TMS320C5402實(shí)現(xiàn)16路全雙工來電顯示

摘要：按照v.23建議、利用TMS320C5402實(shí)現(xiàn)16路全雙工來電顯示的原理、算法分析及軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)已在深圳市鼎銘電子有限公司開發(fā)成功，并投入了使用。

關(guān)鍵詞：來電顯示（Caller ID Detection0） 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP） 頻移鍵控（FSK）

來電顯示并非電話必須具備的功能，它可以作為附加功能有償提供給用戶。目前，實(shí)際來電顯示的方法很多，但隨著集成電路和DSP的飛速發(fā)展，利用DSP實(shí)現(xiàn)來電顯示具有成本低、可靠性高、軟硬件設(shè)計(jì)簡單、可維護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。TI公司的TMS320C5X系列特別適用于通信領(lǐng)域。本文主要介紹利用TMS320C5402實(shí)現(xiàn)符合v.23建議[1]的16路全雙工來電顯示。另外，此方案略作修改還可符合bell202建議。

1 基本原理及算法設(shè)計(jì)

v.23的波特率為1200Baud，調(diào)制方式為2FSK，發(fā)送1時(shí)載波頻率為F1=1300Hz，發(fā)送0時(shí)載波頻率為F0=2100Hz。采用FSK調(diào)制方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：①無需載波恢復(fù)，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。②對(duì)幅度的非線性抗干擾能力強(qiáng)。因?yàn)镕SK信號(hào)為恒包絡(luò)信號(hào)，其信息完全包含在信號(hào)的過零點(diǎn)上，所以比起AM信號(hào)，其對(duì)幅度非線性抗干擾能力要強(qiáng)。③調(diào)制解調(diào)易用軟硬件實(shí)現(xiàn)，簡單易懂。其最大的缺點(diǎn)就是頻率利用率低。因?yàn)殡娫挼念l帶范圍為300～3400Hz，因此利用FSK調(diào)制方式僅適用于中低速通信。由于v.23波特率為1200Baud，采用2FSK調(diào)制方式，所以其比特率為1200bps，但完全可選用于來電顯示。

為了以下敘述方便，在此先給出FSK系統(tǒng)的原理框圖，如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)的核心是FSK的算法設(shè)計(jì)。從圖1可以看出，關(guān)鍵幾步為：①調(diào)制，即如何實(shí)現(xiàn)任意頻率的正弦波發(fā)生器。②濾波器設(shè)計(jì)包括發(fā)送濾波器和接收端的低通濾波器。這一步相對(duì)來說比較簡單，可以利用MATLAB軟件來計(jì)算其系數(shù)，只要給出要求的截止頻率等參數(shù)即可，這大大減輕了我們的工作。③解調(diào)方法使用延遲相乘法，其延遲步數(shù)k的選擇是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。④同步可使用鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)，這可以參考大多數(shù)文獻(xiàn)的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法。為此，在討論中我們著重突出第①、③兩步。

1.1 調(diào)制部分

調(diào)制就是把數(shù)字信號(hào)變成適合于信道傳輸?shù)恼也?。在此利用查表法[2]來產(chǎn)生正弦波。因?yàn)門MS320C5402中包含一個(gè)N=256點(diǎn)的Q15正弦表。相位Ψi在[0,2π]上均勻分布：Ψi=2iπ/N i∈[0,N-1]。假設(shè)sin_addr為正弦表首地址，則sin(Ψi)的地址是sin)addr+i。

調(diào)制信號(hào)可表示為：x(t)=Asin(2πFt)=Asin（φ（t)),F={F0,F1}。設(shè)Te為抽樣間隔，則當(dāng)t=nTe時(shí)，φ（nTe)=φn=2πFnTe=φn-1+2πFTe

φn=(φn-1+ΔφF)MOD2π

ΔφF=2πFTe≤π （由仙農(nóng)定理知：1/Te≥2F）

φn的取模可利用二進(jìn)制補(bǔ)碼的循環(huán)性實(shí)現(xiàn)。在程序中，φn以16位有符號(hào)整數(shù)In表示：In=2 15φn/π-2 15。例如，當(dāng)φn=0時(shí)，In=-2 15；當(dāng)φn=π時(shí)，In=0；當(dāng)φn=2π時(shí)，In=2 15，超出了表示范圍，變成-2 15,這樣便起到了取模的作用。

由In確定i方法為：i=In/（2 16/N）+N/2，其中2 16/N為正弦表相鄰兩點(diǎn)的相位差值，相應(yīng)的ΔI=2 15ΔφF/π2 16FT。

假設(shè)絕對(duì)幅度誤差為dx，則AsinΔφF2dx

Asin(2π/N)2dx

A2π/N2dx即N>Aπ/dx

這就是對(duì)正弦表大小的要求。反過來，如果給定N，則對(duì)信號(hào)幅度提出了限定。

對(duì)于v.23，比特率為1200bps，而采樣率一般為8000Hz，每個(gè)比特的采樣點(diǎn)數(shù)為8000/1200=20/3，不為整數(shù)。為了處理方便，調(diào)制時(shí)可以提高采樣率使其為24kbps，則每個(gè)比特采樣點(diǎn)數(shù)為20。但注意，發(fā)送到線路上的信號(hào)采樣率仍為8000Hz，可用程序的簡單循環(huán)控制實(shí)現(xiàn)。按照這種處理辦法，當(dāng)發(fā)送比特1時(shí)，ΔI=2 16F1Te=2 16×1300×1/(8000×3)=3550；當(dāng)發(fā)送比特0時(shí)，ΔI=2 16F0Te=2 16×2100×1/(8000×3)=5734。

