基于MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)CPFSK調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播接收機(jī)的設(shè)計(jì)

一、 引言

我們獨(dú)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(jī)，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(jī)易于實(shí)現(xiàn)，與QPSK的調(diào)制方式相比對(duì)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(hào)解調(diào)處理時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗。

由于在發(fā)送端先后進(jìn)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(hào)逆處理。硬件結(jié)構(gòu)框圖：

二、MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)及在接收機(jī)中的應(yīng)用

TI公司MSP430系列單片機(jī)的超低功耗特性（運(yùn)行在1MHz時(shí)鐘條件下工作電流視工作模式不同為0.1-400uA）、強(qiáng)大的外圍模塊功能、體積小等優(yōu)點(diǎn)適合作為接收機(jī)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(dá)8MHZ的時(shí)鐘模塊，2個(gè)帶有大量捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器，看門狗，2個(gè)可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問的串行通信接口，數(shù)十個(gè)可實(shí)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(jī)作為CPFSK數(shù)據(jù)廣播接收機(jī)的CPU主要對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成數(shù)據(jù)鏈路層的工作：

數(shù)據(jù)解碼

位同步

幀同步

序列去擾

去交織

R-S糾錯(cuò)解碼

CRC-16校驗(yàn)

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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)際通信系統(tǒng)中，收發(fā)站之間會(huì)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(jī)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(cuò)”的恢復(fù)基帶信號(hào)。這些都會(huì)導(dǎo)致同步的不穩(wěn)定性。

2、實(shí)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(gè)專門的同步信息檢測(cè)出來作為同步信號(hào)。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(hào)中提取同步信息。

本接收機(jī)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(hào)中恢復(fù)位同步時(shí)鐘，所以采用自同步的方法來實(shí)現(xiàn)位同步，以下結(jié)合MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)分析位同步和幀同步的實(shí)現(xiàn)方法。

四、位同步

由于本接收機(jī)接收的碼元速率為4.8KHZ，用CPU捕捉位同步信息，然后進(jìn)行采樣，在配合RS糾錯(cuò)，即可達(dá)到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)囊蟆?/p>

（一）、位同步的方法：

方法一、

〈圖1〉

設(shè)置接收端恢復(fù)出的同步時(shí)鐘的頻率為5倍的碼元頻率，這樣就在一個(gè)碼元周期內(nèi)，設(shè)置了5個(gè)采樣點(diǎn)。位同步可以分為兩個(gè)過程：捕獲、同步跟蹤。

1、 捕獲，即找到正確的同步時(shí)鐘起始點(diǎn)。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(zhǎng)時(shí)間為1或?yàn)?，這將給接收端恢復(fù)位定時(shí)信息造成一定困難。所以發(fā)送端對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)化處理，一方面起到能量擴(kuò)散的作用，另一方面限制連0碼和連1碼的長(zhǎng)度，易于位同步的捕獲和同步時(shí)鐘的恢復(fù)。

捕獲過程是通過測(cè)量數(shù)據(jù)流中兩個(gè)跳變沿中間的時(shí)間寬度（W），如果W等于碼元周期，便以第二個(gè)跳變沿為起始時(shí)刻，設(shè)置同步時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)同步時(shí)鐘的跟蹤。如圖1：如果同步時(shí)鐘與碼元之間沒有任何偏差時(shí)，數(shù)據(jù)的跳變沿每次都應(yīng)出現(xiàn)在第5個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻與下一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻之間，這時(shí)把第三個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻作為數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻；當(dāng)同步時(shí)鐘與碼元之間有偏差時(shí)，數(shù)據(jù)跳變沿不能準(zhǔn)確的落在第5個(gè)與下一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻之間，如果數(shù)據(jù)跳變沿出現(xiàn)在第4 與第5個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻之間，說明同步時(shí)鐘相對(duì)于碼元相位滯后，為保證每次采樣時(shí)刻在碼元的中心位置，就要把采樣點(diǎn)提前至第2個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻；相反，如果數(shù)據(jù)跳變沿出現(xiàn)在第1與第2個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻之間，說明同步時(shí)鐘相對(duì)于碼元相位超前，就要把采樣點(diǎn)錯(cuò)后至第4個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻。這樣不斷調(diào)整采樣點(diǎn)，使每次此采樣時(shí)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(jī)硬件特點(diǎn)，我們對(duì)上述同步方法進(jìn)行了優(yōu)化，并達(dá)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(shí)鐘的頻率等于碼元頻率。每一個(gè)計(jì)數(shù)中點(diǎn)均為采樣時(shí)刻。與5倍時(shí)鐘法相同，它也需要捕獲和同步跟蹤兩個(gè)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(shí)刻基本穩(wěn)定在碼元中心位置。如果同步時(shí)鐘不跟隨碼元相位的變化進(jìn)行調(diào)整，則采樣點(diǎn)必然相對(duì)于碼元滑動(dòng)，當(dāng)向前或向后偏移半個(gè)碼元周期時(shí)，采樣值就出現(xiàn)錯(cuò)誤。如圖2，恢復(fù)出的同步時(shí)鐘與碼元同步時(shí)，數(shù)據(jù)跳變沿的發(fā)生時(shí)刻與前一采樣時(shí)刻的距離（D）等于二分之一碼元寬度（M）。在同步時(shí)鐘與碼元相對(duì)偏移時(shí)，則有D≠M(fèi)，若D》M，同步時(shí)鐘超前，就要將下一采樣時(shí)刻滯后；若D《M，同步時(shí)鐘超前，就要將下一采樣時(shí)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。

