以雙DSP為核心的FM-DCSK通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

摘要：采用FM-DCSK調(diào)制的混沌保密通信較其它混沌鍵控保密通信具有更優(yōu)良的特性，但同時(shí)電路實(shí)現(xiàn)也更加復(fù)雜。DSP以其高效和靈活性在混沌通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。文中根據(jù)TMS320C5402的特點(diǎn)，給出了用兩塊DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)FM-DCSK通信系統(tǒng)的硬件方案，同時(shí)給出了系統(tǒng)獨(dú)立工作時(shí)的硬件原理框圖和軟件設(shè)計(jì)流程。 關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器(DSP);調(diào)頻-差分混沌鍵控(FM-DCSK);混沌通信;多通道緩沖串行口 1　引言 近年來(lái)，隨著混沌同步和控制理論的提出與發(fā)展，混沌在信號(hào)處理、通信和控制領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸廣泛。一般認(rèn)為，在通信領(lǐng)域，混沌信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的正弦信號(hào)作信息載體有以下優(yōu)勢(shì)：其一是混沌信號(hào)的寬頻特性可以實(shí)現(xiàn)某種意義上的擴(kuò)頻;其二是混沌信號(hào)的類(lèi)似噪聲難以預(yù)測(cè)，而這一特點(diǎn)正好可為信息的保密傳輸提供保證。 圖1 混沌通信的類(lèi)型很多，其中較有應(yīng)用前景的有差動(dòng)混沌鍵控(DCSK)和混沌擴(kuò)頻通信。它們的共同特點(diǎn)是信道中傳送的信號(hào)不再是實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端同步的耦合信號(hào)，而是利用混沌信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，即混沌信號(hào)的自相關(guān)和互相關(guān)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)一定程度的保密通信。目前的研究工作主要是以理論研究和計(jì)算機(jī)仿真為主，而利用硬件來(lái)驗(yàn)證DCSK及其改進(jìn)的FM-DCSK通信性能的設(shè)計(jì)還很少，因此，筆者設(shè)計(jì)了基于雙數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的FM-DCSK通信系統(tǒng)方案，文中分別介紹了系統(tǒng)中的話音終端、 混沌序列的產(chǎn)生及其FM調(diào)制、 DCSK調(diào)制解調(diào)及數(shù)據(jù)通信等電路，分析了系統(tǒng)工作時(shí)程序的裝載原理和可行性，同時(shí)給出了硬件原理框圖和軟件設(shè)計(jì)流程圖。 2　系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)主要用來(lái)完成語(yǔ)音信號(hào)的采集、語(yǔ)音壓縮編碼以及對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行FM-DCSK調(diào)制，并將調(diào)制后的數(shù)據(jù)通過(guò)DSP的多通道緩沖串行口(McBSP)發(fā)送出去，同時(shí)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行DCSK解調(diào)和語(yǔ)音解壓縮、譯碼，并將譯碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換以還原出模擬話音。本系統(tǒng)利用串行數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLV320AIC10來(lái)將輸入語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)，待進(jìn)行完處理后再將數(shù)字語(yǔ)音轉(zhuǎn)換成模擬語(yǔ)音信號(hào);低比特率聲碼器AMBE-1000則用來(lái)對(duì)數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行低速率的語(yǔ)音壓縮編碼和對(duì)DCSK解調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼;TMS320C5402(主)不僅要對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行DC-SK調(diào)制和DCSK解調(diào)，而且還要作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器來(lái)完成對(duì)各個(gè)功能芯片的設(shè)置、控制，并通過(guò)雙口RAM芯片(IDT7206)與TMS320C5402(從)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)通過(guò)多通道緩沖串行口(McBSP)與另一塊TMS320C5402(從)進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)通信。TMS320C5402(從)則在TMS320C5402(主)控制下完成混沌序列的生成和序列的FM調(diào)制運(yùn)算。整個(gè)系統(tǒng)的硬件原理如圖1所示。

