基于DSP的Manchester編譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹基于TI公司C6000 DSP的Manchester編譯碼器定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程，主要內(nèi)容包括Manchester編碼器、信號(hào)調(diào)制、碼元同步、信道均衡、匹配濾波、信號(hào)解調(diào)、判決譯碼等。同時(shí)介紹了CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境以及編譯結(jié)果。系統(tǒng)要求誤碼率不超過(guò)1E-8。
關(guān)鍵詞：曼徹斯特編碼；匹配濾波；均衡；碼元同步；判決譯碼；誤碼率

引言
    隨著無(wú)線通信芯片技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的便攜式或電池供電的無(wú)線傳輸設(shè)備進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ睿邕b控車門開(kāi)關(guān)(REK)系統(tǒng)、汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS)、無(wú)線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)、藍(lán)牙技術(shù)等。這種小功率無(wú)線傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是在低電流消耗和信道干擾較強(qiáng)的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的傳輸。曼徹斯特碼由于其特殊的性能，被廣泛應(yīng)用于小功率無(wú)線傳輸系統(tǒng)中。曼徹斯特編碼是串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N重要的編碼方式。曼徹斯特編碼最大的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘統(tǒng)一編碼，曼徹斯特碼中含有豐富的時(shí)鐘信號(hào)，直流分量基本為零，接收器能夠較容易地恢復(fù)同步時(shí)鐘，并同步解調(diào)出數(shù)據(jù)，具有很好的抗干擾性能，這使它更適合于信道傳輸。

1 曼徹斯特編碼原理
    用于數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型種類較多，Manchester碼是其中常用的一種。Manchester碼是一種用跳變沿(而非電平)來(lái)表示要傳輸?shù)亩M(jìn)制信息(0或1)，一般規(guī)定在位元中間用下跳變表示“1”，用上跳變表示“0”。其編碼規(guī)則如表1所列。

2 數(shù)字基帶信號(hào)處理框架概述
    本文所設(shè)計(jì)的通信信號(hào)處理可以分為編碼、同步、二元信號(hào)的信道傳輸預(yù)處理、自適應(yīng)信道均衡、幀同步檢測(cè)、匹配濾波、分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波、判決譯碼等過(guò)程。系統(tǒng)流程如圖1所示。

    在數(shù)字通信中，總是需要先將模擬信號(hào)數(shù)字化，也就是抽樣、量化和編碼三步曲。
2．1 同步
    在本設(shè)計(jì)中，假定一個(gè)8位的同步頭為HeadSyn，在ParameterSet中初始化為10110001，同步頭的長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好，但是執(zhí)行的速度也就越慢。理論上來(lái)說(shuō)，在對(duì)Manchester碼加同步頭時(shí)，同步頭最好為全1，而不是巴克碼。從實(shí)際仿真檢測(cè)效果來(lái)看，該同步處理同樣做到了很低的誤碼率。
2．2 二元信號(hào)調(diào)制
    對(duì)于已經(jīng)添加了同步頭的編碼信號(hào)，為了讓其能通過(guò)下一步的上變頻，從而在信道中傳輸，則需要進(jìn)行成型濾波。
    本設(shè)計(jì)中，首先確立了4倍過(guò)采樣率(OverSampleRate)，通過(guò)MatIab擬合了一個(gè)21階的成型濾波器，對(duì)于一個(gè)N長(zhǎng)度的編碼信號(hào)，相當(dāng)于算法循環(huán)N次，成型濾波值每隔4位賦予調(diào)制信號(hào)Signal，然后對(duì)應(yīng)位相加，得到一個(gè)長(zhǎng)度為N×OverSampleRate+FilterOrder-1的適合于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號(hào)。這個(gè)結(jié)果可以用仿真軟件之后觀察到。
    二元信號(hào)調(diào)制流程如圖2所示。

