MSP430單片機在微型低功耗數(shù)據(jù)廣播接收機中的應(yīng)用

一、 引言
我們獨立自主開發(fā)了數(shù)據(jù)廣播編碼器和微型低功耗調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播接收機，整套系統(tǒng)采用連續(xù)相位頻移鍵控（CPFSK）調(diào)制方式，副載波頻率為72KHz，占用帶寬約16Khz，數(shù)據(jù)傳輸速率4.8KHZ。采用CPFSK調(diào)制方式使接收機易于實現(xiàn)，與QPSK的調(diào)制方式相比對相位穩(wěn)定度要求不高，不易受外界溫度噪聲的影響，而且在信號解調(diào)處理時實現(xiàn)低功耗。
由于在發(fā)送端先后進行了數(shù)據(jù)編碼、信道調(diào)制、線性調(diào)頻，所以接收設(shè)備要完成信號逆處理。硬件結(jié)構(gòu)框圖：

二、MSP430單片機的特點及在接收機中的應(yīng)用
TI公司MSP430系列單片機的超低功耗特性（運行在1MHz時鐘條件下工作電流視工作模式不同為0.1-400uA）、強大的外圍模塊功能、體積小等優(yōu)點適合作為接收機的CPU。MSP430系列中的各成員集成了較多的片上外圍資源，包含：12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，2組頻率可達8MHZ的時鐘模塊，2個帶有大量捕獲/比較寄存器的16位定時器，看門狗，2個可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問的串行通信接口，數(shù)十個可實現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等。
MSP430F123單片機作為CPFSK數(shù)據(jù)廣播接收機的CPU主要對基帶數(shù)據(jù)進行處理，完成數(shù)據(jù)鏈路層的工作：

數(shù)據(jù)解碼

三、數(shù)字通信中的同步問題
數(shù)據(jù)通信中，同步是非常重要的問題，通信系統(tǒng)是否可靠、接收靈敏度是否達到標(biāo)準(zhǔn)，很大程度上依賴于同步技術(shù)的優(yōu)劣。
1、同步不確定性的來源
實際通信系統(tǒng)中，收發(fā)站之間會由于電波傳播中的多徑效應(yīng)引起碼相位、載波中心頻率相位的延遲，而且在傳輸信道中隨機噪聲的疊加引起傳輸波形的失真，連接在接收濾波器之后的判決電路也很難保證"無差錯"的恢復(fù)基帶信號。這些都會導(dǎo)致同步的不穩(wěn)定性。

2、實現(xiàn)同步的幾種方法
按同步功用分類可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。
按傳輸同步信息的方式可分為外同步法和自同步法。外同步法：是由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息，接收端把這個專門的同步信息檢測出來作為同步信號。自同步法：發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，而是由接收端設(shè)法從接收信號中提取同步信息。
本接收機的CPU要完成的功能中只涉及到位同步和幀（群）同步，由于不能從硬件解調(diào)FSK信號中恢復(fù)位同步時鐘，所以采用自同步的方法來實現(xiàn)位同步，以下結(jié)合MSP430單片機的特點分析位同步和幀同步的實現(xiàn)方法。

四、位同步
由于本接收機接收的碼元速率為4.8KHZ，用CPU捕捉位同步信息，然后進行采樣，在配合RS糾錯，即可達到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)囊蟆?br />（一）、位同步的方法：
方法一、

〈圖1〉
設(shè)置接收端恢復(fù)出的同步時鐘的頻率為5倍的碼元頻率，這樣就在一個碼元周期內(nèi)，設(shè)置了5個采樣點。位同步可以分為兩個過程：捕獲、同步跟蹤。
1、 捕獲，即找到正確的同步時鐘起始點。在接收的數(shù)據(jù)中，只有0、1跳變沿才能為我們提供位同步信息，如果數(shù)據(jù)長時間為1或為0，這將給接收端恢復(fù)位定時信息造成一定困難。所以發(fā)送端對數(shù)字基帶信號進行隨機化處理，一方面起到能量擴散的作用，另一方面限制連0碼和連1碼的長度，易于位同步的捕獲和同步時鐘的恢復(fù)。
捕獲過程是通過測量數(shù)據(jù)流中兩個跳變沿中間的時間寬度（W），如果W等于碼元周期，便以第二個跳變沿為起始時刻，設(shè)置同步時鐘；如果W不等于碼元周期，則需要重新捕獲。
2、 同步跟蹤，在接收數(shù)據(jù)的過程中，還要保證同步時鐘的變化跟隨碼元相位或頻率的偏移。同樣，依據(jù)數(shù)據(jù)流中0、1跳變沿來實現(xiàn)同步時鐘的跟蹤。如圖1：如果同步時鐘與碼元之間沒有任何偏差時，數(shù)據(jù)的跳變沿每次都應(yīng)出現(xiàn)在第5個計數(shù)時刻與下一個計數(shù)時刻之間，這時把第三個計數(shù)時刻作為數(shù)據(jù)采樣時刻；當(dāng)同步時鐘與碼元之間有偏差時，數(shù)據(jù)跳變沿不能準(zhǔn)確的落在第5個與下一個計數(shù)時刻之間，如果數(shù)據(jù)跳變沿出現(xiàn)在第4 與第5個計數(shù)時刻之間，說明同步時鐘相對于碼元相位滯后，為保證每次采樣時刻在碼元的中心位置，就要把采樣點提前至第2個計數(shù)時刻；相反，如果數(shù)據(jù)跳變沿出現(xiàn)在第1與第2個計數(shù)時刻之間，說明同步時鐘相對于碼元相位超前，就要把采樣點錯后至第4個計數(shù)時刻。這樣不斷調(diào)整采樣點，使每次此采樣時刻均位于碼元中心位置，跟隨其變化。

