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，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)主要用來完成語音信號(hào)的采集、語音壓縮編碼以及對(duì)語音信號(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來將輸入語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字語音信號(hào)，待進(jìn)行完處理后再將數(shù)字語音轉(zhuǎn)換成模擬語音信號(hào)；低比特率聲碼器ＡＭＢＥ－１０００則用來對(duì)數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行低速率的語音壓縮編碼和對(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)的控制器來完成對(duì)各個(gè)功能芯片的設(shè)置、控制，并通過雙口ＲＡＭ芯片（ＩＤＴ７２０６）與ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２（從）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)通過多通道緩沖串行口（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。由于沒有通過雙端口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雙端口ＲＡＭ來完成。

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ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０產(chǎn)生的ＦＳ和ＣＬＫＳ信號(hào)。為滿足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）通過多通道緩沖串行口?ＭｃＢＳＰ０?向ＤＣＳＩ寫入相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)來完成。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軟件編程來實(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。可利用經(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)榛煦缧蛄械模疲瓦\(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)工作都是通過中斷來完成的

３．４ 系統(tǒng)獨(dú)立工作時(shí)的程序裝載過程

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，用戶程序的第一條語句為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?yún)^(qū)域（０８０００ｈ—０ＦＦＦＦｈ）將被釋放出來作為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)行并行裝載的過程中，Ｃ５４０２(從)將判斷是哪種裝載模式。因?yàn)椋茫担矗埃?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ＩＰＴＲ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?同時(shí)，中斷向量表也要嚴(yán)格按照Ｃ５４０２規(guī)定的格式編寫，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)好讀寫時(shí)序，嚴(yán)格避免數(shù)據(jù)沖突。

５　結(jié)束語

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。