PLC无线/有线数字通信系统的那些坎坷和处

     细细数来自从接触数字通信系统的算法开始，到现在已经有十几年了，这些年做了一些东西，有些量产了，有些做到了算法模型级，有些算是了解。涉及的通信系统包括DVB-C数字电视接收机，电力线载波（PLC），FM，Bluetooth，Zigbee，WiFi以及各种私有制式的无线通信系统；学习研究过的调制解调制式包括MQAM，FM，ASK，(G)FSK，（M）PSK，QPSK，OFDM以及扩频通信等等，几乎覆盖了常见的各种调制方式。　　数字通信系统解决的问题很直接：接收端无误地恢复发送端发送的数据信息。　　数字通信系统通常存在的问题有几大类：　　1、 信号的衰减。这主要是传输信道引起的，无论有线或者无线介质都会对信号造成衰减；　　2、 信道畸变。这个也很容易理解，通信信道并不是对所有频率的信号都一致对待，有些频段的信号可能衰减会大一些；还有一个原因就是信道的反射造成的畸变，多条路径的信号叠加在一起就会有这个影响。 　　3、 发送端、接收端的采样异步和载波偏差。大多数通信系统都是异步通信系统，即发送端和接收端的时钟不是同步的，这就造成了在接收端无法得知接收端的采样时间点；发送端、接收端的晶振频率有偏差也是一个原因，两边的时钟不同步，时间一长就会出现采样点的偏差；载波频率通常是以时钟做参考产生的，因此也存在载波的偏差。　　4、 发送端、接收端的器件电路引起的信号畸变。发射链路上的模块原件，接收链路上的模块原件，以及发送和接收的天线都会有这个影响。这一部分的表现形式很大程度上跟“信道畸变”类似，可以用同样的方法来处理。　　决定系统性能的几个因素：　　1、 发射端的线性度。对没有幅度调制信息的调制方式，比如FSK，发射线性度要求很低；而对带有幅度信息的调制方式，线性度尤为重要，通常来说，调制效率越高的调制方式对线性度要求越高。随着OFDM出现的一系列编码，很大程度的出发点就是为了减少发射信号对线性度的要求，提高PA的发射效率。　　2、 接收端的载波恢复和时间同步。载波恢复是为了纠正载波偏差的，时间同步是为了恢复理想采样点的。载波偏差和采样时钟漂移，是一对孪生兄弟，通常是一起存在的，他们的根源都是由收发两边的时钟异步。在接收端的处理又怎样呢，这是很多做算法和系统的考虑的问题。通常说来，载波偏差是一直存在并需要纠正的，时钟漂移是否要做纠正要看具体的系统参数了。载波偏差检测算法也是比较多的，实现起来也很直接；时间同步算法，跟载波恢复算法相比，要复杂一些，检测和跟踪也要求高一些，因为他是一个及其缓慢的过程。举例来说，在载波2.4GHz的系统中，收发两边的时钟偏移40ppm，那么载波偏差会是2.4e9*40e-6=96KHz，很多载波偏差检测算法可以检测到；但时间同步检测就难度很大，因为他是40ppm的一个缓变量，误差的检测和跟踪必须谨慎，处理不好会适得其反。问题又回到原点：时间同步要不要做呢？有一次有个业界的朋友咨询我说他们接收端的时间同步算法不知道要怎么做，我就问他为什么要做时间同步呢？他表示很疑惑：难道可以不做吗？的确如此！要不要做时间同步是跟系统的参数要求相匹配的，要不要做、怎么做都要根据系统参数和最终产品定义的性能来决定。　　3、 信道响应的估计和均衡。这一块领域的算法也有很多，针对不同的调制方式也有特定的处理方式，比如采用什么形式的前导码来做信道估计，采用时域均衡器还是频域均衡器；在没有前导码的系统里面需要采用一些盲均衡的算法来做信道估计。在采用数据包格式的通信系统里面，均衡器的设计也是有不少tradeoff的，数据包在信道中的时间很短，是否可以认为信道参数是不变的？那有此推开来，是否在接收端不需要做信道参数的tracking？就拿WiFi的接收来说，在preamble部分完成了信道参数的估计，那在后面数据接收部分是否将均衡器的参数固定不变呢？这些细节的处理，肯定会对最终的性能，比如sensitivity产生一些影响，具体结论需要做大量的现场测试了~~　　4、 接收端的自动增益控制（AGC）。AGC主要是放大天线端的信号到一定幅度满足数字采样的最大SNR，这是最直接的功能。有许多隐藏在背后的问题会直接影响接收机的性能。AGC通常是进入接收机首先要完成的一项工作，AGC如果不能收敛后面的工作就不能开始，当然有些恒包络的接收机是例外。AGC算法看似简单直接，其实很有学问，要做好这个算法，必须对RF接收链路模块性能了解很清楚。接收机工作ok的话，恭喜你；如果出现工作不正常的状况，特别是信号强度足够大但性能却不够好的状况，这时就需要重新审视AGC算法了，哪里出了问题？会不会有saturation出现？同样的问题，在有带外干扰的情况下，如何设计好的AGC算法？ 这个问题又提升到了接收机系统的设计：怎么处理带外信号的干扰？如果是定义私有协议，AGC的反应时间会可以预留的长一些；如果是要做标准的接收机那就必须要设计快速有效的AGC算法。　　5、 接收机在前导码（preamble）时间内要完成的工作。这主要是针对以数据包格式接收的通信系统，就以我个人比较熟悉的Bluetooth、WiFi、Zigbee来举例说明吧。通常说来接收机要在preamble完成AGC算法收敛、载波偏差的估计、时间同步、信道响应估计，事情还挺多挺复杂的，如果是顺序执行的话，WiFi和Zigbee时间上还算充裕，Bluetooth就很紧张了（我经常想为什么Bluetooth这物理层的协议是怎么想出来的，这个地方比较别扭）；如果是并行进行的话，需要做很多考虑，包括过采样倍数和具体算法的选择等等。　　发送端的设计，对算法来说难度不是很大，RF的设计工作比较大，当然要做一些特殊的结构，比如超低功耗采用的direct modulation结构，需要算法和RF模块设计的紧密配合；接收端的设计，对算法和RF模块的设计都是很大的挑战，除了两边要协调好状态的控制之外，两者还要做好各种功能的合理划分。　　接收端的系统架构设计比发送端灵活很多，采用高中频接收还是低中频甚至零中频接收？模拟和RF哪些模块需要工艺参数的自动校准？校准过程是否需要数字辅助？数字采样处理是过采样还是欠采样算法？直流分量是否需要数字参与cancellation？镜像信号的抑制是否需要数字处理还是在模拟部分处理？　　每一个问题背后都有一系列的处理方式，这些处理方式又有N多的排列组合，想想这些就汗啊！　　对每一种通信系统来说，并不是把所有的东西都加上去就是最好的，但他肯定有最合适的，性能、成本、上下游的接受程度都是考虑因素。我的算法做的不够好就不能用吗？也不是如此，算法做不好也有很多解决方法，比如别人对器件的容忍度+/-40ppm，你做的查一些那就做到+/-20ppm好了；有些通信系统有生固来是对外围器件挑剔的，比如很多的窄带通信系统，像WT和一些抄表用的，带宽几k数量级的，这些算法几乎都无效，还是挑晶振吧，+/-5ppm行不行？不行的话就+/-1ppm或者换TCXO吧！ 

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