方法二、
根據(jù)MSP430單片機硬件特點，我們對上述同步方法進行了優(yōu)化，并達到了良好的同步跟蹤效果。
設(shè)置接收端恢復(fù)出的同步時鐘的頻率等于碼元頻率。每一個計數(shù)中點均為采樣時刻。與5倍時鐘法相同，它也需要捕獲和同步跟蹤兩個步驟。捕獲的過程與上述的方法相同。同步跟蹤，可以使采樣時刻基本穩(wěn)定在碼元中心位置。如果同步時鐘不跟隨碼元相位的變化進行調(diào)整，則采樣點必然相對于碼元滑動，當(dāng)向前或向后偏移半個碼元周期時，采樣值就出現(xiàn)錯誤。如圖2，恢復(fù)出的同步時鐘與碼元同步時，數(shù)據(jù)跳變沿的發(fā)生時刻與前一采樣時刻的距離（D）等于二分之一碼元寬度（M）。在同步時鐘與碼元相對偏移時，則有D≠M，若D>M，同步時鐘超前，就要將下一采樣時刻滯后；若D<M，同步時鐘超前，就要將下一采樣時刻提前。在接收過程中，同步跟蹤就是根據(jù)D與M的關(guān)系不斷調(diào)整。

（二）、方法二的具體實現(xiàn)
MSP430單片機的Timer_A可支持同時進行的多種時序控制、多個捕獲/比較功能、各模塊獨立編程，中斷可以由計數(shù)器溢出引起，也可以來自捕獲外部信號的跳變沿。
MC1和MC0選擇計數(shù)器工作模式，MC1=0、MC0=1時定時器增計數(shù)至比較寄存器CCR0的值就會產(chǎn)生中斷，用這種模式可以產(chǎn)生固定頻率的中斷信號作為同步時鐘。當(dāng)增大或減小寄存器CCR0的值時，即可改變定時的時間間隔，從而調(diào)整同步時鐘的頻率。由于定時計數(shù)器的調(diào)整精度為一個時鐘周期1/4.3ms（外部時鐘晶振4.3MHz），所以可以產(chǎn)生頻率精確的同步時鐘。
捕獲模式用于確定事件發(fā)生的時刻，可用于速度計算或時間測量等場合。如果在選定的輸入引腳（如圖P1.2）上發(fā)生選定的脈沖觸發(fā)沿（上升沿、下降沿、任意跳變），則定時器的計數(shù)值被復(fù)制到捕獲寄存器CCR1中，并產(chǎn)生中斷。因此，讀出CCR1中的值就可以記錄跳變沿發(fā)生的時刻，根據(jù)跳變沿發(fā)生時刻與前一采樣點比較的結(jié)果，調(diào)整同步時鐘，超前或滯后，重新預(yù)置CCR0。

