基于TMS320C5420的2FSK设计与实现

1、基于TMS320C5420的2FSK设计与实现    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。详细介绍了用DSP实现2FSK调制解调的算法，并就解调中所应用的数字滤波器做了具体分析。关键词：DSP；软件无线电；FSK；调制与解调；数字滤波器    软件无线电是利用大规模集成电路

2、技术，把DSP芯片或通用CPU芯片作为无线通信的基本硬件平台，将尽可能多的无线通信功能(如调制技术、跳频、纠错及加密等)用软件实现。软件无线电技术可以用软件升级来改变无线功能参数，可以按要求的条件编程实现无线通信功能，使系统升级基于软件，其代价小，灵活性强。用TI公司的TMS320C5420DSP芯片成功设计出一种兼容2FSK，DPSK，QAM等多种调制解调方式的JH5001通信原理实验系统，下面以 2FSK为例，详细介绍用DSP软件实现他的原理。     2FSK调制的DSP软件实现     2FSK调制的数字振

3、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sinkT的Z变换为：        其中，A=2cosT，B=-1，C=sinT。设初始条件为0，求出式(1)的反Z

4、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xk-1的性质，仅当     k=1时，xk-1=1，得到下列递推式：     k=0时y0=Ay-1+By-2+0=0     k=1时y1=Ay0+By-1+C=C     k=2时y2=Ay1+By0+0=Ay1   &#

5、160; k=3时y3=Ay2+By1         k=n时yn=Ayn-1+Byn-2    在k>2以后，yk能用yk-1和yk-2计算出来，这样通过迭代就能得到一系列的yk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)。   

6、0; 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y1和y2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y1和y2值重新计算出新的y0值，对其求单位冲击响应就可得到16kHz和32kHz的正弦信号。     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

7、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，

8、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

9、，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IMR寄存器各个比特位的定义：        其中，HPINT表示HPI接口中断，INT3INT0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

10、断；TINT为定时器中断。图1为 2FSK调制主程序流程图，图2为中断程序流程图。按图1和图2的流程编制程序即可实现2FSK调制功能。       图12FSK调制主程序流程图        图2中断程序流程图     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，其框图如图3所示。  &#

11、160;     图3FSK正交相乘非相干解调示意图    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：         在式(4)中，第一项经过低通滤波器后可以滤除。    当2f0*S=P/2时，式(4)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

12、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。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(2f0*)=0的条件，从而保证信号通过低通滤波器后的值为±Tbsin(2f*)。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cos4(f0

13、±f)*t-2(f0±f)*去除，需要将相乘后的值通过一个低通滤波器，留下cos2(f0±f)*。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4所示。        图4FIR实现示意图    在编程时，将最新的x(n)的地址给A