基于TMS320C5420的2FSK设计与实现.docx
- 文档编号:9002855
- 上传时间:2023-02-02
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:259.72KB
基于TMS320C5420的2FSK设计与实现.docx
《基于TMS320C5420的2FSK设计与实现.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于TMS320C5420的2FSK设计与实现.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于TMS320C5420的2FSK设计与实现
课程设计
题目基于TMS32C5420的2FSK设计与实现
学院名称电气工程学院
指导老师朱卫华
班级电子信息工程021班
学号20024470103
学生姓名 高圣
二00五年五月
目录
摘要
第1章2FSK的概述和原理
2.12FSK调制方式概述
2.2数字调频信号(2FSK)的一般分析
第2章DSP软件实现的FSK非相干解调算法
2.1正交自延时FSK解调算法
2.2π/2相位延迟的实现
第3章2FSK调制的数字振荡器设计
第4章2FSK调制的定时与中断设计
第5章2FSK解调的DSP软件实现
结语
参考文献
致谢
摘要
基于DSP的软件无线电技术在通信领域得到了广泛的应用。
我们使用TI公司的TMS320C5420DSP芯片成功设计了一种兼容2FSK,DPSK,QAM等多种调制解调方式的JH5001通信原理实验系统,在系统硬件不变的情况下只要修改DSP的软件处理部分就能实现无线参数的改变和增加新的功能。
2FSK是一种在无线通信中很具有吸引力的数字调制方式。
目前在短波,微波和卫星通信中均被采用。
随着超大规模集成电路技术及计算机技术的飞速发展,数字信号处理(DSP)技术在通信领域中已有了广泛的应用。
论文研究并实现了基于DSP的2FSK调制与解调系统。
最后使用功能强大的数字信号处理器TMS320C5420DSP实现了对2FSK的调制与解调,并且给出了CCS2.0中的详细程序。
论文设计包括DSP硬件系统结构外围电路的设计以及软件设计两大部分。
在硬件设计中,选取TMS3205420DSP芯片为核心器件。
通过控制逻辑(CPLD)对TMS320C5420DSP、FLASH、外部SRAM的控制,借助RS-232接口和数模/模数转换器便可实现基于DSP技术2FSK调制解调;在软件设计中采用数字振荡器方法,用迭代方法产生两个正弦载波信号实现2FSK的调制,在解调方面设计51阶FIR滤波器进行滤波。
论文所研究的内容适应当前科学技术的发展与更新,具有一定的实用价值。
论文所提出的实现数字化调制和解调的方法,仍然是当前通信领域中先进的技术,具有一定的理论和实践意义。
在研究中开发的DSP目标板可为实验的后续研究提供实用的研究平台。
关键词:
DSP;软件无线电;FSK;调制与解调;数字滤波器
第一章2FSK的概述与原理
频移键控FSK(FrequencyShiftKey)调制是用数字基带信号来控制高频载波频率的变化,调制后的载波信号频率代表了要传送的数字信号。
二进制FSK(2FSK)是用2个高频载波f1和f2来表示2个数字信号“1”或“0”,其信号的典型波形如图1所示。
由于FSK系统受幅度非线性的影响小,且很容易用软件来实现,所以FSK在中低速数据通信系统中得到了广泛地应用。
FSK解调有相干解调和非相干解调,虽然相干解调抗干扰性能好,但他要求设置与发送设备中的高频载波同频同相的本地参考载波,使设备复杂,因此一般数字调频系统都采用非相干解调。
常用的非相干解调算法有过零检测法和包络检测法。
过零检测法的基本原理是根据频移键控过零率的大小来检测已调信号中频率的变化。
输入已调信号经过限幅、微分、整流后形成与频率变化相应的脉冲序列,由此形成一定宽度的矩形波,然后经过低通滤波滤除高次谐波后再进行抽样判决,即可得到原始的调制信号。
过零检测法多用硬件电路实现。
包络检测法的原理如图2所示,输入信号先经过一对窄带的带通滤波器滤波,得到代表数字信号的高频载波f1和f2,经过包络检波器后分别取出他们的包络,最后将2路输出同时送到抽样判决器进行比较,从而判决出基带数字信号。
