MSP430在微型低功耗數(shù)據(jù)廣播接收機中的應(yīng)用
一、 引言
我們獨立自主開發(fā)了數(shù)據(jù)廣播編碼器和微型低功耗調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播接收機,整套系統(tǒng)采用連續(xù)相位頻移鍵控(CPFSK)調(diào)制方式,副載波頻率為72KHz,占用帶寬約16Khz,數(shù)據(jù)傳輸速率4.8KHZ。采用CPFSK調(diào)制方式使接收機易于實現(xiàn),與QPSK的調(diào)制方式相比對相位穩(wěn)定度要求不高,不易受外界溫度噪聲的影響,而且在信號解調(diào)處理時實現(xiàn)低功耗。
由于在發(fā)送端先后進行了數(shù)據(jù)編碼、信道調(diào)制、線性調(diào)頻,所以接收設(shè)備要完成信號逆處理。硬件結(jié)構(gòu)框圖:
二、MSP430單片機的特點及在接收機中的應(yīng)用
TI 公司MSP430系列單片機的超低功耗特性(運行在1MHz時鐘條件下工作電流視工作模式不同為0.1-400uA)、強大的外圍模塊功能、體積小等優(yōu)點適合作為接收機的CPU。MSP430系列中的各成員集成了較多的片上外圍資源,包含:12位A/D,精密模擬比較器,硬件乘法器,2組頻率可達8MHZ 的時鐘模塊,2個帶有大量捕獲/比較寄存器的16位定時器,看門狗,2個可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問的串行通信接口,數(shù)十個可實現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等。
MSP430F123單片機作為CPFSK數(shù)據(jù)廣播接收機的CPU主要對基帶數(shù)據(jù)進行處理,完成數(shù)據(jù)鏈路層的工作:
三、數(shù)字通信中的同步問題
數(shù)據(jù)通信中,同步是非常重要的問題,通信系統(tǒng)是否可靠、接收靈敏度是否達到標準,很大程度上依賴于同步技術(shù)的優(yōu)劣。
1、同步不確定性的來源
實際通信系統(tǒng)中,收發(fā)站之間會由于電波傳播中的多徑效應(yīng)引起碼相位、載波中心頻率相位的延遲,而且在傳輸信道中隨機噪聲的疊加引起傳輸波形的失真,連接在接收濾波器之后的判決電路也很難保證"無差錯"的恢復(fù)基帶信號。這些都會導(dǎo)致同步的不穩(wěn)定性。
2、實現(xiàn)同步的幾種方法
按同步功用分類可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。
按傳輸同步信息的方式可分為外同步法和自同步法。外同步法:是由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息,接收端把這個專門的同步信息檢測出來作為同步信號。自同步法:發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息,而是由接收端設(shè)法從接收信號中提取同步信息。
本接收機的CPU要完成的功能中只涉及到位同步和幀(群)同步,由于不能從硬件解調(diào)FSK信號中恢復(fù)位同步時鐘,所以采用自同步的方法來實現(xiàn)位同步,以下結(jié)合MSP430單片機的特點分析位同步和幀同步的實現(xiàn)方法。
四、位同步
由于本接收機接收的碼元速率為4.8KHZ,用CPU捕捉位同步信息,然后進行采樣,在配合RS糾錯,即可達到數(shù)據(jù)準確傳輸?shù)囊蟆?/P>
?。ㄒ唬?、位同步的方法:
方法一、
設(shè)置接收端恢復(fù)出的同步時鐘的頻率為5倍的碼元頻率,這樣就在一個碼元周期內(nèi),設(shè)置了5個采樣點。位同步可以分為兩個過程:捕獲、同步跟蹤。
