在噪聲和干擾環境中運行的嵌入式通信系統解決方案

當受到電磁干擾時，發射器和接收器之間的通信就會中斷。當出現干擾信號時，電磁頻譜的某一區域將無法使用。無線電、移動電話、GPS、M2M、藍牙、Wi-Fi、工業/科學/醫療（ISM）射頻模塊和衛星連接等系統是當今在超高頻（UHF）頻段工作的主要通信系統，當這些系統因噪聲而無法使用時，就需要一個應急通信系統。1

該系統應結合自動信道掃描、跳頻和信道監聽，并利用接收信號強度指示器（RSSI）信息區分噪聲和數據，以提供多信道廣播和接收。本文介紹了一種安全無線通信系統，該系統可在電磁噪聲和干擾的影響下進行自動信道掃描和信道同步，以創建新的通信信道。該系統是通過芯片上的可編程系統平臺實現的。

對幾種商用射頻接收器、射頻發射器和射頻接收器/發射器模塊進行了研究。之所以選擇HopeRF RFM22B收發器模塊，是因為它具有信道選擇、跳頻、RSSI反饋和多信道射頻通信功能。

然而，實現設計的功能是算法和嵌入式系統平臺的能力。目前有多種平臺可供選擇，包括Raspberry Pi、2 Zynq、3 Jetson、4 Altera CycloneII、5 Beagle Bone、6 Odroid、7 STM328和Cypress PSoC9。本研究采用Cypress PSoC，因為它具有CPU內核和可配置的模擬與數字模塊，這使其有別于傳統微控制器。Cypress PSoC在算法的實施、開發和調試階段為設計人員提供了易用性。

在這一設計中，有一個提供待發送數據的主電路、一個接收發送數據的副電路和一個噪聲發生器，用于測試通信系統在干擾情況下的性能。噪聲發生器充當干擾器，在所需信道上進行廣播。主設備確保鍵盤輸入的數據在不含噪聲的空信道上傳輸。副設備與主設備調諧的信道同步捕獲數據。數據已接收的通知也會發送到主設備。相關算法可確保數據以安全可靠的方式傳輸。10-13

系統描述

RFM22B是一款低成本無線ISM收發器模塊，工作頻率范圍為240-960MHz。它在接收模式下的功耗為55.5mW，在發射模式下的最大功耗為265mW。RFM22B通信模塊的接收靈敏度為-121dBm，最大輸出功率為+20dBm。考慮到工作頻率下的自由空間路徑損耗，這些模塊可在開放空間內提供長距離通信。

天線分集和跳頻支持可用于擴展范圍和提高性能。自動喚醒定時器、低電量檢測器、64字節Tx/Rx-FIFO、自動數據包處理和前置信號檢測等附加系統功能可降低總體功耗，并支持使用低成本系統MCU。14

Cypress PSoC包含一個CPU內核以及可配置的模擬和數字模塊，這使其有別于傳統的微控制器。PSoC和RFM22B模塊使用串行外設接口(SPI)協議進行通信。SPI連接如圖1所示。RFM22B通過SCLK、SDI和nSEL引腳接收PSoC的數據。PSoC從RFM22B收發器的SDO輸出引腳讀取數據。通過Cypress PSoC Creator軟件，可以為PSoC 5LP片上系統生成程序。

圖1 PSoC Creator程序中RFM22B的SPI連接。

通信協議用于寫入或讀取集成在PSoC上的寄存器。SPI數據交換如下：

1比特讀寫選擇比特（R/W）以16比特字符串的形式出現，其后7比特為地址空間，最后8比特為數據。在這里，如果讀寫選擇比特為0，則從7比特地址讀取數據，如果為1，則向7比特地址寫入數據。

在寫入所需地址后，SS引腳置零，R/W比特置1，所需地址將在隨后的7比特中發送。地址之后的8比特數據也以這種方式寫入所需地址。寫入是通過在時鐘信號上升沿傳輸一個比特來完成的。

在SPI協議中，必須先將SS引腳置零，才能開始數據交換，而且必須以這種方式選擇副電路。如果沒有選擇副電路，則無法進行數據交換。在讀取操作中，R/W比特被置零，地址在隨后的7比特中發送。地址后面的8比特數據被置零，并填充從該地址讀取的數據。與寫操作一樣，該操作在時鐘信號的上升沿執行。

