1、基于TMS320C5420的2FSK設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2008-07-2713:53基于TMS320C5420的2FSK設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作者：楊英強(qiáng)時(shí)間：2007-05-01來(lái)源:摘要：基于DSP的軟件無(wú)線電技術(shù)在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。我們使用TI公司的TMS320C5420DSP芯片成功設(shè)計(jì)了一種兼容2FSK,DPSK，QAM等多種調(diào)制解調(diào)方式的JH5001通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在系統(tǒng)硬件不變的情況下只要修改DSP的軟件處理部分就能實(shí)現(xiàn)無(wú)線參數(shù)的改變和增加新的功能。詳細(xì)介紹了用DSP實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制解調(diào)的算法，并就解調(diào)中所應(yīng)用的數(shù)字濾波器做了具體分析。關(guān)鍵詞：DSP；軟件無(wú)線電；FSK；調(diào)制與解調(diào)；數(shù)字濾

2、波器軟件無(wú)線電是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，把DSP芯片或通用CPU芯片作為無(wú)線通信的基本硬件平臺(tái)，將盡可能多的無(wú)線通信功能(如調(diào)制技術(shù)、跳頻、糾錯(cuò)及加密等)用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件無(wú)線電技術(shù)可以用軟件升級(jí)來(lái)改變無(wú)線功能參數(shù)，可以按要求的條件編程實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能，使系統(tǒng)升級(jí)基于軟件，其代價(jià)小，靈活性強(qiáng)。用TI公司的TMS320C5420DSP芯片成功設(shè)計(jì)出一種兼容2FSK，DPSK，QAM等多種調(diào)制解調(diào)方式的JH5001通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，下面以2FSK為例，詳細(xì)介紹用DSP軟件實(shí)現(xiàn)他的原理。2FSK調(diào)制的DSP軟件實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制的數(shù)字振蕩器設(shè)計(jì)頻移鍵控FSK調(diào)制是用數(shù)字基帶信號(hào)來(lái)控制高頻載波頻率的變化，

3、調(diào)制后的載波信號(hào)頻率代表了要傳送的數(shù)字信號(hào)。二進(jìn)制FSK(2FSK)是用2個(gè)高頻載波f和f來(lái)表示2個(gè)數(shù)字信號(hào)“1”或“0”。2FSK調(diào)制的常用方法是將fl和f2的正弦值預(yù)先計(jì)算出來(lái)，制成一個(gè)表，DSP工作時(shí)僅做查表運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)。在這里采用數(shù)字振蕩器方法，用迭代方法產(chǎn)生正弦信號(hào)。其原理如下：一個(gè)傳遞函數(shù)為正弦序列sink3T的Z變換為：日二1-B計(jì)其中，A=2cos3T，B=-1，C=sin3T。設(shè)初始條件為0，求出式(1)的反Z變換為:jjk=Ayk-1+-2十Cxk-1這是一個(gè)二階差分方程，對(duì)其求單位沖擊響應(yīng)便可得到正弦信號(hào)sinkXT。利用單位沖擊函數(shù)xk-1的性質(zhì)，僅當(dāng)k=1時(shí)，xk-1

4、=1,得到下列遞推式:k=0時(shí)y0=Ay-1+By-2+0=0k=1時(shí)y1=Ay0+By-1+C=Ck=2時(shí)y2=Ay1+By0+0=Ay1k=3時(shí)y3=Ay2+By1k=n時(shí)yn=Ayn-1+Byn-2在k2以后，yk能用yk-1和yk-2計(jì)算出來(lái)，這樣通過(guò)迭代就能得到一系列的yk值。所設(shè)計(jì)的數(shù)字振蕩器產(chǎn)生16kHz和32kHz的正弦信號(hào)，分別代表數(shù)據(jù)0和1,設(shè)置采樣頻率為96kHz，通過(guò)確定上面遞歸差分方程系數(shù)就可求得16kHz和32kHz正弦信號(hào)的系數(shù)(下標(biāo)為0的系數(shù)是16kHz正弦信號(hào)的系數(shù)，下標(biāo)為1的系數(shù)是32kHz正弦信號(hào)的系數(shù))。A0=2cos30T=2cos(2nX16000/

