低功耗HART C8PSK位同步与均衡技术

"本文提出了一种针对高速HART C8PSK通信系统的低功耗位同步与均衡设计方案。该方案能够显著降低系统功耗并提高抗噪声性能，特别适合于工业现场仪表通信应用。" 在HART (Highway Addressable Remote Transducer)通信协议中，数字信息是通过叠加在4mA至20mA的模拟信号上的微小数字信号来传输的，以实现双向通信。第一代HART协议基于FSK，而第二代协议引入了C8PSK调制，提高了数据传输速率。然而，早期的HSH接收机由于功耗过高，未能满足工业现场的安全标准。 本文关注的是高速HART C8PSK协议，其中数字信号采用8阶相移键控（8PSK）调制，载波频率为3200Hz，传输速率为9600b/s，波特率为3200 baud/s。为了减小噪声影响，协议要求采用相干解调。3位二进制数通过格雷码编码映射成一个码元，并通过滚降因子为0.5的平方根升余弦滤波器进行发送。 HART通信信道可等效为一阶RC低通滤波器，其特性随导线长度和类型变化。由于C8PSK使用更宽的频段，相比FSK，它更容易受到信道失真的影响。因此，接收端需要一个均衡器来校正这些失真。原有的HSH接收机结构中，均衡器的功耗占比较大，主要因为其以信号采样率工作。 为了解决这个问题，文章提出了一个新的位同步与均衡结构。这个结构通过优化位同步初始化，加快了位同步的稳定速度，减少了位同步跟踪的计算频率和信号采样需求，从而降低了均衡器和插值器的工作频率，有效减少了功耗。此外，针对HART信道特性，设计了一种基于CSD（Complementary Sequence Dual）编码的均衡器，能够在每个采样点降低均衡运算的功耗。 系统整体设计中，通过资源复用策略，大大节省了硬件资源。通过分析和仿真，这种新结构不仅显著降低了功耗，还显示出了优秀的抗噪声性能。这使得新型HART C8PSK接收机更加适应于工业现场的低功耗和高可靠性要求，对于推动HART通信技术的发展具有积极意义。