RFM22B采用SPI協議編程，允許使用頻移鍵控(FSK)、15 高斯頻移鍵控(GFSK)16和開/關鍵控(OOK)17調制類型。

主電路和副電路設計

嵌入式系統設計采用PSoC 5LP片上系統（圖2）。在主電路中，有一個用于輸入數據的鍵盤、一個2x16 LCD用戶界面屏幕、一個RFM22B收發器模塊和一個用于產生多通道射頻信號的天線單元。在副電路中，鍵盤的使用是可選的，單向通信則不需要鍵盤。

圖2 主電路和副電路框圖。

在主電路中，采用I2C串行通信協議的微型鍵盤(cardKB)用于向系統輸入數據。它的尺寸僅為84×54mm，有50個按鍵、一個neopixel LED、一個Atmega328P處理器和一個通信端口。使用shift、ctrl、alt、sym和fn鍵可以發送不同的字符。

圖3是采用CY8C5868AXI-LP035型PSoC的主/副電路的原理圖。PSoC采用100引腳薄型四扁平封裝，由24MHz晶振提供時鐘。串行線調試編程輸出用于方便編程操作。

圖3 主/副電路圖。

噪聲發生器電路可進行外部參數調整，也可用作測試干擾器（圖4）。噪聲發生器電路中的微型開關（DIP開關）用于選擇噪聲注入的頻段。

圖4噪聲發生器電路框圖

通信系統印刷電路板（PCB）如圖5所示。紅色為主電路板和副電路板，黑色為多通道射頻噪聲注入電路板。

圖5 制作的通信系統印刷電路板組件。

實驗結果

圖6的設置用于系統評估。

圖6測試電路框圖

情景1：在有噪聲的情況下從不同信道傳輸數據包

在第一種情況下，在傳輸由八個字母"DATATEST"組成的樣本信息時，在不同信道中注入噪聲，以檢驗系統的動態行為。單詞"DATATEST"的每個字母以1秒的間隔傳輸，系統通電時環境中沒有噪聲信號。

在信道無噪聲期間，"DATA"從頻率為300MHz的信道1發送到接收機。緊接著，噪聲發生器啟動，噪聲被注入300至340MHz頻段?？招诺罀呙杷惴ㄩ_始查詢其他信道，以傳輸數據串的剩余部分。由于頻率在300和340MHz之間的信道中存在噪聲，頻率為350MHz的信道6上的主單元和副單元建立了連接，并發送了"TE"。此時，噪聲被注入350至380MHz頻段。同樣，信道掃描算法在390MHz的信道10上建立連接，發送最后兩個字母"ST"。這樣，數據包的傳輸（盡管是部分傳輸）就完成了。情景1的頻譜分析儀截圖如圖7所示。在不同時間信道隨機產生噪聲的情況下，信道跳頻成功地傳輸了測試數據。圖8進一步說明了這一點。

圖7 隨機噪聲注入情況下的自動跳頻性能：在信道中無噪聲的情況下，從頻率為300MHz的信道1向接收機發送"DATA"（a）；信道1至5中存在噪聲，在頻率為350MHz的信道6向接收機發送"TE"（b）；信道1至9中存在噪聲，在頻率為390MHz的信道10向接收機發送"ST"（c）。

圖8 存在噪音時的數據包傳輸。

情景2：注入動態噪聲的圖像傳輸

傳輸符號"1"的5×5像素灰度圖像（圖9a）。每個像素在黑白之間有255種色調。當環境中沒有噪聲時，預計所有數據都在同一信道上傳輸。然而，在存在時變噪聲的情況下，數據包可能不會完全在同一信道上傳輸，而是從不同的信道上分批傳輸。

這些信息通過頻率為300MHz的第一信道傳輸。當在t1至t3時間間隔內向300MHz信道注入噪聲時，第二和第三個像素的灰度值（25和66）將從頻率為310MHz的第二個信道傳輸。由于t3至t25時間間隔內的噪聲隨機變化，數據部分在最合適的空信道中傳輸（圖9b）。