圖中，C5402(主)采用并行方式裝載程序?而C5402(從)則是采用HPI方式裝載程序。由于沒(méi)有通過(guò)雙端口RAM采用并行方式裝載程序，因而可以減少C5402(主)在C5402?從 裝載程序時(shí)復(fù)雜的控制過(guò)程，有效地利用資源。在系統(tǒng)獨(dú)立工作時(shí)，C5402主、從雙方的通信主要通過(guò)雙端口RAM來(lái)完成。 3　系統(tǒng)電路工作原理 本系統(tǒng)包括話音終端電路、混沌序列產(chǎn)生及其FM調(diào)制電路、DCSK調(diào)制及解調(diào)以及兩個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)電路。各個(gè)部分在控制器的協(xié)調(diào)下完成雙向的FM-DCSK通信。 3.1 話音終端電路 話音終端電路由聲碼器AMBE-1000與串行數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLV320AIC10構(gòu)成，可在DSP控制器的控制下完成模擬話音的數(shù)字化，并進(jìn)行壓縮編碼以輸出成幀的編碼數(shù)據(jù)包，然后將其作為信息數(shù)據(jù)再經(jīng)DSP做FM-DCSK調(diào)制后輸出。同時(shí)將接收到的并經(jīng)過(guò)DSP解調(diào)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行譯碼以還原出數(shù)字話音，最后經(jīng)過(guò)D/A變換輸出模擬話音。

在硬件連接中，AMBE-1000的發(fā)送、接收選通信號(hào)以及移位時(shí)鐘均為T(mén)LV320AIC10產(chǎn)生的FS和CLKS信號(hào)。為滿(mǎn)足AMBE-1000的時(shí)序要求，將TX_STRB、TX_O_CLK分別與TLV320AIC10產(chǎn)生的FS和CLKS直接相連，而RX_STRB、RX_O_CLK則經(jīng)過(guò)CPLD邏輯轉(zhuǎn)換后與FS、CLKS相連。AMBE-1000的編碼速率、信道接口方式、AD接口方式以及各種控制都是由C5402(主)通過(guò)操作不同的I/O口并經(jīng)CPLD鎖存完成的，其中AMBE-1000的時(shí)序邏輯圖如圖2所示。 對(duì)TLV320AIC10中各控制寄存器的控制可用C5402(從)通過(guò)多通道緩沖串行口?McBSP0向DCSI寫(xiě)入相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)來(lái)完成。與C5402(從)的連接工作在SPI模式，并同樣由TLV320AIC10產(chǎn)生FS和CLKS信號(hào)。初始化完成后，TLV320AIC10則在8kHz的采樣率和16bit的線性量化模式下與聲碼器交換數(shù)據(jù)。而聲碼器每20ms與C5402(主)交換一次數(shù)據(jù)。當(dāng)然，所有的工作方式都可以通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 3.2 混沌序列的產(chǎn)生及其FM調(diào)制 混沌序列的產(chǎn)生及其FM調(diào)制主要由C5402(從)完成?？衫媒?jīng)典的Logistic映射：

然后經(jīng)離散迭代運(yùn)算產(chǎn)生所需要的混沌序列。由FM-DCSK通信方式的原理可知，所產(chǎn)生的混沌序列需經(jīng)過(guò)FM調(diào)制，然后才能對(duì)話音數(shù)據(jù)作DCSK調(diào)制。FM-DCSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖3所示。因?yàn)榛煦缧蛄械腇M運(yùn)算量比較大，因此，本設(shè)計(jì)選擇TMS320C5402作為運(yùn)算處理器，它的最高工作頻率可達(dá)100MHz。 C5402(從)通過(guò)雙口RAM將FM調(diào)制后的混沌序列送給C5402(主)，也就相當(dāng)于在FM-DCSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中完成了混沌發(fā)生器和FM調(diào)制器的功能。 3.3 DCSK調(diào)制解調(diào)及數(shù)據(jù)通信 用C5402?主可完成低速率編碼后話音信號(hào)的DCSK調(diào)制和接收數(shù)據(jù)的DCSK解調(diào)，同時(shí)可控制CPLD以產(chǎn)生各種控制信號(hào)。