1、捕獲,即找到正確的同步時鐘起始點。在接收的數(shù)據(jù)中,只有0、1跳變沿才能為我們提供位同步信息,如果數(shù)據(jù)長時間為1或為0,這將給接收端恢復(fù)位定時信息造成一定困難。所以發(fā)送端對數(shù)字基帶信號進行隨機化處理,一方面起到能量擴散的作用,另一方面限制連0碼和連1碼的長度,易于位同步的捕獲和同步時鐘的恢復(fù)。
捕獲過程是通過測量數(shù)據(jù)流中兩個跳變沿中間的時間寬度(W),如果W等于碼元周期,便以第二個跳變沿為起始時刻,設(shè)置同步時鐘;如果W不等于碼元周期,則需要重新捕獲。
2、同步跟蹤,在接收數(shù)據(jù)的過程中,還要保證同步時鐘的變化跟隨碼元相位或頻率的偏移。同樣,依據(jù)數(shù)據(jù)流中0、1跳變沿來實現(xiàn)同步時鐘的跟蹤。如圖1:如果同步時鐘與碼元之間沒有任何偏差時,數(shù)據(jù)的跳變沿每次都應(yīng)出現(xiàn)在第5個計數(shù)時刻與下一個計數(shù)時刻之間,這時把第三個計數(shù)時刻作為數(shù)據(jù)采樣時刻;當(dāng)同步時鐘與碼元之間有偏差時,數(shù)據(jù)跳變沿不能準確的落在第5個與下一個計數(shù)時刻之間,如果數(shù)據(jù)跳變沿出現(xiàn)在第4 與第5個計數(shù)時刻之間,說明同步時鐘相對于碼元相位滯后,為保證每次采樣時刻在碼元的中心位置,就要把采樣點提前至第2個計數(shù)時刻;相反,如果數(shù)據(jù)跳變沿出現(xiàn)在第1與第2個計數(shù)時刻之間,說明同步時鐘相對于碼元相位超前,就要把采樣點錯后至第4個計數(shù)時刻。這樣不斷調(diào)整采樣點,使每次此采樣時刻均位于碼元中心位置,跟隨其變化。
方法二、
根據(jù)MSP430單片機硬件特點,我們對上述同步方法進行了優(yōu)化,并達到了良好的同步跟蹤效果。
設(shè)置接收端恢復(fù)出的同步時鐘的頻率等于碼元頻率。每一個計數(shù)中點均為采樣時刻。與5倍時鐘法相同,它也需要捕獲和同步跟蹤兩個步驟。捕獲的過程與上述的方法相同。同步跟蹤,可以使采樣時刻基本穩(wěn)定在碼元中心位置。如果同步時鐘不跟隨碼元相位的變化進行調(diào)整,則采樣點必然相對于碼元滑動,當(dāng)向前或向后偏移半個碼元周期時,采樣值就出現(xiàn)錯誤。如圖2,恢復(fù)出的同步時鐘與碼元同步時,數(shù)據(jù)跳變沿的發(fā)生時刻與前一采樣時刻的距離(D)等于二分之一碼元寬度(M)。在同步時鐘與碼元相對偏移時,則有D≠M,若D>M,同步時鐘超前,就要將下一采樣時刻滯后;若DM,同步時鐘超前,就要將下一采樣時刻提前。在接收過程中,同步跟蹤就是根據(jù)D與M的關(guān)系不斷調(diào)整。
?。ǘ?、方法二的具體實現(xiàn)
MSP430單片機的Timer_A可支持同時進行的多種時序控制、多個捕獲/比較功能、各模塊獨立編程,中斷可以由計數(shù)器溢出引起,也可以來自捕獲外部信號的跳變沿。
MC1 和MC0選擇計數(shù)器工作模式,MC1=0、MC0=1時定時器增計數(shù)至比較寄存器CCR0的值就會產(chǎn)生中斷,用這種模式可以產(chǎn)生固定頻率的中斷信號作為同步時鐘。當(dāng)增大或減小寄存器CCR0的值時,即可改變定時的時間間隔,從而調(diào)整同步時鐘的頻率。由于定時計數(shù)器的調(diào)整精度為一個時鐘周期 1/4.3ms(外部時鐘晶振4.3MHz),所以可以產(chǎn)生頻率精確的同步時鐘。
捕獲模式用于確定事件發(fā)生的時刻,可用于速度計算或時間測量等場合。如果在選定的輸入引腳(如圖P1.2)上發(fā)生選定的脈沖觸發(fā)沿(上升沿、下降沿、任意跳變),則定時器的計數(shù)值被復(fù)制到捕獲寄存器CCR1中,并產(chǎn)生中斷。因此,讀出CCR1中的值就可以記錄跳變沿發(fā)生的時刻,根據(jù)跳變沿發(fā)生時刻與前一采樣點比較的結(jié)果,調(diào)整同步時鐘,超前或滯后,重新預(yù)置CCR0。