<圖2>

定時器時鐘源使用ACLK，即外部晶振，f = 4.194MHz，所需同步時鐘的頻率f = 4.8KHz，
計數(shù)器計數(shù)值CCR0 = 4.194MHZ/4.8KHZ = 873
如圖可見，當(dāng)同步時鐘與碼元完全同步時，捕獲中斷后所讀到值CCR1，應(yīng)等于CCR0的二分之一，即；當(dāng) 時，說明同步時鐘超前，需要增大計數(shù)值CCR0，即 , 使下一bit的采樣點錯后；當(dāng)時，說明同步時鐘滯后，需要減小計數(shù)值CCR0，即，使下一bit的采樣點提前。
在上式中的 △ 稱為數(shù)據(jù)速率的誤差容限值（datarate tolerance），如果設(shè)置的這個容限值太高（即：時鐘調(diào)整的步進值過大），就會導(dǎo)致同步時鐘的頻率不能穩(wěn)定；反之這個容限值太?。矗簳r鐘調(diào)整的步進值過?。?，同步時鐘就不能跟蹤上碼元的變化；只有這個容限值合適，同步時鐘產(chǎn)生的采樣點就會逐漸收斂到接收碼元的中心位置，實現(xiàn)同步跟蹤。根據(jù)對噪聲和頻偏的估計， ，根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)計算 △ 的值。
在本接收機中的時鐘調(diào)整并不是捕獲到每一次跳變沿都要進行時鐘調(diào)整，根據(jù)接收信號頻偏大小，每8 bit 調(diào)整一次時鐘，即可實現(xiàn)同步時鐘的跟蹤。下表給出實驗中捕獲中斷讀出的CCR1的值。
     時采樣點基本位于碼元中心

從表中看出同步時鐘的采樣點逐漸收斂在碼元中心位置，并且-在以后的接收過程中，實現(xiàn)跟蹤。
（三）、小結(jié)
由于采樣時鐘恢復(fù)和同步捕捉跟蹤都需要響應(yīng)中斷服務(wù)程序，占用CPU開銷。而CPU 的主要工作是進行每幀數(shù)據(jù)的解碼和發(fā)送。如果使用第一種同步方法，時鐘頻率4.8K*5，CPU時鐘為4.3MHz，即程序每運行41.6us、約20條程序語句就要響應(yīng)一次定時器中斷服務(wù)程序，增大了運算量。如果提高CPU的工作頻率，會增大電流的消耗。所以在達到相同的采樣效果時，使用第二種同步方法。同理，為節(jié)約CPU開銷，并不需要捕捉每個數(shù)據(jù)跳變沿進行同步跟蹤，實驗證明每8比特數(shù)據(jù)捕捉一次跳變沿調(diào)整采樣時鐘，即可實現(xiàn)良好的同步跟蹤。

五、幀同步
在數(shù)字信息傳輸中，幀同步信號是一些特定的碼組，這種幀同步碼組通常是在某段時間集中插入信息碼流?？紤]到時間位置的確定，要在建立了各碼元的正確時間關(guān)系后才有能實現(xiàn)，所以幀同步一般是在位同步的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。
（一）、對幀同步系統(tǒng)的要求
1、 幀同步的捕捉（同步建立）時間要短，
2、 在一定的同步引入時間要求下，幀同步信號占用的碼組長度應(yīng)越短越好。
3、 同步系統(tǒng)的工作要穩(wěn)定可靠，一旦建立同步狀態(tài)后，系統(tǒng)不應(yīng)因信道的正常誤碼而失步，即幀同步系統(tǒng)應(yīng)具有一定的抗干擾能力，能識別假失步和避免偽同步。
數(shù)字信號在傳輸過程中總會出現(xiàn)誤碼而影響同步。一種是由信道噪聲等原因引起的隨機誤碼。此類誤碼造成幀同步碼的丟失往往是一種假失步現(xiàn)象。因此，一般規(guī)定幀同步信號丟失的時間超過一定限度時，才宣布幀同步態(tài)丟失，然后開始新的同步搜索（捕捉態(tài)）。這段時間稱作前方保護時間。然而，無論選用何種幀同步碼型，信息碼流中都有可能出現(xiàn)與幀同步碼圖案相同的碼組，即偽同步碼。所以也不能一經(jīng)發(fā)現(xiàn)符合幀同步碼組的信號就進入同步態(tài)。只有當(dāng)幀同步信號連續(xù)來了幾幀或一段時間后，同步系統(tǒng)才可發(fā)出指令進入同步態(tài)，這段時間成為后方保護時間。 (二)、幀同步的實現(xiàn)
本接收機使用集中插入特殊碼元的幀同步方法，集中插入就是把特殊的幀同步碼組集中插在一幀的特定位置（一般是一幀的開始）。接收機一旦檢測到這個特定碼組就確定了幀的起始位置，從而獲得幀同步。此種方法可以迅速糾正幀失步，即一旦幀失步，只要在下一幀同步碼就能恢復(fù)幀同步。
本接收機收到的數(shù)據(jù)幀格式為：
每192個信息字節(jié)加上2字節(jié)的幀同步碼組成一幀數(shù)據(jù)（如圖）。選用的幀同步碼為0x19D7。

