基于數(shù)字信號處理器和和DA轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)4FTSK調(diào)制

1 引言

短波通信是通過電離層反射來實現(xiàn)遠程信息傳輸，因而其通信受地形限制??；其次通信成本低，靈活性強。但它也存在一些缺點，如：信息傳輸?shù)目煽啃圆?，存在深衰落和多徑時延失真等。在一般在短波信道中傳輸數(shù)據(jù)，信息的誤碼率通常在10-2-10-3的數(shù)量級，這些嚴重的衰落以及多徑效應(yīng)造成的碼間串擾，限制了通信質(zhì)量的進一步提高。近年來，由于在短波數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，采用了各種有效的抗衰落和抗多徑的措施，使系統(tǒng)的誤碼率差不多提高了兩個數(shù)量級。其中，時頻組合調(diào)制技術(shù)（即FTSK）是目前廣泛采用的抗衰落和抗多徑技術(shù)之一。針對這種情況，本文提出采用DSP（數(shù)字信號處理器）實現(xiàn)4FTSK調(diào)制，并取得較好的效果。

2 4FTSK調(diào)制方式

在一個或一組二進制符號的持續(xù)時間內(nèi)，用若干個調(diào)制頻率的組合來傳送原二進制數(shù)據(jù)流，每一個調(diào)制頻率在不同的時隙內(nèi)有不同的頻率，這種由不同時隙和不同頻率所構(gòu)成的信號，稱為“時頻調(diào)制信號”；在某種意義上又可看成是一種時頻編碼調(diào)制，組成的系統(tǒng)稱頻率分集接收系統(tǒng)，即按一定的規(guī)則在數(shù)據(jù)符號的不同時隙發(fā)射不同頻率信號來實現(xiàn)信號傳輸?shù)恼{(diào)制方式。FTSK又可分為幾種調(diào)制方式，包括二時二頻制，二進制四時四頻制，四進制四時四頻制、八進制四時四頻制以及十六進制相位調(diào)制等。

FTSK碼組的編碼原則是，所編碼組既具有強的抗衰落和抗干擾能力，又容易實現(xiàn)同步，也就是要求編出能從信息序列中提取同步信息的正交碼組。首先，為了提高抗衰落能力，要求每一個碼組的不同時隙中應(yīng)含有不同的頻率。這樣，二時二頻基本上具有二重頻率分集的效果，而四時四頻基本上具有四重頻率分集的效果；其次，為了加強抗干擾性，任何兩個碼組的碼距應(yīng)最大，所以首先要選用正交碼，即要求所有的碼組在同一時隙內(nèi)含有不同的頻率，對于四時四頻制而言，在表示四進制信息時，很容易形成正交碼，但表示八進制信息時，只能形成部分正交的碼組；最后，在碼組配置時還應(yīng)考慮從碼組本身能提取同步信息，即要求編碼方式是非循環(huán)碼，且任何兩個碼組都沒有相同的二聯(lián)碼或三聯(lián)碼。

表1 各種調(diào)制方式性能比較

由表1可以看出，從性能而言，“四進制四時四頻制”是最好的。對于4FTSK調(diào)制，我們選用正交編碼方式，如表2所示

表2 4FTSK編碼方式

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

由于本設(shè)計的主要目的是利用軟件及簡單的硬件實現(xiàn)4FTSK調(diào)制，并且力求產(chǎn)生的信號精確，故系統(tǒng)選用了當今比較流行的數(shù)字信號處理器（TI公司的TMS320C5402）和一片D/A（CA3338）轉(zhuǎn)換芯片，用匯編語言編程實現(xiàn)調(diào)制信號輸出。

3．1 TMS320C5402特點

TMS320C5402是TI公司TMS320家族的定點DSP（數(shù)字信號處理器）芯片。DSP可廣泛應(yīng)用于雷達信號處理，無線通信，語音信號處理等。實際上，DSP技術(shù)在工程應(yīng)用中，就是要用數(shù)字信號處理的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

DSP器件采用了與傳統(tǒng)微處理器系統(tǒng)不同的總線結(jié)構(gòu)，同時增加了硬件運算單元，把軟件計算變?yōu)橛布嬎闾幚?，因此極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)字處理速度。

