頻率與工作信道頻率對應(yīng)。
[0011]所述干擾抑制處理包括以下步驟:
[0012]建立多個截止頻率且階數(shù)不同的數(shù)字低通濾波器；根據(jù)無線信號的強度選擇不同的數(shù)字低通濾波器。
[0013]所述位同步包括以下步驟:
[0014]數(shù)字低通濾波器輸出I路和Q路基帶信號，分別獲取兩路信號的下降沿作為輸入相位基準信號；
[0015]如果I路、Q路輸入相位基準信號超前或滯后于本地時鐘分頻后的相位脈沖N個，則I路鎖定數(shù)據(jù)模塊、Q路鎖定數(shù)據(jù)模塊分別通過內(nèi)部計數(shù)器扣除或附加N個脈沖，作為I路、Q路同步脈沖反饋至同步時鐘模塊；
[0016]同步時鐘模塊根據(jù)I路、Q路同步脈沖鎖定I路、Q路通道數(shù)據(jù)的中點并在中點處輸出采樣時鐘輸出至I路、Q路鎖定數(shù)據(jù)模塊、輸出串行位同步脈沖直接透傳；
[0017]I路鎖定數(shù)據(jù)模塊、Q路鎖定數(shù)據(jù)模塊根據(jù)采樣時鐘分別輸出并行的I路數(shù)據(jù)和Q路數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)后輸出。
[0018]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點:
[0019]1.本發(fā)明能更好的抑制干擾，提升WIA-PA工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的無線環(huán)境適應(yīng)能力；避免大量的人工勘測與調(diào)試工作。
[0020]2.本發(fā)明能夠通過不同濾波器的選擇，可以根據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用情況靈活配置，在無線環(huán)境變化時能夠方便的實現(xiàn)。
[0021]3.通過位同步方法可以最大程度恢復(fù)原始信號，即便受到干擾，也能通過相關(guān)檢測恢復(fù)原始信號。
[0022]4.解決了現(xiàn)有芯片的鄰頻干擾問題，擴大了組網(wǎng)規(guī)模。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖2是無線網(wǎng)關(guān)下變頻結(jié)構(gòu)原理圖；
[0025]圖3是數(shù)字基帶接收數(shù)據(jù)流程圖；
[0026]圖4是功率控制流程圖；
[0027]圖5是位同步原理圖；
[0028]圖6是抽樣判決示意圖；
[0029]圖7是數(shù)字中頻信號處理框圖；
[0030]圖8是上/下行數(shù)字中頻鏈路信號流程圖；
[0031]圖9是調(diào)制信號處理流程圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0033](一)數(shù)字基帶干擾抑制方法
[0034]本發(fā)明所述網(wǎng)關(guān)屬于多個功能模塊組合在一起的獨立的模塊，它一般是由下變頻器、數(shù)字基帶處理板、上變頻器三個個獨立的功能模塊組成。本發(fā)明的WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的工作原理以及其數(shù)字中頻單元原理簡要介紹一下:
[0035]如圖1所示的無線網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)組成，無線網(wǎng)關(guān)的天線接收到節(jié)點發(fā)送過來的信號，下變頻到中頻信號，經(jīng)高速ADC變換到數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)字控制振蕩器的數(shù)字信號處理后按照IEEE802.15.4-2006協(xié)議標準進行物理層、下MAC層協(xié)議的數(shù)據(jù)處理，再經(jīng)CPU進行上層協(xié)議處理后傳至上一級的服務(wù)器中，無線網(wǎng)關(guān)通過RJ45接口與上級服務(wù)器進行通信
[0036]發(fā)送部分，CPU依照WIA-PA標準對數(shù)據(jù)完成上層協(xié)議進行處理后送入數(shù)字中頻采樣及基帶處理單元(FPGA)完成下MAC層和物理層的數(shù)據(jù)處理，經(jīng)上變頻后，由射頻功放完成信號的放大，經(jīng)天線發(fā)送至節(jié)點。這樣完成了整個系統(tǒng)的組網(wǎng)。