1.2 解調(diào)部分

在圖1中，k一定要小于每個(gè)比特的采樣數(shù)，此例k6。假設(shè)接收到的樣值s(n)和s(n-k)屬于同一個(gè)比特，則：

v(n)=s(n)s(n-k)=A2sin(2πFnTe)sin(2πF(n-k)Te)

=A2/2[cos(2πFkTe]-cos(4πFnTe-2πFkTe)

通過低通濾波器后，r(n)=A 2/2cos(2πFkTe)F={F0,F1}

由此可見，r(n)為常數(shù)，A 2/2cos(2πFkTe)或A 2/2cos（2πF1kTe），僅依賴于發(fā)送比特是0還是1。

k的選擇應(yīng)使d(k)=|cos(2πF0kTe)-cos(2πF1kTe）|最大。在此方案中，k=4。

由于v.23的比特率為1200bps，因此低通濾波器fcutoff=1200Hz。

2 DSP設(shè)計(jì)

TMS320C5402是一款高性價(jià)比的數(shù)字信號(hào)處理器[3～4]。片上有可編程等待狀態(tài)發(fā)生器和塊切換寄存器、兩個(gè)多通道增強(qiáng)型緩沖串口（McBsp）、一個(gè)增強(qiáng)型的8位并行主機(jī)接口（HPI8）、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)六通道DMA控制器。TMS320C5402還有4K×16bit片上ROM和4K×16bit片上RAM，最大可尋址1M×16bit的存儲(chǔ)空間。片上ROM的保留區(qū)域?qū)τ脩魜碚f是不可用的，原因是用戶無法寫入數(shù)據(jù)。片上ROM包括為Bootloader保留的區(qū)域及A律表、μ律表、sin表和中斷向量表。TMS320C5402有內(nèi)部振蕩器構(gòu)成的內(nèi)部時(shí)鐘源和鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器構(gòu)成的外部時(shí)鐘源。

系統(tǒng)初始化工作頻率為100MHz，對(duì)片上存儲(chǔ)器訪問無需等待狀態(tài)，訪問外部I/O空間設(shè)為兩個(gè)等待狀態(tài)。

在本系統(tǒng)中，采用McBsp0、DMA0、DMA4。DMA0的同步事件為McBsp0的接收事件REVT0；源地址指向DRR，并固定不變；目的地址指向DMA接收緩沖區(qū)，每次自增1；采用ABU模式實(shí)現(xiàn)雙緩沖，DMA0接收緩沖區(qū)半滿或全滿時(shí)發(fā)生中斷；中斷服務(wù)子程序?qū)ζ渲袆傄鹬袛嗟哪且话霐?shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，而此時(shí)接收的數(shù)據(jù)順序放到另一半。為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，串口不對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)張，而在程序中進(jìn)行軟件擴(kuò)張。DMA4的同步事件為McBsp0的發(fā)送事件XEVT0；源地址指向DMA發(fā)送緩沖區(qū)，每次自增1；目的地址指向DXR，并固定不變；采用ABU模式實(shí)現(xiàn)雙緩沖；DMA發(fā)送緩沖區(qū)半滿或全滿時(shí)發(fā)生中斷，中斷服務(wù)子程序發(fā)送剛引起中斷的那一半數(shù)據(jù)，而此時(shí)正在調(diào)制的數(shù)據(jù)順序放到另一半。因?yàn)榫€路上一般傳送的是A律數(shù)據(jù)，因此發(fā)送時(shí)要在串口中進(jìn)行硬件壓縮。

經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)，采用C語言編程，TMS320C5402至少到以實(shí)現(xiàn)16路全雙工來電顯示，因此McBsp0應(yīng)設(shè)置為：接收數(shù)據(jù)格式為每幀8字，每字16位（表示16路A律數(shù)據(jù)）；發(fā)送數(shù)據(jù)格式為每幀16字，每字16位。為了減少串口錯(cuò)誤指定由RSYNCERR和XSYNCERR產(chǎn)生RINT和XINT。

另外還需注意，為了實(shí)現(xiàn)字同步，異步傳輸時(shí)首先對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的每個(gè)字節(jié)加上起始位0和停止位1，解調(diào)手應(yīng)去掉相應(yīng)的起始位和停止位。在發(fā)送過程中，如果沒有待發(fā)數(shù)據(jù)，可以發(fā)送停止位（即頻率為F1的載波）或靜音（樣值為0）。

利用TMS320C5402實(shí)現(xiàn)符合v.23建議的16路全雙工來電顯示，其原理簡單，易實(shí)現(xiàn)，但是抗干擾性較差。由于DTMF的某些頻率與v.23碼的載波頻率非常接近，如果混有DTMF碼，也可解出少量的DTMF碼。為了排除此類錯(cuò)誤，需要加上增益控制、帶通濾波等，這使得設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。實(shí)踐中，此類錯(cuò)誤較少，除非特別要求，否則不必理會(huì)。

為了進(jìn)一步提高精度，可以用長整數(shù)表示相位，還可采用重采樣技術(shù)及局部FFT等技術(shù)[5]或者改進(jìn)解調(diào)方法可實(shí)現(xiàn)高精度檢測。

目前，此系統(tǒng)已在深圳市鼎銘電子有限公司開發(fā)成功并投入使用。