從表中看出同步時鐘的采樣點逐漸收斂在碼元中心位置,并且-在以后的接收過程中,實現(xiàn)跟蹤。
(三)、小結(jié)
由于采樣時鐘恢復(fù)和同步捕捉跟蹤都需要響應(yīng)中斷服務(wù)程序,占用CPU開銷。而CPU 的主要工作是進行每幀數(shù)據(jù)的解碼和發(fā)送。如果使用第一種同步方法,時鐘頻率4.8K*5,CPU時鐘為4.3MHz,即程序每運行41.6us、約20條程序語句就要響應(yīng)一次定時器中斷服務(wù)程序,增大了運算量。如果提高CPU的工作頻率,會增大電流的消耗。所以在達到相同的采樣效果時,使用第二種同步方法。同理,為節(jié)約CPU開銷,并不需要捕捉每個數(shù)據(jù)跳變沿進行同步跟蹤,實驗證明每8比特數(shù)據(jù)捕捉一次跳變沿調(diào)整采樣時鐘,即可實現(xiàn)良好的同步跟蹤。
五、幀同步
在數(shù)字信息傳輸中,幀同步信號是一些特定的碼組,這種幀同步碼組通常是在某段時間集中插入信息碼流??紤]到時間位置的確定,要在建立了各碼元的正確時間關(guān)系后才有能實現(xiàn),所以幀同步一般是在位同步的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。
?。ㄒ唬?、對幀同步系統(tǒng)的要求
1、 幀同步的捕捉(同步建立)時間要短,
2、 在一定的同步引入時間要求下,幀同步信號占用的碼組長度應(yīng)越短越好。
3、 同步系統(tǒng)的工作要穩(wěn)定可靠,一旦建立同步狀態(tài)后,系統(tǒng)不應(yīng)因信道的正常誤碼而失步,即幀同步系統(tǒng)應(yīng)具有一定的抗干擾能力,能識別假失步和避免偽同步。
數(shù)字信號在傳輸過程中總會出現(xiàn)誤碼而影響同步。一種是由信道噪聲等原因引起的隨機誤碼。此類誤碼造成幀同步碼的丟失往往是一種假失步現(xiàn)象。因此,一般規(guī)定幀同步信號丟失的時間超過一定限度時,才宣布幀同步態(tài)丟失,然后開始新的同步搜索(捕捉態(tài))。這段時間稱作前方保護時間。然而,無論選用何種幀同步碼型,信息碼流中都有可能出現(xiàn)與幀同步碼圖案相同的碼組,即偽同步碼。所以也不能一經(jīng)發(fā)現(xiàn)符合幀同步碼組的信號就進入同步態(tài)。只有當(dāng)幀同步信號連續(xù)來了幾幀或一段時間后,同步系統(tǒng)才可發(fā)出指令進入同步態(tài),這段時間成為后方保護時間。
(二)、幀同步的實現(xiàn)
本接收機使用集中插入特殊碼元的幀同步方法,集中插入就是把特殊的幀同步碼組集中插在一幀的特定位置(一般是一幀的開始)。接收機一旦檢測到這個特定碼組就確定了幀的起始位置,從而獲得幀同步。此種方法可以迅速糾正幀失步,即一旦幀失步,只要在下一幀同步碼就能恢復(fù)幀同步。
本接收機收到的數(shù)據(jù)幀格式為:
每192個信息字節(jié)加上2字節(jié)的幀同步碼組成一幀數(shù)據(jù)(如圖)。選用的幀同步碼為0x19D7。
接收端采用幀同步碼的滑動法來恢復(fù)幀同步信號。其實現(xiàn)方法為:在單片機里設(shè)置16bit移位寄存器、前后方保護計數(shù)器來完成前方保護時間和后方保護時間的計數(shù),和幀同步狀態(tài)位SFLAG,標志系統(tǒng)的同步狀態(tài)。
