基于TMS320C5420的2FSK設計與實現(xiàn)

摘要：基于DSP的軟件無線電技術(shù)在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應用。我們使用TI公司的TMS320C5420DSP芯片成功設計了一種兼容2FSK，DPSK，QAM等多種調(diào)制解調(diào)方式的JH5001通信原理實驗系統(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現(xiàn)無線參數(shù)的改變和增加新的功能。詳細介紹了用DSP實現(xiàn)2FSK調(diào)制解調(diào)的算法，并就解調(diào)中所應用的數(shù)字濾波器做了具體分析。
關(guān)鍵詞：DSP；軟件無線電；FSK；調(diào)制與解調(diào)；數(shù)字濾波器

    軟件無線電是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，把DSP芯片或通用CPU芯片作為無線通信的基本硬件平臺，將盡可能多的無線通信功能(如調(diào)制技術(shù)、跳頻、糾錯及加密等)用軟件實現(xiàn)。軟件無線電技術(shù)可以用軟件升級來改變無線功能參數(shù)，可以按要求的條件編程實現(xiàn)無線通信功能，使系統(tǒng)升級基于軟件，其代價小，靈活性強。用TI公司的TMS320C5420DSP芯片成功設計出一種兼容2FSK，DPSK，QAM等多種調(diào)制解調(diào)方式的JH5001通信原理實驗系統(tǒng)，下面以 2FSK為例，詳細介紹用DSP軟件實現(xiàn)他的原理。

     2FSK調(diào)制的DSP軟件實現(xiàn)

     2FSK調(diào)制的數(shù)字振蕩器設計
    頻移鍵控FSK調(diào)制是用數(shù)字基帶信號來控制高頻載波頻率的變化，調(diào)制后的載波信號頻率代表了要傳送的數(shù)字信號。二進制FSK(2FSK)是用2個高頻載波f₁和f₂來表示2個數(shù)字信號“1”或“0”。2FSK調(diào)制的常用方法是將f1和f2的正弦值預先計算出來，制成一個表，DSP工作時僅做查表運算即可實現(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。其原理如下：一個傳遞函數(shù)為正弦序列sinkωT的Z變換為：

    其中，A=2cosωT，B=-1，C=sinωT。設初始條件為0，求出式(1)的反Z變換為：

    這是一個二階差分方程，對其求單位沖擊響應便可得到正弦信號sinkXT。利用單位沖擊函數(shù)x[k-1]的性質(zhì)，僅當

     k=1時，x[k-1]=1，得到下列遞推式：
     k=0時　y[0]=Ay[-1]+By[-2]+0=0
     k=1時　y[1]=Ay[0]+By[-1]+C=C
     k=2時　y[2]=Ay[1]+By[0]+0=Ay[1]
     k=3時　y[3]=Ay[2]+By[1]
    ……
     k=n時　y[n]=Ay[n-1]+By[n-2]

    在k>2以后，y[k]能用y[k-1]和y[k-2]計算出來，這樣通過迭代就能得到一系列的y[k]值。所設計的數(shù)字振蕩器產(chǎn)生16kHz和 32kHz的正弦信號，分別代表數(shù)據(jù)0和1，設置采樣頻率為96kHz，通過確定上面遞歸差分方程系數(shù)就可求得16kHz和32kHz正弦信號的系數(shù)(下標為0的系數(shù)是16kHz正弦信號的系數(shù)，下標為1的系數(shù)是32kHz正弦信號的系數(shù))。

     A0=2cosω0T=2cos(2π×16000/96000)=1
     B0=-1
     C0=sinω0T=sin(2π×16000/96000)=0.86602540
     A1=2cosω1T=2cos(2π×32000/96000)=-1
     B1=-1
     C1=sinω1T=sin(2π×32000ˆ96000)=0.86602540

     DSP程序在初始化時先分別計算出產(chǎn)生16kHz與32kHz信號所需要的y[1]和y[2]值，然后開放定時器中斷，以后每次進入定時器中斷服務程序時，利用已計算出的y[1]和y[2]值重新計算出新的y[0]值，對其求單位沖擊響應就可得到16kHz和32kHz的正弦信號。

     2FSK調(diào)制的定時與中斷設計
    為了保證96kHz的采樣頻率，需要用到TMS320C5420的中斷與定時器。定時器主要由3個寄存器組成，分別是定時器寄存器TIM，每計數(shù)一次自動減1；定時器周期寄存器PRD，當TIM減為0后，CPU自動將PRD的值裝入TIM；定時器控制寄存器TCR。