圖9 隨時間變化的圖像數據傳輸與動態噪聲注入：圖像映射（a）和傳輸頻率與時間間隔（b）。

結論

一種新型通信系統采用PSoC實現了掃描功能。它能在出現噪聲或干擾時改變信道，同時通過檢測到的清晰信道保持數據流。所開發系統中用于信道掃描、發射機-接收機同步和成功接收的信息確認算法非常新穎。

RFM22B可使用FSK、GFSK和OOK調制技術。它使用SPI串行通信協議進行通信。PSoC SPI模塊簡化了射頻模塊的編程。

主設備確保從鍵盤輸入的數據通過第一個無噪聲的空閑信道傳輸。副設備通過掃描空閑信道從主設備獲取數據。

在嘈雜的環境中，通過在使用所開發算法創建的信道之間循環，可確保安全的射頻通信。已演示原型的主、副和噪聲發生器電路支持240-960MHz的頻率范圍（300-400MHz的頻率范圍用于測試），并給出了多通道系統的一般解決方案。

參考資料

1.F. Sahin, “Telsiz Haberlesme Standartlar?,”Istanbul Ayd?n üniversitesi Dergisi,Vol. 7, No. 27, August 2015, pp. 15–30.

2.E. Upton and G. Halfacree,Raspberry Pi User Guide, John Wiley & Sons,2014.

3.L. H. Crockett, R. Elliot, M. Enderwitz and R. Stewart,The Zynq book: embedded processing withthe ARM Cortex-A9 on the Xilinx Zynq-7000 all programmable SoC,Strathclyde Academic Media, Glasgow, 2014.

4.S. A. Mittal, “Survey on Optimized Implementation of DeepLearning Models on the NVIDIA Jetson Platform,”Journal of Systems Architecture,Vol. 97, August 2019, pp. 428–442.

5.R. Mustafa, M. A. Mohd Ali, C. Umat and D. Al-Asady, “Design andImplementation of Least Mean Square Adaptive Filter on Altera Cyclone II FieldProgrammable Gate Array for Active Noise Control,”Proceedings of the IEEE Symposium onIndustrial Electronics & Applications, October 2009, pp.479–484.

6.D. Molloy, Exploring BeagleBone:Tools and Techniques for Building withEmbedded Linux, John Wiley & Sons, 2019.

7.M. H?hnel and H. H?rtig, “Heterogeneity by the Numbers: A Studyof the ODROID XU+E big.LITTLE Platform,”6th Workshop on Power-Aware Computing and Systems,October 2014.

8.“STM32 32-bit Arm Cortex MCUs,” STMicroelectronics, Web//www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32-arm-cortex-mpus.html.

9.R. Ashby,Designer’sguide to the Cypress PSoC, Newnes, 2005.

10.B. Tasci and Y. Erol, “Wireless Elevator Call System Design withPSoC,”Proceedings of theInternational Conference on Applied Automation and Industrial Diagnostics,September 2019.

11.B. Tasci and Y. Erol, “PSoC Based Embedded RF LinkDesign,”Proceedings ofthe 13th International Conference on Communications, June 2020, pp.381–385.

12.B. Tasci and Y. Erol, “PSoC Based Illuminance Level Control forPanoramic Elevators,”Asans?rSempozyumu, October 2018.

13.B. Tasci and Y. Erol, “PSoC Based Touch LED Dimmer Design,”URSI-TüRKiYE’2014 VII, Bilimsel Kongresi, September 2014.

14.“RFM22BW RF Transceiver,” HopeRF, Web//www.hoperf.com/modules/rf_transceiver/RFM22BW.html.

15.D. J. Goodman, P. Henry and V. Prabhu, “Frequency-HoppedMultilevel FSK for Mobile Radio,”TheBell System Technical Journal, Vol. 59, No. 7, September 1980, pp.1257–1275.

16.B. Xia, C. Xin, W. Sheng, A. Y. Valero-Lopez and E.Sánchez-Sinencio, “A GFSK Demodulator for Low-IF Bluetooth Receiver,”IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol. 38, No. 8, August 2003, pp. 1397–1400.

17.Z. Wang, P. -Y. Chiang, P. Nazari, C. -C. Wang, Z. Chen and P.Heydari, “A CMOS 210-GHz fundamental transceiver with OOK modulation,”IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol. 49, No. 3, March 2014, pp. 564–580.