當(dāng)數(shù)據(jù)流進入移位寄存器,與幀同步碼(0x19d7)相比較,如果不同則移位寄存器高位移出低位移入下一比特再進行比較,同步系統(tǒng)從不斷接收輸入的數(shù)據(jù)流中捕獲到0x19d7碼組,相當(dāng)于第N幀有同步碼,置SFLAG=1,后方保護時間計數(shù)器開始,如果經(jīng)過192byte信息碼在第N+1幀處檢出同步碼,后方保護時間計數(shù)器加1,應(yīng)在第N+2幀再一次檢出同步碼,后方保護時間計數(shù)器加1,系統(tǒng)進入幀同步狀態(tài),進行數(shù)據(jù)定時接收。如果在第N+1幀處不能檢出同步碼或在第N+1幀處檢出同步碼而在第N+2幀處不能檢出同步碼,同步系統(tǒng)都要重新進入捕獲狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于同步狀態(tài)即SFLAG=1時,檢測出錯誤的幀同步碼,則打開前方保護時間計數(shù)器,如果連續(xù)丟失4(或5)個幀同步碼,計數(shù)器計滿,清SFLAG=0,標志系統(tǒng)進入捕捉狀態(tài)并停止數(shù)據(jù)定時接收。
在本接收機MSP430的程序中將前方保護時間計數(shù)器和后方保護時間計數(shù)器簡化為一個時間計數(shù)器,即SCOUNT。SCOUNT的初始值為0,每接收到一個正確的幀同步碼,SCOUNT加1,當(dāng)連續(xù)接收到三個正確的幀同步碼時(SCOUNT=3)進入同步狀態(tài)SFLAG=1,如果在同步狀態(tài)中 SCOUNT="4時",再檢測到正確的幀同步碼SCOUNT不再加1,也就是說SCOUNT的最大值為4;當(dāng)檢測到一個錯誤的幀同步碼,SCOUNT減1,如果出現(xiàn)連續(xù)4個錯誤的幀同步碼,SCOUNT減為0,則從同步狀態(tài)進入捕獲狀態(tài)。
六、數(shù)據(jù)鏈路層
MSP430單片機進行位同步、幀同步后,將定時接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過以下處理經(jīng)串口輸出。
1、去擾
偽隨機序列發(fā)生器的生成多項式為,每幀同步字后進行一次初始化, 加擾不包括幀同步字,數(shù)據(jù)由偽隨機序列加擾,可破壞數(shù)據(jù)中的連零,有利于解碼器位同步的鎖定,并分散數(shù)據(jù)信號的能量分布,使對主信號的干擾呈類似白噪音的背景噪音,提高多工數(shù)據(jù)對主信道干擾的主觀評價得分。
2、去交織和糾錯碼
每一子幀用縮短R-S(48,32)編碼,可糾8個符號(64Bit)的隨機錯誤。再進行卷積交織,這樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)能糾正長達384Bit突發(fā)性誤碼。這樣對4.8Kbps 的抗突發(fā)性干擾時間分別為80ms 。
3、校驗
采用CCITT-16校驗碼,可檢出超出糾錯范圍而造成的誤碼,在每一子幀內(nèi)驗出所有≦16位的錯誤,可檢出99.998%的17位突發(fā)性錯誤,99.997%的18位和大于18位的突發(fā)性錯誤,可以滿足大多數(shù)信息及計算機通信的要求。涉及金融數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)有嚴格要求的信息,用戶可另加其它校驗。
4、 輸出數(shù)據(jù)幀形成
接收機根據(jù)自身的權(quán)限對于不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),形成不同的輸出幀格式進行數(shù)據(jù)輸出。
七、測試結(jié)果
通過實際播出測試驗證,微型低功耗CPFSK數(shù)據(jù)廣播接收機的總體設(shè)計是成功的,實現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計目標,特別是較強的信道糾錯編碼極大地改善了接收能力。
2002年8月在北京月壇發(fā)射塔,發(fā)射頻率為91.5MHz調(diào)頻發(fā)射機上進行播出測試,分別使用信息0-信息7傳輸電子文本數(shù)據(jù),實現(xiàn)用戶的有條件接收;2002年9月使用透明頁格式來傳輸差分GPS的改正數(shù)據(jù),鏈路測試成功;該系統(tǒng)即將用在電子車站牌、路燈控制系統(tǒng)中。
評論