基于TMS320C54X的雙調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1　引　言　

在有差錯(cuò)信道中進(jìn)行數(shù)據(jù)的高可靠性甚至無誤碼傳輸，可采用傳統(tǒng)的差錯(cuò)重傳（arq）和前向糾錯(cuò)（fec）等技術(shù)，但這些技術(shù)都不可避免地存在時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)，信道利用率低，開銷大等弊端，不適合于需要一定的可靠性又要求實(shí)時(shí)傳輸或?qū)ν话l(fā)業(yè)務(wù)立即進(jìn)行處理的場(chǎng)合 ，如多媒體數(shù)據(jù)（語音，圖像 ，文本數(shù)據(jù)）的通信、電力調(diào)度系統(tǒng)之間的通信、公安系統(tǒng)突發(fā)任務(wù)的下達(dá)等?；趖ms320c54的雙mode m可在一定程度上避免這些問題，它采用兩路全雙工的數(shù)據(jù)通信鏈路來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，相當(dāng)于用兩條線路來傳輸一路信息，接收端根據(jù)兩條線路的接收質(zhì)量智能地決定接收哪路信息，自動(dòng)切換，無需采用a rq或fec等技術(shù)就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠性傳輸。該系統(tǒng)采用dsp技術(shù)，以平衡對(duì)稱設(shè)計(jì)思路 ，實(shí)現(xiàn)雙mod em在同一平臺(tái)上實(shí)施 ，并利用軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種選擇靈活搭配，除了具有電路設(shè)計(jì) 、調(diào)試簡(jiǎn)單 、可靠性高和抗噪聲能力強(qiáng)等特點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：　

·傳輸中心頻率靈活可變，可適用于上音頻電力線載波（f＝2880hz，3000hz）、微波（f＝1700hz）、無線（f＝1500hz），以及電力線載波機(jī)話音通道（f＝1200hz）組成的通訊網(wǎng)中，采用本機(jī)傳送數(shù)據(jù)可統(tǒng)一所有的modem型號(hào)，便于互換與維修。

·解調(diào)部分具有agc（自動(dòng)增益控制）功能?！　?/p>

·具有定性的誤碼顯示，線路信噪比狀況一目了然。　

·支持兩個(gè)modem獨(dú)立使用。

2　雙modem的硬件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)

2．1　雙modem系統(tǒng)的組成

雙modem系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要由以下五部分構(gòu)成：

（1）dsp最小系統(tǒng)　 數(shù)字處理系統(tǒng)由于其可靠性高、可編程性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)在通信、航天制導(dǎo)、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。在雙modem中由一片tms320c5402 dsp芯片和一片eprom構(gòu)成的dsp最小系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。tms320c54x是ti公司tms320系列芯片中新一代16－bit定點(diǎn)dsp，適合于高速的數(shù)字信號(hào)處理。其特點(diǎn)如下：　
·先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)，一條程序總線，三條數(shù)據(jù)總線，四條地址總線，使得靈活性和性能大大提高。　 　

·外接1024khz晶振，指令周期為10ns，100mips運(yùn)算速度。
·提供power down低功耗方式?！?
·17×17－bit的并行乘法器為非流水單周期的乘法／累加（mac）操作產(chǎn)生40－bit的乘積 ?！?
·8個(gè)輔助寄存器和一個(gè)專用運(yùn)算單元支持間接尋址?！?
·4級(jí)流水操作用于延遲分支，調(diào)用和返回指令?！?
·16個(gè)軟件可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器，用于程序、數(shù)據(jù)、i／o存儲(chǔ)器空間的延時(shí)等待操作?！?
·可訪問的擴(kuò)展存儲(chǔ)器空間為192k×16－bit（其中64k程序存儲(chǔ)器、64k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、64ki ／o存儲(chǔ)器）。　
·支持多達(dá)16個(gè)用戶可屏蔽中斷（sint15-sint0），jtag掃描仿真邏輯（ieee1149．1）

（2）cpld控制邏輯　

現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（fpga）和高性能數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）是信號(hào)處理領(lǐng)域兩大關(guān)鍵器件，fpga和dsp的運(yùn)算速度及并行處理能力成為制約高速信號(hào)處理應(yīng)用的主要因素，fpga以其設(shè)計(jì)靈活性及硬件高密度性在信號(hào)處理領(lǐng)域顯示出越來越重要的作用。該系統(tǒng)的cpld控制邏輯采用xilin的xc9536來完成，xc9536的可編程i／o引腳，可以實(shí)現(xiàn)dsp、scc、a／d轉(zhuǎn)換等所需的控制邏輯。