2．3 信道傳輸處理
    由于信號(hào)傳輸過(guò)程中，會(huì)經(jīng)過(guò)信道雜波干擾，同時(shí)還有傳輸噪聲影響，因此直接通過(guò)信道出來(lái)的波形必然有不同程度的失真，還會(huì)有各種諧波干擾，信道均衡在此顯得尤為重要。本設(shè)計(jì)中采用的是時(shí)域橫向FIR濾波器(自適應(yīng)LMS算法)來(lái)進(jìn)行信道均衡，并且由于信道均衡自帶分?jǐn)?shù)時(shí)延的效果，同步檢測(cè)步驟后的分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器也可以省略掉，當(dāng)然保留也并無(wú)影響。
    系統(tǒng)仿真所加噪聲為白噪聲信號(hào)。
    均衡器得到的波形將一直與輸入信號(hào)進(jìn)行循環(huán)比較，但是由于同步信號(hào)已知，而其后波形是未知的，因此僅僅根據(jù)同步頭位數(shù)確定循環(huán)比較次數(shù)。只要同步信號(hào)相等，即可大致認(rèn)為整個(gè)信號(hào)已均衡處理完畢。(因此同步頭長(zhǎng)度越長(zhǎng)，均衡效果越好。)
2．4 幀同步檢測(cè)
    由于接收到的信號(hào)含有同步信息，但是同步頭的位置又不明確，所以在解調(diào)前，必須首先判斷同步信息位置，這就需用到自相關(guān)函數(shù)波峰。幀同步頭檢測(cè)流程圖如圖3所示。

2．5 匹配濾波
    由前面的幀同步頭檢測(cè)步驟，已經(jīng)得到同步頭之后的碼元所在位置，但是由于信道傳輸過(guò)程中將引入大量噪聲以及無(wú)用信息，故想要獲得最大結(jié)果，必須通過(guò)匹配濾波器處理。從本質(zhì)上來(lái)講，就是二次成型濾波，也就是FIR濾波。當(dāng)有了同步之后碼元匹配濾波的極值點(diǎn)信息，再由同步處理部分得到的距離最佳采樣點(diǎn)最近的前一個(gè)整數(shù)位置信息，就可以得出delay的延遲信息。
2．6 分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波
    由于銳化之后波形的極值點(diǎn)，可能并非實(shí)際中的采樣點(diǎn)，這樣就需要通過(guò)分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器處理后，對(duì)極值進(jìn)行估計(jì)。這樣，就可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行下一步的判決譯碼。
    如果定義為有限長(zhǎng)時(shí)延濾波器DelayFilter的時(shí)域信號(hào)，其近似對(duì)應(yīng)的頻域變換為H(jw)=e-jwD，其中D為同步處理后的返回值delay數(shù)值與距離最佳采樣點(diǎn)最近的前一個(gè)整數(shù)位置長(zhǎng)度之差，也就是delay數(shù)值的小數(shù)部分，式中ak，n為在ParameterSet部分中聲明的Del ayFilter二元矩陣。
    所以，一旦同步處理結(jié)束后，知道了D值就能得到該頻域響應(yīng)下的時(shí)域信號(hào)，有了時(shí)域信號(hào)之后，再對(duì)同步頭之后一個(gè)碼元周圍作插值濾波，便可得到最佳采樣點(diǎn)幅值。
2．7 判決譯碼
    在本設(shè)計(jì)中，對(duì)于經(jīng)過(guò)上述處理后得到的極值(附近的2～3個(gè)數(shù)值與極值信息相同)，如果大于0，則為高電平，如果小于0，則為低電平，并且同時(shí)進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編碼的逆反過(guò)程。在程序中表現(xiàn)為：如果檢測(cè)到高電平，表示下一位肯定是低電平，所以對(duì)應(yīng)的解碼位就是“1”；如果檢測(cè)到低電平，表示下一位肯定是高電平，所以對(duì)應(yīng)的解碼位就是“0”。

3 CCS環(huán)境以及仿真結(jié)果
    CCS是一款集成性DSP軟件開(kāi)發(fā)工具，其有軟件和硬件仿真兩種模式，．cmd文件主要是用來(lái)分配處理器的ROM和RAM空間的。它告訴鏈接程序怎樣計(jì)算地址和分配空間。所以不同的芯片就有不同大小的ROM和RAM，存放用戶程序的地方也不盡相同。所以要根據(jù)芯片進(jìn)行修改。  .cmd文件分兩部分：MEMORY和SECTIONS。
    圖4為code碼元在CCS下的仿真波形。

    圖5為code_在CCS下的仿真波形。
    從圖中看出，code為10001101011……，code_為10001101011……?？梢杂^察出編碼code與解碼code_是相同的，符合誤碼率要求。
    code_manch波形如圖6所示。

    另外，code_manch前8位代表同步頭，第9位開(kāi)始是編碼信號(hào)，為10110001100101010……第9位開(kāi)始的10對(duì)應(yīng)code中的1，01對(duì)應(yīng)0。