摘要:來(lái)電顯示的核心部分就是對(duì)來(lái)電顯示信號(hào)即FSK信號(hào)的解調(diào)。本文介紹了一種新型FSK解調(diào)算 法，該算法是基于最小均方差準(zhǔn)則的線性預(yù)測(cè)算法，能夠快速準(zhǔn)確的解調(diào)FSK信號(hào)，非常適用于來(lái)電顯示。同時(shí)還介紹了TI公司的TMS320C5402 DSP芯片以及來(lái)電顯示在該芯片上的實(shí)現(xiàn)。

來(lái)電顯示功能作為電話的一種附加功能，被越來(lái)越多的用戶所接受，成為電話必不可少的功能。本文介紹的就是一種新型FSK解調(diào)算法在來(lái)電顯示中的應(yīng)用，以及其在TMS320VC5402 DSP上的實(shí)現(xiàn)。

1 基本原理及算法設(shè)計(jì)

來(lái)電顯示（CID,Calling Identity Delivery）是主叫號(hào)碼信息識(shí)別及傳送的通俗說(shuō)法，它是由具有主叫號(hào)碼信息識(shí)別功能的交換機(jī)將主叫用戶的號(hào)碼及呼叫的日期、時(shí)間等信息傳送給具有主叫號(hào)碼顯示功能的終端。

來(lái)電顯示的信息傳輸方式有2種：2FSK和DTMF。2FSK方式與 DTMF方式相比有如下的優(yōu)點(diǎn)：（l）數(shù)據(jù)傳輸速率高，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能傳的字符數(shù)多；（2）2FSK方式支持ASCII字符集，而DTMF方式只支持?jǐn)?shù)字及少數(shù)字符。目前采用2FSK方式的國(guó)家和地區(qū)有：美國(guó)、中國(guó)、日本、英國(guó)、加拿大、比利時(shí)、西班牙、新加坡等；采用DTMF主要?jiǎng)t是以瑞典為代表的一些歐洲國(guó)家等。

2FSK是二進(jìn)制信號(hào)的頻移鍵控的英文縮寫(xiě)，它是指?jìng)魈?hào)（指發(fā)送"1"）時(shí)發(fā)送某一頻率正弦波，而空號(hào)（指發(fā)送"0"）時(shí)發(fā)送另一頻率正弦波。根據(jù)Bell202的建議，來(lái)電顯示的數(shù)據(jù)傳送采用連續(xù)相位的二進(jìn)制頻移鍵控，比特率是1200bps，而"1"對(duì)應(yīng)的頻率是1200Hz，"0"對(duì)應(yīng)的頻率是2200Hz。

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(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單,可以利用MATLAB軟件來(lái)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(lái)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?lái)產(chǎn)生正弦波。因?yàn)門(mén)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=215Φn/π-215。例如,當(dāng)Φn=0時(shí),In=-215；當(dāng)Φn=π時(shí),In=0；當(dāng)Φn=2π時(shí),In=215,超出了表示范圍,變成-215,這樣便起到了取模的作用。

由In確定i方法為:i=In/(216/N)+N/2,其中216/N為正弦表相鄰兩點(diǎn)的相位差值,相應(yīng)的ΔI=215ΔΦF/π=216FTe。

假設(shè)絕對(duì)幅度誤差為dx,則AsinΔΦF<2dx

                           Asin(2π/N)<2dx

                           A2π/N<2dx即N>Aπ/dx

這就是對(duì)正弦表大小的要求。反過(guò)來(lái),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。但要注意,發(fā)送到線路上的信號(hào)采樣率仍為8000Hz,可用程序的簡(jiǎn)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=216F1Te=216×1300×1/(8000×3)=3550;當(dāng)發(fā)送比特“0”時(shí),ΔI=216F0Te=216×2100×1/(8000×3)=5734。

[!--empirenews.page--]

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k<6。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(guò)低通濾波器后,r(n)=A2/2cos(2πFkTe) F={F0,F1}

由此可見(jiàn),r(n)為常數(shù),A2/2cos(2πF0kTe)或A2/2cos(2πF1kTe),僅依賴(lài)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。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?lái)說(shuō)是不可用的,原因是用戶無(wú)法寫(xiě)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(wèn)無(wú)需等待狀態(tài),訪問(wèn)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)器空間,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(yǔ)言編程,TMS320C5402至少可以實(shí)現(xiàn)16路全雙工來(lái)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)后應(yīng)去掉相應(yīng)的起始位和停止位。在發(fā)送過(guò)程中,如果沒(méi)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(lái)電顯示,其原理簡(jiǎn)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(lèi)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(lèi)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(zhǎng)整數(shù)表示相位,還可以采用重采樣技術(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(cè)。