    定時器控制寄存器TCR各個比特位的具體定義如表1所示。

    
    表1　定時器控制寄存器TCR的定義

     TMS320C5420的定時器工作原理是：當CLKOUT信號時鐘沿到來時，觸發(fā)PSC。PSC是一個減1計數(shù)器，CLKOUT信號時鐘沿使PSC減 1，直到PSC為0，然后用TDDR重新裝入PSC，同時將TIM減1，直到TIM減為0，這時CPU發(fā)出TINT中斷，同時在TOUT引腳輸出一個脈沖信號，脈沖寬度與CLKOUT一致，然后用PRD重新裝入，重復下去直到系統(tǒng)或定時器復位。

    當系統(tǒng)復位或定時器單獨復位時，TIM和PRD都置成最大值FFFH，TDDR位清0，定時器控制寄存器的停止狀態(tài)位TSS被清零，定時器啟動，并將定時器擴展周期TDDR中的值加載到定時器預置計數(shù)器PSC中，而且將定時器周期寄存器PRD中的值重新加載到定時器寄存器TIM中。

    定時器中斷的頻率由式(3)決定：

    其中，t_C表示CLKOUT的周期，即TINT=95kHz。由式(3)可確定定時時間常數(shù)TDDR=0，PRD=333。

     TMS320C5420的中斷是通過中斷屏蔽寄存器IMR來實現(xiàn)的。IMR是一個存儲器映射寄存器，用于控制中斷源的屏蔽和開放。當ST1寄存器中的INTM位為0時，全局中斷允許。IMR中的某一位為1時，該中斷開放。以下

    是IMR寄存器各個比特位的定義：

    其中，HPINT表示HPI接口中斷，INT3～INT0為外部引腳產(chǎn)生的中斷；TXINT和TRINT為TDM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為定時器中斷。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現(xiàn)2FSK調(diào)制功能。

  
    圖1　2FSK調(diào)制主程序流程圖

   
    圖2　中斷程序流程圖

     2FSK解調(diào)的DSP軟件實現(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3　FSK正交相乘非相干解調(diào)示意圖

    輸入信號為，經(jīng)延時后信號，其中S為延時量。兩路信號相乘之后的結(jié)果為：

    在式(4)中，第一項經(jīng)過低通濾波器后可以濾除。

    當2πf₀*S=P/2時，式(4)可化簡為：

    因而經(jīng)過低通濾波器后，輸出信號的大小為：

    ，從而實現(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τ。這里2FSK的采樣率96kHz，每一個比特采樣16個樣點，基帶信號的載頻f0為24kHz，頻偏量$f為8kHz。因而在DSP的處理過程中，延時取一個樣值就可滿足cos(2πf₀*τ)=0的條件，從而保證信號通過低通濾波器后的值為±T_bsin(2π△f*τ)。當基帶信號為1時，濾波后得到一個正值；當基帶信號為0時，濾波后得到一個負值，最后判決時就可根據(jù)濾波后值的正負判斷。

    正交相乘非相干解調(diào)的另一個關(guān)鍵問題是低通濾波器的實現(xiàn)。為了將二倍頻分量cos[4π(f₀±△f)

*t-2π(f₀±△f)*τ]去除，需要將相乘后的值通過一個低通濾波器，留下cos2π(f₀±△f)*τ]。為此設計了一個51階FIR濾波器，采用漢明窗平方根升余弦滾降。FIR濾波器的差分表達式為：

     FIR濾波器沒有反饋回路，是一個無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)。他的單位脈沖響應h(n)是一個有限長序列，當h(n)滿足偶對稱或奇對稱，并且h(n)是一個實數(shù)序列時，F(xiàn)IR濾波器具有線性相位的特性。通過對FIR濾波器的結(jié)構(gòu)和他的差分方程分析，可以看出FIR濾波器實際上是一種乘法累加運算，對不同時刻的輸入乘以其加權(quán)系數(shù)，然后各項相加，不斷地移位輸出，這樣就得到了濾波輸出結(jié)果。將式(6)展開即得：

    由此式可見，將最新的樣本與h(0)相乘，次新的樣本與h(1)相乘，依次類推，最老的樣本與h(N-1)相乘，然后將這51個乘積相加就得到一個y (n)。然后又讀入一個新樣本，則原來最新的樣本變?yōu)榇涡碌臉颖?，原來最老的樣本則被淘汰。此法的示意圖如圖4所示。

   
    圖4　FIR實現(xiàn)示意圖

    在編程時，將最新的x(n)的地址給AR4，51階的h(x)放在SCR_WAVE表中。計算時，AR4遞減，且將AR4地址的值與SCR_WAVE逐個相乘，這樣就實現(xiàn)了上述設計思想。

    結(jié)語

    基于DSP實現(xiàn)的2FSK調(diào)制解調(diào)器在JH5001通信實驗系統(tǒng)中得到成功的應用，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現(xiàn)無線參數(shù)的改變和增加新的功能，因此軟件無線電技術(shù)靈活性很強，他將有著更廣泛的應用前景。