基于TMS320C5420的2FSK設(shè)計(jì)與實(shí)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(yīng)用。我們使用TI公司的TMS320C5420DSP芯片成功設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)無線參數(shù)的改變和增加新的功能。詳細(xì)介紹了用DSP實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制解調(diào)的算法，并就解調(diào)中所應(yīng)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(tái)，將盡可能多的無線通信功能(如調(diào)制技術(shù)、跳頻、糾錯(cuò)及加密等)用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件無線電技術(shù)可以用軟件升級(jí)來改變無線功能參數(shù)，可以按要求的條件編程實(shí)現(xiàn)無線通信功能，使系統(tǒng)升級(jí)基于軟件，其代價(jià)小，靈活性強(qiáng)。用TI公司的TMS320C5420DSP芯片成功設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，下面以 2FSK為例，詳細(xì)介紹用DSP軟件實(shí)現(xiàn)他的原理。

2FSK調(diào)制的DSP軟件實(shí)現(xiàn)

2FSK調(diào)制的數(shù)字振蕩器設(shè)計(jì)
頻移鍵控FSK調(diào)制是用數(shù)字基帶信號(hào)來控制高頻載波頻率的變化，調(diào)制后的載波信號(hào)頻率代表了要傳送的數(shù)字信號(hào)。二進(jìn)制FSK(2FSK)是用2個(gè)高頻載波f₁和f₂來表示2個(gè)數(shù)字信號(hào)“1”或“0”。2FSK調(diào)制的常用方法是將f1和f2的正弦值預(yù)先計(jì)算出來，制成一個(gè)表，DSP工作時(shí)僅做查表運(yùn)算即可實(shí)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(hào)。其原理如下：一個(gè)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(shè)初始條件為0，求出式(1)的反Z變換為：

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

k=1時(shí)，x[k-1]=1，得到下列遞推式：
k=0時(shí)　y[0]=Ay[-1]+By[-2]+0=0
k=1時(shí)　y[1]=Ay[0]+By[-1]+C=C
k=2時(shí)　y[2]=Ay[1]+By[0]+0=Ay[1]
k=3時(shí)　y[3]=Ay[2]+By[1]
……
k=n時(shí)　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(jì)算出來，這樣通過迭代就能得到一系列的y[k]值。所設(shè)計(jì)的數(shù)字振蕩器產(chǎn)生16kHz和 32kHz的正弦信號(hào)，分別代表數(shù)據(jù)0和1，設(shè)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(hào)的系數(shù)(下標(biāo)為0的系數(shù)是16kHz正弦信號(hào)的系數(shù)，下標(biāo)為1的系數(shù)是32kHz正弦信號(hào)的系數(shù))。

A0=2cosω0T=2cos(2π16000/96000)=1
B0=-1
C0=sinω0T=sin(2π16000/96000)=0.86602540
A1=2cosω1T=2cos(2π32000/96000)=-1
B1=-1
C1=sinω1T=sin(2π3200096000)=0.86602540

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

2FSK調(diào)制的定時(shí)與中斷設(shè)計(jì)
為了保證96kHz的采樣頻率，需要用到TMS320C5420的中斷與定時(shí)器。定時(shí)器主要由3個(gè)寄存器組成，分別是定時(shí)器寄存器TIM，每計(jì)數(shù)一次自動(dòng)減1；定時(shí)器周期寄存器PRD，當(dāng)TIM減為0后，CPU自動(dòng)將PRD的值裝入TIM；定時(shí)器控制寄存器TCR。