5、96000)=lB0=-1C0=sinw0T=sin(2nX16000/96000)=0.86602540A1=2cos31T=2cos(2nX32000/96000)=-1B1=-1C1=sinw1T=sin(2nX32000八96000)=0.86602540DSP程序在初始化時(shí)先分別計(jì)算出產(chǎn)生16kHz與32kHz信號(hào)所需要的y1和y2值，然后開(kāi)放定時(shí)器中斷，以后每次進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序時(shí)，利用已計(jì)算出的y1和y2值重新計(jì)算出新的y0值,對(duì)其求單位沖擊響應(yīng)就可得到16kHz和32kHz的正弦信號(hào)。2FSK調(diào)制的定時(shí)與中斷設(shè)計(jì)為了保證96kHz的采樣頻率，需要用到TMS320C5420的

6、中斷與定時(shí)器。定時(shí)器主要由3個(gè)寄存器組成，分別是定時(shí)器寄存器TIM，每計(jì)數(shù)一次自動(dòng)減1；定時(shí)器周期寄存器PRD,當(dāng)TIM減為0后，CPU自動(dòng)將PRD的值裝入TIM；定時(shí)器控制寄存器TCR。定時(shí)器控制寄存器TCR各個(gè)比特位的具體定義如表1所示。住名稱(chēng)功褪住名稱(chēng)功褪1412保留ISSOFT詼比特驚配合第10住使.用喘撓定左時(shí)器注使用仿真調(diào)試時(shí)的我態(tài)：SOFT=0-當(dāng)逬入情夏調(diào)試盯忘町器立即停止工很SOFT=1當(dāng)計(jì)數(shù)器鍍減為0后-序止工作諫出特位配合第1位使用.決定疑時(shí)器往使用仿真謂過(guò)叭的我態(tài)=FREE=D；很抵11tt輛位決走定時(shí)器狀態(tài)FREI=1,11比將隹“定時(shí)器不竝響，46PSC定時(shí)器恆制計(jì)

7、數(shù)器.當(dāng)ESC槪為0后.CPL口動(dòng)將IDDR裝人，然后TM可始減1.莖町器倉(cāng)一位，當(dāng)IRB=1BtCPU將PRO富存TRB器的寄存器.槁IDDIL的値裝人PSD走時(shí)器骨止伏態(tài)一當(dāng)系統(tǒng)臭垃町.ISS被篇除一定4TSS町芻立即開(kāi)箱工作TSS=0.表示啟勒走時(shí)器TSS=1,表示停止定時(shí)器TDDE走時(shí)器擴(kuò)展周期當(dāng)FSC減到0后一CPU自動(dòng)將TDDR旳值裝人P3C-炳后TM減1所審蚩個(gè)訃數(shù)器的周期筍存器可yX20b(FRD+血曲10FREE表1定時(shí)器控制寄存器TCR的定義TMS320C5420的定時(shí)器工作原理是：當(dāng)CLKOUT信號(hào)時(shí)鐘沿到來(lái)時(shí)，觸發(fā)PSC。PSC是一個(gè)減1計(jì)數(shù)器，CLKOUT信號(hào)時(shí)鐘沿使

8、PSC減1,直到PSC為0,然后用TDDR重新裝入PSC，同時(shí)將TIM減1,直到TIM減為0,這時(shí)CPU發(fā)出TINT中斷，同時(shí)在TOUT引腳輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖寬度與CLKOUT一致，然后用PRD重新裝入,重復(fù)下去直到系統(tǒng)或定時(shí)器復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或定時(shí)器單獨(dú)復(fù)位時(shí),TIM和PRD都置成最大值FFFH,TDDR位清0,定時(shí)器控制寄存器的停止?fàn)顟B(tài)位TSS被清零,定時(shí)器啟動(dòng),并將定時(shí)器擴(kuò)展周期TDDR中的值加載到定時(shí)器預(yù)置計(jì)數(shù)器PSC中,而且將定時(shí)器周期寄存器PRD中的值重新加載到定時(shí)器寄存器TIM中。定時(shí)器中斷的頻率由式(3)決定：THT=tcX(TDDR-1)X(PRD+1)其中，tC表示CL

9、KOUT的周期，即TINT=95kHz。由式(3)可確定定時(shí)時(shí)間常數(shù)TDDR=0,PRD=333。TMS320C5420的中斷是通過(guò)中斷屏蔽寄存器IMR來(lái)實(shí)現(xiàn)的。IMR是一個(gè)存儲(chǔ)器映射寄存器，用于控制中斷源的屏蔽和開(kāi)放。當(dāng)ST1寄存器中的INTM位為0時(shí)，全局中斷允許。IMR中的某一位為1時(shí)，該中斷開(kāi)放。以下是IMR寄存器各個(gè)比特位的定義：yW=二旳-1)工5-介EPNTNT3RN7TK1NT2N71KT&其中，HPINT表示HPI接口中斷，INT3INTO為外部引腳產(chǎn)生的中斷；TXINT和TRINT為T(mén)DM串口的發(fā)送和接收中斷；BXINT和BRINT為BSP串口的發(fā)送和接收中斷；TINT為定