[0037]圖2所示為無線網(wǎng)關(guān)接收端的射頻處理流程，天線接收到的2.4G射頻信號經(jīng)過第一級放大器放大后，進入混頻器混頻(鎖相環(huán)PLLl根據(jù)CPU提供的不同通信信道改變對應(yīng)的頻率)始終將頻率變?yōu)?6MHz的中頻信號；在對信號進行第二級放大后進入數(shù)字基帶處理板進行數(shù)字信號處理。在FPGA中，物理層到MAC層的映射嚴格遵照IEEE802.15.4協(xié)議實現(xiàn)。
[0038]數(shù)字基帶處理板主要包括電源，CPU，一路ADC和一路DAC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，數(shù)字中頻采樣及基帶處理單元，時鐘單元，時鐘管理單元等；其中，數(shù)字中頻采樣及基帶處理單元由FPGA實現(xiàn)，如圖7所示。
[0039]本發(fā)明中，數(shù)字基帶干擾抑制處理是放在FPGA數(shù)字信號處理單元中實現(xiàn)。FPGA中，主要實現(xiàn)了數(shù)字信號處理(抽取、差值、濾波等)，位同步與校驗、信道編碼、解碼，功率控制，以及干擾抑制等功能。WIA-PA最主要的干擾為上行干擾，這是因為節(jié)點模塊由于低功耗考慮，發(fā)射功率無法提高，更容易受到同頻率的WIFI信號的干擾；而網(wǎng)關(guān)對于功耗并不敏感，所以下行可通過提高發(fā)射功率來實現(xiàn)抗干擾。數(shù)字基帶干擾抑制處理只在上行鏈路中實現(xiàn)，F(xiàn)PGA大體的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)請參見圖3。
[0040]1.功率控制實現(xiàn)流程如圖4所示:
[0041]信號經(jīng)過ADC采樣和NCO (數(shù)字控制振蕩器)后變?yōu)?、Q兩路信號，分別將I路、Q路信號的平方并相加，得到的結(jié)果與設(shè)定的上門限進行比較，若超出門限則控制ADC前端衰減芯片以IdBc步進進行相應(yīng)的衰減，否則與下門限比較，低于下門限則以0.5dBc步進減少衰減值，以保證信號的功率可以滿足系統(tǒng)的要求；若信號強度處于上門限與下門限之間則不做任何處理。
[0042]2.信道選擇與干擾抑制:
[0043]將無線信號帶寬分成多段，每段對應(yīng)多個設(shè)定的信道，根據(jù)工作信道設(shè)定本振頻率，使本振頻率與工作信道頻率對應(yīng)完成信道選擇。
[0044]建立多個截止頻率且階數(shù)不同的數(shù)字低通濾波器；根據(jù)無線信號的強度選擇不同的數(shù)字低通濾波器。本實施例采用40階與60階數(shù)字低通濾波器，如果帶外干擾信號的強度小于-70dBm，則選用40階數(shù)字低通濾波器，如果大于_70dBm，則選用60階數(shù)字低通濾波器。數(shù)字低通濾波器的選擇采用兩種操作方式，即自動選擇與人工選擇。自動判斷的依據(jù)來自于CPU上層協(xié)議中功率統(tǒng)計與健康報告；人工選擇方式是通過配置相應(yīng)的數(shù)字低通濾波器選擇開關(guān)來實現(xiàn)的。
[0045]WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的通信信道是由CPU根據(jù)WIA-PA標準所確定，由于是時分系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送時所用的信道號可作為數(shù)據(jù)接收時的信道號，若下一個使用的信道號包含在5個頻點內(nèi)，則不改變鎖相環(huán)配置，否則改變鎖相環(huán)配置，已達到覆蓋16個信道的目的；本發(fā)明應(yīng)用的ADC采樣帶寬為25MHz，可覆蓋5個通信信道，覆蓋11?26通道只需要改變鎖相環(huán)4次即可。此實現(xiàn)方法可以將系統(tǒng)時鐘速率由250MHz降低為128MHz或者更低，實現(xiàn)成本可降低2/3，并且可以盡可能的減少鎖相環(huán)頻率變更的次數(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0046]系統(tǒng)完成信道選擇后的數(shù)據(jù)進入數(shù)字低通濾波器，完成對于帶外干擾的抑制。數(shù)字低通濾波器共有2個模式可供選擇，根據(jù)截止頻率的不同分為高、低兩檔，可以更好的適合應(yīng)用