（3）a／d變換　

系統(tǒng)接收時(shí)首先將模擬的語音信號(hào)通過a／d轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入tms320c5402dsp，發(fā)送時(shí)將數(shù)字調(diào)制信號(hào)通過d／a轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號(hào)后再上信道傳輸，為此我們選擇了ti公司單片集成ad和da轉(zhuǎn)換通道的音頻模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器320ad56作為系統(tǒng)的a／d轉(zhuǎn)換器件，該器件采用σ－δ轉(zhuǎn)換方法，采樣率為22．05khz，帶寬為8．8khz，分辨率為16bits，功耗為150mw，＋5 v單電源供電，同時(shí)320ad56的時(shí)鐘可以直接與ttl、cmos、或正的ecl邏輯電平相連。

（4）閃爍存儲(chǔ)器（flash）　

flash memory是一個(gè)非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是在寫之前要以塊為單位執(zhí)行擦除命令，即：使所有字節(jié)均變?yōu)?xff，然后再寫入數(shù)據(jù)，而且斷電以后數(shù)據(jù)不丟失。我們采用amd公司的am28f010作為系統(tǒng)的eprom，它工作所需的時(shí)序信號(hào)／we、／rd、／bce由cp ld控制邏輯提供。am28f010的工作電壓為＋5v，容量為64k×8bit，速度為150ns。

（5）串口通信模塊　

modem從發(fā)送方串行接收數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過調(diào)制將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最后通過線路傳送到接收方。接收方也需要通過modem從線路上將信號(hào)解調(diào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后串行發(fā)送給接收方。本系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)串行通信，采用am85c30作為串口通信控制器（sc c），am85c30是amd公司的zilog系列產(chǎn)品，采用cmos結(jié)構(gòu)，是一種全雙工雙通道、多數(shù)據(jù)協(xié)議的數(shù)據(jù)通信控制器，可以通過軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)通信方式。am85c30的每個(gè)通道都有一套自己的讀／寫寄存器集，所有通信模式都是通過操作寫寄存器來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)所有狀態(tài)判斷都是通過操作讀寄存器來實(shí)現(xiàn)的，隨著數(shù)據(jù)接收／發(fā)送，讀寄存器的值可能會(huì)發(fā)生變化，這些變化能觸發(fā)程序活動(dòng)或內(nèi)部硬件設(shè)置變化。

2．2　rs－232接口電路的設(shè)計(jì)　

rs－232標(biāo)準(zhǔn)的接口應(yīng)能承受接口引腳中任何兩個(gè)引腳的短接，而其本身及所聯(lián)設(shè)備不受到損壞，其電平標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了雙極性邏輯電平，即邏輯電平由電壓幅值和極性共同來描述，輸入的邏輯電平是＋3v到＋15v和－3v到－15v，電壓－3v到＋3v之間屬于不確定的；輸出的邏輯電平是＋5v到＋15v和－5v到－15v，電壓－5v到＋5v之間屬于不確定的。由此可知，rs－232的電壓和邏輯電平不能直接用于計(jì)算機(jī)電路，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在雙modem系統(tǒng)中，采用了三片sn75196集成芯片作為rs－232線路驅(qū)動(dòng)器和線路接收器，以此來實(shí)現(xiàn)rs－232和計(jì)算機(jī)電路之間的電平轉(zhuǎn)換。sn75196是一種專用的多路rs－232收發(fā)器，其驅(qū)動(dòng)器／接收器·82·數(shù)目為5／3，工作所需的電源電壓為±9v和＋5v。

3　雙modem的軟件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)　

雙modem的軟件設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的c語言和tms320c54x的匯編語言混合編制完成，主要由以下幾個(gè)要點(diǎn)構(gòu)成：
3．1　系統(tǒng)初始化　

系統(tǒng)上電工作之前，首先必須進(jìn)行初始化。主要包括對(duì)tms320c5402dsp的狀態(tài)寄存器st0 、st1，處理器模式狀態(tài)寄存器pmst，時(shí)鐘模式寄存器clkmd和軟等待狀態(tài)寄存器swwsr的初始化。對(duì)am85c30通信口的初始化，包括設(shè)置合適的數(shù)據(jù)傳輸格式，數(shù)據(jù)傳輸波特率，中斷允許寄存器等。其中波特率的設(shè)置只需將除數(shù)因子寫入am85c30的"波特率除數(shù)鎖存器"wr12、wr 13中，用tms320c54匯編語言編制的初始化程序?qū)⒃赾語言的主程序中調(diào)用。