（二）、方法二的具體實(shí)現(xiàn)

MSP430單片機(jī)的Timer_A可支持同時(shí)進(jìn)行的多種時(shí)序控制、多個(gè)捕獲/比較功能、各模塊獨(dú)立編程，中斷可以由計(jì)數(shù)器溢出引起，也可以來自捕獲外部信號(hào)的跳變沿。

MC1和MC0選擇計(jì)數(shù)器工作模式，MC1=0、MC0=1時(shí)定時(shí)器增計(jì)數(shù)至比較寄存器CCR0的值就會(huì)產(chǎn)生中斷，用這種模式可以產(chǎn)生固定頻率的中斷信號(hào)作為同步時(shí)鐘。當(dāng)增大或減小寄存器CCR0的值時(shí)，即可改變定時(shí)的時(shí)間間隔，從而調(diào)整同步時(shí)鐘的頻率。由于定時(shí)計(jì)數(shù)器的調(diào)整精度為一個(gè)時(shí)鐘周期1/4.3ms（外部時(shí)鐘晶振4.3MHz），所以可以產(chǎn)生頻率精確的同步時(shí)鐘。

捕獲模式用于確定事件發(fā)生的時(shí)刻，可用于速度計(jì)算或時(shí)間測(cè)量等場(chǎng)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(shí)器的計(jì)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(shí)刻，根據(jù)跳變沿發(fā)生時(shí)刻與前一采樣點(diǎn)比較的結(jié)果，調(diào)整同步時(shí)鐘，超前或滯后，重新預(yù)置CCR0。

《圖2》

定時(shí)器時(shí)鐘源使用ACLK，即外部晶振，f = 4.194MHz，所需同步時(shí)鐘的頻率f = 4.8KHz，

計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值CCR0 = 4.194MHZ/4.8KHZ = 873

在上式中的 △ 稱為數(shù)據(jù)速率的誤差容限值（datarate tolerance），如果設(shè)置的這個(gè)容限值太高（即：時(shí)鐘調(diào)整的步進(jìn)值過大），就會(huì)導(dǎo)致同步時(shí)鐘的頻率不能穩(wěn)定；反之這個(gè)容限值太?。矗簳r(shí)鐘調(diào)整的步進(jìn)值過小），同步時(shí)鐘就不能跟蹤上碼元的變化；只有這個(gè)容限值合適，同步時(shí)鐘產(chǎn)生的采樣點(diǎn)就會(huì)逐漸收斂到接收碼元的中心位置

時(shí)采樣點(diǎn)基本位于碼元中心

從表中看出同步時(shí)鐘的采樣點(diǎn)逐漸收斂在碼元中心位置，并且-在以后的接收過程中，實(shí)現(xiàn)跟蹤。

（三）、小結(jié)

由于采樣時(shí)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(jìn)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(shí)鐘頻率4.8K*5，CPU時(shí)鐘為4.3MHz，即程序每運(yùn)行41.6us、約20條程序語句就要響應(yīng)一次定時(shí)器中斷服務(wù)程序，增大了運(yùn)算量。如果提高CPU的工作頻率，會(huì)增大電流的消耗。所以在達(dá)到相同的采樣效果時(shí)，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(gè)數(shù)據(jù)跳變沿進(jìn)行同步跟蹤，實(shí)驗(yàn)證明每8比特?cái)?shù)據(jù)捕捉一次跳變沿調(diào)整采樣時(shí)鐘，即可實(shí)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(hào)是一些特定的碼組，這種幀同步碼組通常是在某段時(shí)間集中插入信息碼流?？紤]到時(shí)間位置的確定，要在建立了各碼元的正確時(shí)間關(guān)系后才有能實(shí)現(xiàn)，所以幀同步一般是在位同步的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

（一）、對(duì)幀同步系統(tǒng)的要求

1、 幀同步的捕捉（同步建立）時(shí)間要短，

2、 在一定的同步引入時(shí)間要求下，幀同步信號(hào)占用的碼組長(zhǎng)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(shí)別假失步和避免偽同步。