下章将介绍一种新的可用DSP软件实现的FSK非相干解调算法,它不需要经过2路窄带带通滤波。
第二章DSP软件实现的FSK非相干解调算法
1). 正交自延时FSK解调算法
算法的基本思想是已调信号和他的pi/2的延时信号相乘,然后经过低通滤波,根据滤波结果的符号判断发送信号的值,从而实现信号的解调。
算法原理图如图3所示:
算法原理图如图
(1)所示。
图3正交自延时FSK解调原理图
设已调FSK信号表达式为:
其中:
ωc为载波角频率;δω为其频偏(设δω>0);φ为初始相位;ωc+δω表示发送信号0;ωc-δω表示发送信号1。
R(t)的τ延时信号为:
求原信号R(t)与其自延时信号R(t-τ)的乘积:
(3)这里系数2只是为了抵消乘法结果的系数。
设ωc·τ=π/2,则式(3)经过低通滤波后为:
这样根据滤波结果的符号就可判断发送信号的值:
负号表示发送信号0,正号表示发送信号1。
由ωcτ=π/2,得τ=π/(2ωc)=1/(4fc)(fc为载频),如果在模拟系统中,这个τ比较容易实现,但是在数字系统中,信号一般先以一定的采样率进行数字化,然后才进行解调等处理。
显然数字信号的τ延时不可能恰是采样周期的整数倍,对于信号的整数倍延迟比较容易实现,比如在各种单片处理器系列中,可使用数据移动指令来实现,而对于小数倍延时,可用一个单零点的FIR滤波器来实现。
2). π/2相位延迟的实现
我们不仅要用单零点FIR滤波器来实现分数延时,而且利用FIR滤波器群延时的概念,使得这个分数延时对应的就是总的相位延迟。
单零点FIR滤波器的差分方程为:
其中:
设计该滤波器的目的就是给接收信号引进精确的群延时τ,这时分数倍延时α代表的是总的相位延迟π/2,τ定义为:
将式(13)带入式(14),得:
其中:
归一化角频率ω=2πf,f=fc/fs,fc和fs分别是载波和采样频率。
在用DSP软件实现FSK信号的解调处理时,设INPUT,DELYT是连续存储器位置变量,且令:
则有:
解调变量说明:
设FSK信号的采样率为9600Hz,波特率为300Hz,则每个波特率周期内的样点数为32。
LPFOUT 低通滤波输出;
DZONE 包络检波器的判决门限;
SAPDAT 当前波特率周期内采样点的数据估计;
BAUDCT 当前波特率周期内采样点的计数;
BFDAT 前一个波特率周期(码元)的数据估计;
STWD DSP送入MCU的状态字;
TRANCNT 设定的数据转变发生的条件;
CNTR 当SAPDAT与BFDAT不同时,CNTR加1。
若在BAUDCT达到32之前,CNTR已经达到了TRANCNT,就认为数据转变发生了,对BFDAT取反。
解调算法流程如图4所示。
第三章2FSK调制的数字振荡器设计
频移键控FSK调制是用数字基带信号来控制高频载波频率的变化,调制后的载波信号频率代表了要传送的数字信号。
二进制FSK(2FSK)是用2个高频载波f1和f2来表示2个数字信号“1”或“0”。
2FSK调制的常用方法是将f1和f2的正弦值预先计算出来,制成一个表,DSP工作时仅做查表运算即可实现。
在这里采用数字振荡器方法,用迭代方法产生正弦信号。
其原理如下:
一个传递函数为正弦序列sinkωT的Z变换为:
其中,A=2cosωT,B=-1,C=sinωT。
设初始条件为0,求出式
(1)的反Z变换为:
这是一个二阶差分方程,对其求单位冲击响应便可得到正弦信号sinkXT。
利用单位冲击函数x[k-1]的性质,仅当
k=1时,x[k-1]=1,得到下列递推式:
k=0时 y[0]=Ay[-1]+By[-2]+0=0
k=1时 y[1]=Ay[0]+By[-1]+C=C
k=2时 y[2]=Ay[1]+By[0]+0=Ay[1]
k=3时 y[3]=Ay[2]+By[1]
……
k=n时 y[n]=Ay[n-1]+By[n-2]
在k>2以后,y[k]能用y[k-1]和y[k-2]计算出来,这样通过迭代就能得到一系列的y[k]值。
所设计的数字振荡器产生16kHz和32kHz的正弦信号,分别代表数据0和1,设置采样频率为96kHz,通过确定上面递归差分方程系数就可求得16kHz和32kHz正弦信号的系数(下标为0的系数是16kHz正弦信号的系数,下标为1的系数是32kHz正弦信号的系数)。