每次通信過(guò)程中，C5402(主)將從雙口RAM中讀取相應(yīng)數(shù)目FM調(diào)制后的混沌序列，然后對(duì)接收到的話音數(shù)據(jù)按bit 進(jìn)行DC-SK調(diào)制，同時(shí)通過(guò)McBSP用DMA方式接收DCSK調(diào)制數(shù)據(jù)并由C5402(主)進(jìn)行DCSK解調(diào)。這兩項(xiàng)工作都是通過(guò)中斷來(lái)完成的 3.4 系統(tǒng)獨(dú)立工作時(shí)的程序裝載過(guò)程 本系統(tǒng)的程序裝載分為C5402(主)自身的并行裝載和C5402(從)的HPI裝載兩部分。 C5402(主)與Flash AT29LV1024和雙口RAM之間的邏輯如圖4所示。C5402(主)上電復(fù)位裝載時(shí)，由于Bootloader程序在初始化時(shí)設(shè)置XF為高電平，因此，在系統(tǒng)進(jìn)入并行引導(dǎo)裝載模式后，C5402(主)將從數(shù)據(jù)尋址為0FFFFh的單元(A15=1，選中Flash)中讀取將要載入的程序存儲(chǔ)區(qū)首地址和并行裝載數(shù)據(jù)流。此時(shí)，C5402可將 Flash地址08000h—0FFFFh單元中的數(shù)據(jù)讀到C5402對(duì)應(yīng)于0000h—7FFFh尋址區(qū)的片內(nèi)DRAM和片外SRAM中。Boot- loader程序結(jié)束后，用戶(hù)程序的第一條語(yǔ)句為RSBX XF，即置XF引腳為低電平， 那么Flash將始終不選通。這樣，雙端口RAM的高32k區(qū)域(08000h—0FFFFh)將被釋放出來(lái)作為C5402?主運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)或程序區(qū)使用。C5402?主裝載進(jìn)來(lái)的程序數(shù)據(jù)主要分為三部分：給C5402(從)的裝載程序、自身的運(yùn)行程序及C5402(從)的運(yùn)行程序。 在C5402(主)進(jìn)行并行裝載的過(guò)程中，C5402(從)將判斷是哪種裝載模式。因?yàn)镃5402?從的HINT和INT2連在一起，因此，DSP上電初始化時(shí)會(huì)將07FH單元清0，同時(shí)HINT置0會(huì)導(dǎo)致INT2的IFR相應(yīng)標(biāo)志位有效，C5402(從)在查詢(xún)到INT2的標(biāo)志位有效后，則判斷為HPI裝載模式。C5402(主)在進(jìn)行并行裝載后，將首先運(yùn)行裝載程序，以便將C5402(從)的運(yùn)行程序數(shù)據(jù)傳送到C5402(從)中，從而將C5402(從)的程序入口地址寫(xiě)到07FH單元，這樣即表明HPI裝載結(jié)束。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 程序流程 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)C5402?主和C5402(從)的編程。C5402?主的軟件設(shè)計(jì)由C5402的初始化、AMBE-1000的初始化、McBSP0和McB-SP1初始化、DMA的初始化、DSP中斷設(shè)置、接收數(shù)據(jù)中斷設(shè)置程序和發(fā)送數(shù)據(jù)中斷設(shè)置程序構(gòu)成。圖5為C5402(主)軟件系統(tǒng)流程圖，圖6和圖7分別為McBSP0接收中斷設(shè)置和McBSP1接收中斷設(shè)置流程圖。C5402(從)的軟件設(shè)計(jì)由C5402初始化、TLV320AIC10的初始化以及混沌序列產(chǎn)生和混沌序列的FM調(diào)制構(gòu)成。

4.2 程序設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題 在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題： (1)由于McBSP工作在數(shù)據(jù)接收中斷方式，因此全局中斷和串口中斷的相應(yīng)位要合理設(shè)置。同時(shí)，在設(shè)置中斷向量表時(shí)，中斷向量表的位置應(yīng)與處理器模式狀態(tài)寄存器PMST中的中斷向量指針I(yè)PTR相對(duì)應(yīng)，IPTR的9位地址指向128字的中斷向量所在的程序頁(yè)?同時(shí)，中斷向量表也要嚴(yán)格按照C5402規(guī)定的格式編寫(xiě)，否則不能正確地產(chǎn)生需要的中斷結(jié)果。 (2)要實(shí)現(xiàn)DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，程序裝載十分關(guān)鍵。C5402(主)進(jìn)行并行裝載時(shí)，AT29LV1024中的程序數(shù)據(jù)流要嚴(yán)格按照并行裝載的格式依次把C5402?從裝載程序、C5402(主)自身執(zhí)行程序和C5402(從)的程序裝載到片內(nèi)DRAM和片外雙口SRAM中。 (3)當(dāng)雙端口RAM在兩片DSP之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，要合理分配空間，協(xié)調(diào)好讀寫(xiě)時(shí)序，嚴(yán)格避免數(shù)據(jù)沖突。 5　結(jié)束語(yǔ) 本文利用兩片TMS320C5402設(shè)計(jì)了FM-DCSK通信系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案，給出了系統(tǒng)獨(dú)立工作時(shí)的硬件原理框圖和軟件設(shè)計(jì)流程圖。實(shí)踐證明：并行裝載模式和HPI裝載模式同時(shí)使用，可有效利用系統(tǒng)資源、降低成本。