數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中總會(huì)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(jī)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(hào)丟失的時(shí)間超過一定限度時(shí)，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(shí)間稱作前方保護(hù)時(shí)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(hào)就進(jìn)入同步態(tài)。只有當(dāng)幀同步信號(hào)連續(xù)來了幾幀或一段時(shí)間后，同步系統(tǒng)才可發(fā)出指令進(jìn)入同步態(tài)，這段時(shí)間成為后方保護(hù)時(shí)間。 （二）、幀同步的實(shí)現(xiàn)

本接收機(jī)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(jī)一旦檢測(cè)到這個(gè)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(jī)收到的數(shù)據(jù)幀格式為：

每192個(gè)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(dòng)法來恢復(fù)幀同步信號(hào)。其實(shí)現(xiàn)方法為：在單片機(jī)里設(shè)置16bit移位寄存器、前后方保護(hù)計(jì)數(shù)器來完成前方保護(hù)時(shí)間和后方保護(hù)時(shí)間的計(jì)數(shù)，和幀同步狀態(tài)位SFLAG，標(biāo)志系統(tǒng)的同步狀態(tài)。

當(dāng)數(shù)據(jù)流進(jìn)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(jìn)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(hù)時(shí)間計(jì)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(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)器加1，應(yīng)在第N+2幀再一次檢出同步碼，后方保護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)器加1，系統(tǒng)進(jìn)入幀同步狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)定時(shí)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(jìn)入捕獲狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于同步狀態(tài)即SFLAG=1時(shí)，檢測(cè)出錯(cuò)誤的幀同步碼，則打開前方保護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)器，如果連續(xù)丟失4（或5）個(gè)幀同步碼，計(jì)數(shù)器計(jì)滿，清SFLAG=0，標(biāo)志系統(tǒng)進(jìn)入捕捉狀態(tài)并停止數(shù)據(jù)定時(shí)接收。

在本接收機(jī)MSP430的程序中將前方保護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)器和后方保護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)器簡(jiǎn)化為一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)器，即SCOUNT。SCOUNT的初始值為0，每接收到一個(gè)正確的幀同步碼，SCOUNT加1，當(dāng)連續(xù)接收到三個(gè)正確的幀同步碼時(shí)（SCOUNT=3）進(jìn)入同步狀態(tài)SFLAG=1，如果在同步狀態(tài)中SCOUNT=4時(shí)，再檢測(cè)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(cè)到一個(gè)錯(cuò)誤的幀同步碼，SCOUNT減1，如果出現(xiàn)連續(xù)4個(gè)錯(cuò)誤的幀同步碼，SCOUNT減為0，則從同步狀態(tài)進(jìn)入捕獲狀態(tài)。

六、數(shù)據(jù)鏈路層

MSP430單片機(jī)進(jìn)行位同步、幀同步后，將定時(shí)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(jī)序列發(fā)生器的生成多項(xiàng)式為

每幀同步字后進(jìn)行一次初始化， 加擾不包括幀同步字，數(shù)據(jù)由偽隨機(jī)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(hào)的能量分布，使對(duì)主信號(hào)的干擾呈類似白噪音的背景噪音，提高多工數(shù)據(jù)對(duì)主信道干擾的主觀評(píng)價(jià)得分。

2、去交織和糾錯(cuò)碼

每一子幀用縮短R-S（48，32）編碼，可糾8個(gè)符號(hào)（64Bit）的隨機(jī)錯(cuò)誤。再進(jìn)行卷積交織，這樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)能糾正長(zhǎng)達(dá)384Bit突發(fā)性誤碼。這樣對(duì)4.8Kbps 的抗突發(fā)性干擾時(shí)間分別為80ms 。

3、校驗(yàn)

采用CCITT-16校驗(yàn)碼，可檢出超出糾錯(cuò)范圍而造成的誤碼，在每一子幀內(nèi)驗(yàn)出所有≦16位的錯(cuò)誤，可檢出99.998%的17位突發(fā)性錯(cuò)誤，99.997%的18位和大于18位的突發(fā)性錯(cuò)誤，可以滿足大多數(shù)信息及計(jì)算機(jī)通信的要求。涉及金融數(shù)據(jù)及對(duì)數(shù)據(jù)有嚴(yán)格要求的信息，用戶可另加其它校驗(yàn)。

4、 輸出數(shù)據(jù)幀形成

接收機(jī)根據(jù)自身的權(quán)限對(duì)于不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，形成不同的輸出幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

七、測(cè)試結(jié)果

通過實(shí)際播出測(cè)試驗(yàn)證，微型低功耗CPFSK數(shù)據(jù)廣播接收機(jī)的總體設(shè)計(jì)是成功的，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，特別是較強(qiáng)的信道糾錯(cuò)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(jī)上進(jìn)行播出測(cè)試，分別使用信息0-信息7傳輸電子文本數(shù)據(jù)，實(shí)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(cè)試成功；該系統(tǒng)即將用在電子車站牌、路燈控制系統(tǒng)中。

責(zé)任編輯：gt