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程序在初始化时先分别计算出产生16kHz与32kHz信号所需要的y[1]和y[2]值,然后开放定时器中断,以后每次进入定时器中断服务程序时,利用已计算出的y[1]和y[2]值重新计算出新的y[0]值,对其求单位冲击响应就可得到16kHz和32kHz的正弦信号。
第四章2FSK调制的定时与中断设计
为了保证96kHz的采样频率,需要用到TMS320C5420的中断与定时器。
定时器主要由3个寄存器组成,分别是定时器寄存器TIM,每计数一次自动减1;定时器周期寄存器PRD,当TIM减为0后,CPU自动将PRD的值装入TIM;定时器控制寄存器TCR。
定时器控制寄存器TCR各个比特位的具体定义如表1所示。
表1 定时器控制寄存器TCR的定义
TMS320C5420的定时器工作原理是:
当CLKOUT信号时钟沿到来时,触发PSC。
PSC是一个减1计数器,CLKOUT信号时钟沿使PSC减1,直到PSC为0,然后用TDDR重新装入PSC,同时将TIM减1,直到TIM减为0,这时CPU发出TINT中断,同时在TOUT引脚输出一个脉冲信号,脉冲宽度与CLKOUT一致,然后用PRD重新装入,重复下去直到系统或定时器复位。
当系统复位或定时器单独复位时,TIM和PRD都置成最大值FFFH,TDDR位清0,定时器控制寄存器的停止状态位TSS被清零,定时器启动,并将定时器扩展周期TDDR中的值加载到定时器预置计数器PSC中,而且将定时器周期寄存器PRD中的值重新加载到定时器寄存器TIM中。
定时器中断的频率由式(3)决定:
其中,tC表示CLKOUT的周期,即TINT=95kHz。
由式(3)可确定定时时间常数TDDR=0,PRD=333。
TMS320C5420的中断是通过中断屏蔽寄存器IMR来实现的。
IMR是一个存储器映射寄存器,用于控制中断源的屏蔽和开放。
当ST1寄存器中的INTM位为0时,全局中断允许。
IMR中的某一位为1时,该中断开放。
以下是对IMR寄存器各个比特位的定义:
其中,HPINT表示HPI接口中断,INT3~INT0为外部引脚产生的中断;TXINT和TRINT为TDM串口的发送和接收中断;BXINT和BRINT为BSP串口的发送和接收中断;TINT为定时器中断。
图5为2FSK调制主程序流程图,图2为中断程序流程图。
按图5和图6的流程编制程序即可实现2FSK调制功能。
图5 2FSK调制主程序流程图
图6 中断程序流程图
第五章 2FSK解调的DSP软件实现
2FSK解调的方法有相干解调、滤波非相干解调、正交相乘非相干解调等多种方法,这里采用正交相乘非相干解调法,输入信号为:
,经延时后信号
,其中S为延时量。
两路信号相乘之后的结果为:
在上式中,第一项经过低通滤波器后可以滤除。
当2πf0*S=P/2时,上式可化简为因而经过低通滤波器后,输出信号的大小为:
从而实现了FSK的正交相乘非相干解调。
从以上的分析可以看出,正交相乘非相干解调法关键在于正确选择τ。
这里2FSK的采样率96kHz,每一个比特采样16个样点,基带信号的载频f0为24kHz,频偏量$f为8kHz。
因而在DSP的处理过程中,延时取一个样值就可满足cos(2πf0*τ)=0的条件,从而保证信号通过低通滤波器后的值为±Tbsin(2π△f*τ)。
当基带信号为1时,滤波后得到一个正值;当基带信号为0时,滤波后得到一个负值,最后判决时就可根据滤波后值的正负判断。
正交相乘非相干解调的另一个关键问题是低通滤波器的实现。
为了将二倍频分量cos[4π(f0±△f)*t-2π(f0±△f)*τ]去除,需要将相乘后的值通过一个低通滤波器,留下cos2π(f0±△f)*τ]。
为此设计了一个51阶FIR滤波器,采用汉明窗平方根升余弦滚降。
FIR滤波器的差分表达式为:
FIR滤波器没有反馈回路,是一个无条件的稳定系统。
他的单位脉冲响应h(n)是一个有限长序列,当h(n)满足偶对称或奇对称,并且h(n)是一个实数序列时,FIR滤波器具有线性相位的特性。