C5402的CPU通過使用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高度的并行運算能力。同時，多種尋址模式和完善的指令提高了整個系統(tǒng)的性能。C5402主要有以下特點：

增強的哈佛結(jié)構(gòu)，四條地址總線和四條數(shù)據(jù)總線。

高度并行的先進CPU設(shè)計，性能更好的面向應(yīng)用的硬件邏輯。

為快速算法和高級語言優(yōu)化設(shè)計的專用指令集。

標準化的模塊結(jié)構(gòu)，適于快速開發(fā)。

先進的IC處理技術(shù)，提高了性能，降低了電源消耗。

3．2 CA3338芯片性能

CA3338是HARRIS公司推出采用CMOS工藝制成的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，最高工作頻率可達50M。它可以采用單電源+5V供電，并且能產(chǎn)生“軌對軌”的輸出。

CA3338內(nèi)部采用改進的R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，對高三位進行3位-7位的線性熱編碼來驅(qū)動7位加權(quán)電阻，這樣，減少了由于輸出電壓值的改變產(chǎn)生的寄生電壓。其內(nèi)部功能框圖如圖1所示：

圖1 CA3338功能框圖

LE是片選信號，低電平有效。

D0-D7是數(shù)字信號輸入端；COMP控制是否對輸入信號的電平取反，高電平有效。

VREF+及VREF-是參考電壓。

VDD接+5V電源，VSS是數(shù)字地，VEE可以接模擬地也可以接負電壓。電平轉(zhuǎn)換部分就是將輸入電壓范圍在VDD和VSS之間的數(shù)字信號轉(zhuǎn)

換到電壓范圍為VDD和VEE之間。

VOUT是輸出的模擬信號。

3．3系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖2所示。TMS320C5402的IOSTRB和IS相或后作為CA3338的片選信號，通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)送到CA3338中，D/A轉(zhuǎn)換后的模擬信號經(jīng)過運算放大器后輸出。

圖2 硬件框圖

3．4系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3．4．1一個周期的正弦波的產(chǎn)生

首先，在DSP內(nèi)部ROM開辟一段存儲空間作為一個周期的正弦波抽樣點存儲器。通過軟件對該存儲器進行相位-幅值的轉(zhuǎn)換，從而在給定的時間確定相應(yīng)的輸出幅值。流程圖如圖3所示，具體是這樣實現(xiàn)的：

上面討論可以看出，可以產(chǎn)生的頻率范圍受采樣率和存儲器內(nèi)采樣點的個數(shù)的影響。在這里，采樣率是軟件設(shè)計的，即利用不同的延時程序?qū)崿F(xiàn)不同的采樣率。根據(jù)奈魁斯特抽樣定理，一個頻譜受限信號要想從抽樣信號中無失真的恢復出原連續(xù)信號，抽樣間隔必須不大于1/2Fm（Fm為最高頻率，在這里Fm即為正弦波的頻率F）或者說，最低抽樣頻率為2F。因此，M應(yīng)該》=2。但M越大，得到的波形越好。通常情況，為了得到比較好的波形，我們?nèi)》=8。在M一定的情況下，提高F5可以提高輸出的最高頻率。

圖3 發(fā)送一個頻率的正弦波流程圖

3．4．2 4FTSK信號的產(chǎn)生及輸出

4FTSK信號包含4個頻率的波形，因此先根據(jù)不同的頻率，計算出相應(yīng)的采樣率，編寫產(chǎn)生這四個頻率正弦波的子程序。在主程序中，判斷要調(diào)制的碼元，決定發(fā)送的4個頻率的順序。信號最終是通過I/O口輸出到D/A轉(zhuǎn)換芯片中實現(xiàn)從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

本文采用DSP和DA轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)4FTSK的調(diào)制。由于DSP的運算速度很高，采樣率Fs有很寬的動態(tài)范圍，因此它可以在很寬的頻率范圍內(nèi)輸出幅度平坦的信號。同時，該系統(tǒng)易于集成、易于調(diào)整，輸出不同的頻率只需要軟件設(shè)置不同的采樣率。這種方式在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、相位連續(xù)性以及集成化等一系列性能指標方面具有較高的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源的性能。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)FTSK調(diào)制，也可以通過預置相位累加器的初始值，精確地控制合成信號的相位，實現(xiàn)其他數(shù)字調(diào)制方式，如DPSK調(diào)制等。

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