定時(shí)器控制寄存器TCR各個(gè)比特位的具體定義如表1所示。

表1　定時(shí)器控制寄存器TCR的定義

TMS320C5420的定時(shí)器工作原理是：當(dāng)CLKOUT信號(hào)時(shí)鐘沿到來時(shí)，觸發(fā)PSC。PSC是一個(gè)減1計(jì)數(shù)器，CLKOUT信號(hào)時(shí)鐘沿使PSC減 1，直到PSC為0，然后用TDDR重新裝入PSC，同時(shí)將TIM減1，直到TIM減為0，這時(shí)CPU發(fā)出TINT中斷，同時(shí)在TOUT引腳輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖寬度與CLKOUT一致，然后用PRD重新裝入，重復(fù)下去直到系統(tǒng)或定時(shí)器復(fù)位。

當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或定時(shí)器單獨(dú)復(fù)位時(shí)，TIM和PRD都置成最大值FFFH，TDDR位清0，定時(shí)器控制寄存器的停止?fàn)顟B(tài)位TSS被清零，定時(shí)器啟動(dòng)，并將定時(shí)器擴(kuò)展周期TDDR中的值加載到定時(shí)器預(yù)置計(jì)數(shù)器PSC中，而且將定時(shí)器周期寄存器PRD中的值重新加載到定時(shí)器寄存器TIM中。

定時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)的。IMR是一個(gè)存儲(chǔ)器映射寄存器，用于控制中斷源的屏蔽和開放。當(dāng)ST1寄存器中的INTM位為0時(shí)，全局中斷允許。IMR中的某一位為1時(shí)，該中斷開放。以下

是IMR寄存器各個(gè)比特位的定義：

其中，HPINT表示HPI接口中斷，INT3～I(xiàn)NT0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(shí)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(shí)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(shí)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(hào)為，經(jīng)延時(shí)后信號(hào)，其中S為延時(shí)量。兩路信號(hào)相乘之后的結(jié)果為：

在式(4)中，第一項(xiàng)經(jīng)過低通濾波器后可以濾除。

當(dāng)2πf₀*S=P/2時(shí)，式(4)可化簡為：

因而經(jīng)過低通濾波器后，輸出信號(hào)的大小為：

，從而實(shí)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(gè)比特采樣16個(gè)樣點(diǎn)，基帶信號(hào)的載頻f0為24kHz，頻偏量$f為8kHz。因而在DSP的處理過程中，延時(shí)取一個(gè)樣值就可滿足cos(2πf₀*τ)=0的條件，從而保證信號(hào)通過低通濾波器后的值為T_bsin(2π△f*τ)。當(dāng)基帶信號(hào)為1時(shí)，濾波后得到一個(gè)正值；當(dāng)基帶信號(hào)為0時(shí)，濾波后得到一個(gè)負(fù)值，最后判決時(shí)就可根據(jù)濾波后值的正負(fù)判斷。

正交相乘非相干解調(diào)的另一個(gè)關(guān)鍵問題是低通濾波器的實(shí)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(gè)低通濾波器，留下cos2π(f₀△f)*τ]。為此設(shè)計(jì)了一個(gè)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(dá)式為：

FIR濾波器沒有反饋回路，是一個(gè)無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)。他的單位脈沖響應(yīng)h(n)是一個(gè)有限長序列，當(dāng)h(n)滿足偶對(duì)稱或奇對(duì)稱，并且h(n)是一個(gè)實(shí)數(shù)序列時(shí)，F(xiàn)IR濾波器具有線性相位的特性。通過對(duì)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(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算，對(duì)不同時(shí)刻的輸入乘以其加權(quán)系數(shù)，然后各項(xiàng)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(gè)乘積相加就得到一個(gè)y (n)。然后又讀入一個(gè)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(shí)現(xiàn)示意圖

在編程時(shí)，將最新的x(n)的地址給AR4，51階的h(x)放在SCR_WAVE表中。計(jì)算時(shí)，AR4遞減，且將AR4地址的值與SCR_WAVE逐個(gè)相乘，這樣就實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)計(jì)思想。

結(jié)語

基于DSP實(shí)現(xiàn)的2FSK調(diào)制解調(diào)器在JH5001通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中得到成功的應(yīng)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(shí)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(qiáng)，他將有著更廣泛的應(yīng)用前景。