通过对FIR滤波器的结构和他的差分方程分析,可以看出FIR滤波器实际上是一种乘法累加运算,对不同时刻的输入乘以其加权系数,然后各项相加,不断地移位输出,这样就得到了滤波输出结果。
将式(6)展开即得:
由此式可见,将最新的样本与h(0)相乘,次新的样本与h
(1)相乘,依次类推,最老的样本与h(N-1)相乘,然后将这51个乘积相加就得到一个y(n)。
然后又读入一个新样本,则原来最新的样本变为次新的样本,原来最老的样本则被淘汰。
此法的示意图如图7所示。
图7 FIR实现示意图
在编程时,将最新的x(n)的地址给AR4,51阶的h(x)放在SCR_WAVE表中。
计算时,AR4递减,且将AR4地址的值与SCR_WAVE逐个相乘,这样就实现了上述设计思想。
结语
本文给出的FSK解调算法结构简单,用DSP软件实现容易。
应用该算法前,通常数字化后的FSK信号先要通过一个中心频率为载频的FIR数字滤波器进行窄带滤波,然后才进行信号的解调接收处理。
算法中的低通滤波器可以采用IIR滤波器,其阶数比较低,对DSP来讲,运算量不大。
用DSP软件实现数字滤波和FSK解调,可以简化数字系统的硬件电路,提高系统的可靠性和灵活性。
基于DSP实现的2FSK调制解调器在JH5001通信实验系统中得到成功的应用,在系统硬件不变的情况下只要修改DSP的软件处理部分就能实现无线参数的改变和增加新的功能,因此软件无线电技术灵活性很强,他将有着更广泛的应用前景。
这段时间的课题设计在忙忙碌碌中一晃而过。
刚开始,我们头绪不是很清楚,不知道从哪里入手,但通过老师的耐心指导并和同学认真研究设计课题,跑图书馆查资料、确定基本设计方案、对所用芯片功能进行查找、调试、上机仿真等,经历了一次次的困难,却积累了很多宝贵的经验。
在整个设计的过程中遇到的问题主要有以下三点,第一:
基础知识掌握的不牢固,主要表现在一些常用的电路的形式和功能不清楚,对书本上的内容理解不够透彻。
第二:
对一些常用的应用软件缺少应用,体现在画电路图和系统的仿真的时候,对这些软件的操作不熟练,浪费了很多时间。
第三:
相关知识掌握的不够全面,缺少系统设计的经验。
这次设计进一步端了我的学习态度,学会了实事求是,严谨的作风,对自己要严格要求,不能够一知半解,要力求明明白白。
急于求成是不好的,我有所感受。
如果省略了那些必要的步骤,急于求成,不仅会浪费时间,还会适得其反。
我觉得动手之前,头脑里必须清楚该怎么做,这一点是很重要的。
就目前来说,我的动手能力虽然差一点,但我想,通过我的不懈努力,在这方面,我总会得到提高。
这一点,我坚信。
因为别人能做到的,我也一定能做到。
在此次设计中我最大的体会就是进一步认识到了理论联系实践的重要性。
一份耕耘,一份收获。
通过这段时间的设计,让我明白科学的思维方法和学习方法是多么重要,只有这样才能够有很高的效率,才能够让自己的工作更完美。
本次设计让我学到了很多,也学会到了要怎么样去面对困难,不要对知识一知半截,要有的求实的能力,通过老师的帮助我学到了很多在平时的没有注意到的动东西及知识,更美没有深入的的去理解,通过这次我要更加的明确自己。
更要注重自己在各方面的锻炼能力,把握机会。
这次的设计非常的感谢老师给我们这个机会。
参考文献
[1]王秉钧,孙学军,王少勇,等.现代通信系统原理[M].天津:
天津大学出版社,1999.
[2]TeachingDSP throughthepractical casestudyofanFSK Modem.
[3]ImplementionofanFSKModemusingtheTMS320C17.
[4]FSKmodulationanddemodulationwiththeMSP430microcontroller.
[5]吴镇杨.数字信号处理的原理与实现[M].南京:
东南大学出版社,2001.
致谢
此次课题设计让我学到了好多平时在课堂上学不到的东西,增加了我的知识运用能力,增强我的实际操作能力。
谢谢老师给我们提供这么好的机会,为我们之后走向社会奠定了一个好的基础。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 TMS320C5420 FSK 设计 实现