3．2　中斷服務(wù)程序　

中斷服務(wù)處理子程序是通信應(yīng)用程序的核心，當(dāng)系統(tǒng)上電初始化時(shí)，在中斷向量表的相應(yīng)位置將初始化為一個(gè)臨時(shí)中斷服務(wù)處理子程序的入口地址，一旦初始化結(jié)束，每當(dāng)一個(gè)指定的通信事件出現(xiàn)時(shí)，am85c30將產(chǎn)生一次通信中斷，cpu將依據(jù)此中斷號(hào)查看中斷向量表，調(diào)用執(zhí)行所指向的新的中斷處理程序，完成收／發(fā)處理。收／發(fā)數(shù)據(jù)的程序流程如圖2、圖3所示：

3．3　環(huán)行緩沖區(qū)與幀結(jié)構(gòu)

（1）環(huán)行緩沖區(qū)

在數(shù)據(jù)通信過程中，發(fā)送端和接收端都需要采用一定大小的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的操作需要采用先進(jìn)先出（fifo）的原則，即保證新插入的數(shù)據(jù)不能覆蓋尚未處理的數(shù)據(jù)，采用環(huán)形緩沖區(qū)技術(shù)則可很好地解決這個(gè)問題，假設(shè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為buffer〔len〕，即長(zhǎng)度為len的緩沖區(qū) ，為了達(dá)到環(huán)形緩沖區(qū)操作的目的，需要定義一控制塊結(jié)構(gòu)：

typedef struct
｛ int cnt；
int rdi；
int wri；
int*buf；　　　　
｝bcb

cnt域表示當(dāng)前緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，rdi表示從當(dāng)前環(huán)形緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)的指針位置，wri表示往當(dāng)前環(huán)形緩沖區(qū)中存放數(shù)據(jù)的指針位置，buf指針指向緩沖區(qū)的首地址。

（2）幀結(jié)構(gòu)　

由于雙modem系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時(shí)要依據(jù)誤碼率的高低在兩條線路間進(jìn)行智能切換，有選擇性地接收，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠性傳輸。誤碼率的大小雖然是衡量線路傳輸狀況的指標(biāo) ，但它是一個(gè)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，與當(dāng)前線路傳輸質(zhì)量無線性比例關(guān)系，在一小段時(shí)間內(nèi)，有可能誤碼率高的線路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更正確，由于這種長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)和短時(shí)數(shù)據(jù)的正確與否無線性比例關(guān)系，如果直接用數(shù)據(jù)流方式進(jìn)行熱切換，就存在誤判并導(dǎo)致數(shù)據(jù)的誤收和對(duì)短時(shí)突發(fā)誤碼反映遲鈍和誤碼擴(kuò)大的現(xiàn)象。因此必需將數(shù)據(jù)以一定長(zhǎng)度為單位劃分為一個(gè)個(gè)的幀（fra me），再以幀為單位結(jié)合誤碼率進(jìn)行判斷、切換，這樣就可以把誤碼發(fā)生的位置定位在一幀長(zhǎng)度內(nèi)，使切換更準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)更可靠，在分幀切換當(dāng)中，發(fā)送端先將數(shù)據(jù)裝幀打包，幀結(jié)構(gòu)至少應(yīng)包括幀號(hào)、幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、幀數(shù)據(jù)等。為此，我們定義了如圖4所示的幀結(jié)構(gòu)。幀結(jié)構(gòu)采用類似hdlc的幀結(jié)構(gòu)，幀起止標(biāo)志固定為0x7e的8位數(shù)據(jù)，兩端以0結(jié)束，中間是六連1，便于與幀數(shù)據(jù)相區(qū)分，幀結(jié)束標(biāo)志與幀開始標(biāo)志相同。crc采用16位的m序列，為了提高crc校驗(yàn)的計(jì)算速度，采用了查表法。

4　結(jié)束語

實(shí)際信道都不是理想的無差錯(cuò)信道，所傳輸?shù)?數(shù)據(jù)總會(huì)出現(xiàn)一定的誤碼。為此，我們采用高速dsp技術(shù)所設(shè)計(jì)的雙modem系統(tǒng)，除了具有一般modem的通用功能之外，更主要的是可在有差錯(cuò)的信道中，實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)的高可靠性甚至無誤碼傳輸。實(shí)際線路測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)在工作條件范圍內(nèi)，當(dāng)歸一化信噪比≥17db時(shí)，對(duì)511偽隨機(jī)碼的誤碼率pe≤1×10－6，在中低速語音壓縮編碼后使用雙modem技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸將有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。