接收端采用幀同步碼的滑動法來恢復(fù)幀同步信號。其實現(xiàn)方法為：在單片機里設(shè)置16bit移位寄存器、前后方保護計數(shù)器來完成前方保護時間和后方保護時間的計數(shù)，和幀同步狀態(tài)位SFLAG，標(biāo)志系統(tǒng)的同步狀態(tài)。
當(dāng)數(shù)據(jù)流進入移位寄存器，與幀同步碼（0x19d7）相比較，如果不同則移位寄存器高位移出低位移入下一比特再進行比較，同步系統(tǒng)從不斷接收輸入的數(shù)據(jù)流中捕獲到0x19d7碼組，相當(dāng)于第N幀有同步碼，置SFLAG=1，后方保護時間計數(shù)器開始，如果經(jīng)過192byte信息碼在第N+1幀處檢出同步碼，后方保護時間計數(shù)器加1，應(yīng)在第N+2幀再一次檢出同步碼，后方保護時間計數(shù)器加1，系統(tǒng)進入幀同步狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)定時接收。如果在第N+1幀處不能檢出同步碼或在第N+1幀處檢出同步碼而在第N+2幀處不能檢出同步碼，同步系統(tǒng)都要重新進入捕獲狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于同步狀態(tài)即SFLAG=1時，檢測出錯誤的幀同步碼，則打開前方保護時間計數(shù)器，如果連續(xù)丟失4（或5）個幀同步碼，計數(shù)器計滿，清SFLAG=0，標(biāo)志系統(tǒng)進入捕捉狀態(tài)并停止數(shù)據(jù)定時接收。
在本接收機MSP430的程序中將前方保護時間計數(shù)器和后方保護時間計數(shù)器簡化為一個時間計數(shù)器，即SCOUNT。SCOUNT的初始值為0，每接收到一個正確的幀同步碼，SCOUNT加1，當(dāng)連續(xù)接收到三個正確的幀同步碼時（SCOUNT=3）進入同步狀態(tài)SFLAG=1，如果在同步狀態(tài)中SCOUNT=4時，再檢測到正確的幀同步碼SCOUNT不再加1，也就是說SCOUNT的最大值為4；當(dāng)檢測到一個錯誤的幀同步碼，SCOUNT減1，如果出現(xiàn)連續(xù)4個錯誤的幀同步碼，SCOUNT減為0，則從同步狀態(tài)進入捕獲狀態(tài)。

六、數(shù)據(jù)鏈路層
MSP430單片機進行位同步、幀同步后，將定時接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過以下處理經(jīng)串口輸出。
1、去擾
偽隨機序列發(fā)生器的生成多項式為,每幀同步字后進行一次初始化, 加擾不包括幀同步字，數(shù)據(jù)由偽隨機序列加擾,可破壞數(shù)據(jù)中的連零,有利于解碼器位同步的鎖定,并分散數(shù)據(jù)信號的能量分布,使對主信號的干擾呈類似白噪音的背景噪音,提高多工數(shù)據(jù)對主信道干擾的主觀評價得分。
2、去交織和糾錯碼
每一子幀用縮短R-S（48，32）編碼,可糾8個符號(64Bit)的隨機錯誤。再進行卷積交織,這樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)能糾正長達384Bit突發(fā)性誤碼。這樣對4.8Kbps 的抗突發(fā)性干擾時間分別為80ms 。
3、校驗
采用CCITT-16校驗碼,可檢出超出糾錯范圍而造成的誤碼,在每一子幀內(nèi)驗出所有≦16位的錯誤,可檢出99.998%的17位突發(fā)性錯誤，99.997%的18位和大于18位的突發(fā)性錯誤，可以滿足大多數(shù)信息及計算機通信的要求。涉及金融數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)有嚴格要求的信息,用戶可另加其它校驗。
4、 輸出數(shù)據(jù)幀形成
接收機根據(jù)自身的權(quán)限對于不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，形成不同的輸出幀格式進行數(shù)據(jù)輸出。

七、測試結(jié)果
通過實際播出測試驗證，微型低功耗CPFSK數(shù)據(jù)廣播接收機的總體設(shè)計是成功的，實現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，特別是較強的信道糾錯編碼極大地改善了接收能力。
2002年8月在北京月壇發(fā)射塔，發(fā)射頻率為91.5MHz調(diào)頻發(fā)射機上進行播出測試，分別使用信息0-信息7傳輸電子文本數(shù)據(jù)，實現(xiàn)用戶的有條件接收；2002年9月使用透明頁格式來傳輸差分GPS的改正數(shù)據(jù)，鏈路測試成功；該系統(tǒng)即將用在電子車站牌、路燈控制系統(tǒng)中。