10、時(shí)器中斷。圖1為2FSK調(diào)制主程序流程圖，圖2為中斷程序流程圖。按圖1和圖2的流程編制程序即可實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制功能。圖12FSK調(diào)制主程序流程圖|民怦ETO.JTT1.AH.筆審存畑聯(lián)人丫奇彎維，H葉嬰巴莖ti圄回梅花稚一:拉店琴?lài)?yán)沖圖2中斷程序流程圖2FSK解調(diào)的DSP軟件實(shí)現(xiàn)2FSK解調(diào)的方法有相干解調(diào)、濾波非相干解調(diào)、正交相乘非相干解調(diào)等多種方法，這里采用正交相乘非相干解調(diào)法，其框圖如圖3所示。圖3FSK正交相乘非相干解調(diào)示意圖輸入信號(hào)為二：=E-中：二-止門(mén)，經(jīng)延時(shí)后信號(hào)2心匸產(chǎn)二二wm-匚，其中S為延時(shí)量。兩路信號(hào)相乘之后的結(jié)果為：2（?）0（/）=Os4T1Vg土紐）z-27罠門(mén)A

11、f）T+cos2TT（/oA/-）*T（4）在式(4)中，第一項(xiàng)經(jīng)過(guò)低通濾波器后可以濾除。當(dāng)2nf*S=P/2時(shí)，式(4)可化簡(jiǎn)為:02R加0（r）4sm（沁f7）=士sm（2na/1）因而經(jīng)過(guò)低通濾波器后，輸出信號(hào)的大小為：二丁匸，從而實(shí)現(xiàn)了FSK的正交相乘非相干解調(diào)。從以上的分析可以看出，正交相乘非相干解調(diào)法關(guān)鍵在于正確選擇T。這里2FSK的采樣率96kHz，每一個(gè)比特采樣16個(gè)樣點(diǎn)，基帶信號(hào)的載頻f0為24kHz，頻偏量$彳為8kHz。因而在DSP的處理過(guò)程中，延時(shí)取一個(gè)樣值就可滿足cos(2nf*T)=0的條件，從而保證信號(hào)通過(guò)低通濾波器后的值為土Tsin(2nf*T)。當(dāng)基帶信號(hào)為1

12、時(shí)，濾波后得到一個(gè)正值；當(dāng)基帶信號(hào)為0時(shí)，濾波后得到一個(gè)負(fù)值，最后判決時(shí)就可根據(jù)濾波后值的正負(fù)判斷。正交相乘非相干解調(diào)的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是低通濾波器的實(shí)現(xiàn)。為了將二倍頻分量cos4n(f土f)*t-2n(f土f)*t去除，需要將相乘后的值通過(guò)一個(gè)低通濾波器，留下cos2n(f土/)*T。為此設(shè)計(jì)了一個(gè)51階FIR濾波器，采用漢明窗平方根升余弦滾降。FIR濾波器的差分表達(dá)式為:FIR濾波器沒(méi)有反饋回路，是一個(gè)無(wú)條件的穩(wěn)定系統(tǒng)。他的單位脈沖響應(yīng)h(n)是一個(gè)有限長(zhǎng)序列，當(dāng)h(n)滿足偶對(duì)稱(chēng)或奇對(duì)稱(chēng)，并且h(n)是一個(gè)實(shí)數(shù)序列時(shí),FIR濾波器具有線性相位的特性。通過(guò)對(duì)FIR濾波器的結(jié)構(gòu)和他的差分方程分析,可以看出FIR濾波器實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算，對(duì)不同時(shí)刻的輸入乘以其加權(quán)系數(shù)，然后各項(xiàng)相加，不斷地移位輸出，這樣就得到了濾波輸出結(jié)果。將式(6)展開(kāi)即得：由此式可見(jiàn)，將最新的樣本與h(0)相乘，次新的樣本與h(l)相乘，依次類(lèi)推，最老的樣本與h(N-1)相乘，然后將這51個(gè)乘積相加就得到一個(gè)y(n)。然后又讀入一個(gè)新樣本，則原來(lái)最新的樣本變?yōu)榇涡碌臉颖?，原?lái)最老的樣本則被淘汰。此法的示意圖如圖4所示。圖4FIR實(shí)現(xiàn)示意圖在