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HART通信技术是工业自动化最重要的现场总线协议之一,该技术在广泛使用的4-20mA模拟通信环路上叠加小幅数字载波信号进行半双工数字通信。HART PSK物理层在现有的FSK调制解调基础上新增了C8PSK调制解调,可将HART数字通信效率提高10倍。但C8PSK调制解调本身复杂,信号传输时容易发生畸变,而且HART对功耗要求严格,因此到目前为止,HART C8PSK调制解调器始终未能得到实际应用。本文以HART PSK数字接收机为主要研究对象,以信道特性为基础,研究了接收机中关键模块的低功耗和高性能算法。论文主要工作和创新如下:
1.首先分析了HART PSK物理层实现高性能和低功耗数字载波通信所需解决的关键问题,并论述了相关技术研究现状和存在的问题。详细论述了HARTPSK最佳接收准则,最佳接收机结构以及相关模块算法的特点。
2.建立HART PSK物理层信道的理论传输模型和分段电路简化模型,通过仿真和实际测量,对比验证了两种模型的精确性和一致性。进一步研究了信道的频率特性曲线,脉冲响应特性,以及信道幅频响应和相频响应的对应关系。并分析了信道中主要噪声源的特性,给出了噪声合并计算方法和信道合成噪声的特性。
3.同步是C8PSK载波信号相干解调的关键,常规算法很难满足低功耗和快速收敛要求,为此提出将C8PSK同步分成捕获和跟踪两步实现,研究新同步算法提高同步偏差估计速度和精度,并改进同步补偿环路控制策略来提高同步系统稳定速度。对于同步捕获,提出两种快速数据辅助(DA,Data-Aided)同步算法,使用简单加法窗来实现同步快速稳定,并进一步分析它们的本质,给出了推广算法。对于同步跟踪,研究了2倍过采样率判决反馈(DD,Decisions Directed)低功耗同步跟踪算法,该算法使用自噪声补偿提高参数估计精度;同时DD算法的低速率输入使得均衡器工作频率降低,大幅降低了其功耗。在载波补偿上,采用8象限判决和小数相角线性近似策略,改进了常规旋转数字计算(CORDIC,Coordinate Rotation Digital Computer)算法,使得同等相角精度下迭代计算次数减半;分析了低功耗数字锁相环(DPLL,Digital Phase Lock Loop)的大时滞特性,提出了基于采样控制原理的大时滞DPLL控制策略。在位定时补偿上,利用一阶自适应Kalman环路滤波算法解决了定时跟踪环路的延时和噪声干扰问题。
4.信道估计和均衡等自适应接收模块功耗很大,本研究通过多功能模块和均衡器结构改进,提高系统性能,降低系统功耗。研究了HART PSK前导码信号联合时频分析方法,并给出了时频分析稳定速度最快,稳态波动最小的最小均方误差(MMSE,Minimum Mean Sqtlare Error)低通滤波策略。基于时频分析结果、信道传输特性和两种前导码信号的频谱,提出一种简单的信道估计、自动调制识别和自动增益控制联合算法。根据信道传输特性和信道估计输出,设计了一种基于CSD(Canonic Signed Digital)编码的预置式分数间隔均衡器,大幅减小了均衡器每次计算的功耗。
5.研究了FSK和C8PSK一体化调制解调器设计方案:提出了一种复用C8:PSK接收机结构的简单FSK解调算法;并提出C8PSK两倍采样信号的码元判决算法,与码元速率采样的最佳判决相比,可以实现2dB SNR改进。对HART PSK物理层电路系统设计给出了3种不同层次的验证策略,并对其功耗进行了详细分析,验证和分析结果证明了本研究的HART PSK物理层电路具有较高的性能和较低的功耗。