基于c54xdsp的基帶調制解調器的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 混合編程中所起的重要作用。它不僅是參數傳遞和函數調用的數據“倉庫”，而且還是整個程序中的一個基準數據區，可以用來保存現場環境，還可以用來分配局部數據。為了方便調用參數的尋址和局部數據的分配，在C語言中CPL始終保持1，即采用SP來進行直接尋址[17]。 C54x DSP的軟件設計流程圖初始化采樣結束調用各信號處理算法模塊處理計算各種參數輸出結果NY圖41C54xDSP軟件設計流程圖 基帶調制解調的數字實現基帶調制解調器軟件包括異步串行口的初始化、接收、發送、卷積編碼、交織、去交織、基帶調制(含差分編碼、格雷編碼)、成形濾波、載波調制、匹配濾波、載波同步、位同步、差分解調、幀同步等。Coswctk波形合成波形存儲波形合成DAC信道DAC數字濾波數字濾波Qn圖42 基帶調制解調數字實現部分框圖SinwctkCoswctkSinwctk數字調制數字解調In發送端波形合成完成發送濾波器(基帶成形濾波器)的功能，接收端數字濾波器(匹配濾波器)完成接收濾波器的功能。數字調制對發送端同相與正交兩路基帶信號的樣本值進行正交幅度調制，產生16QAM已調信號樣本值，再經DAC(數字模擬變換器)輸出，將16QAM已調信號送到線路上。在接收端經過ADC(模擬數字變換器)轉換后進行數字解調，將16QAM已調信號恢復成同相和正交兩路基帶信號[18]。 QPSK調制解調器的設計與實現調制是為了信號特性與信道特性相匹配，不同類型的信道特性相應地存在不同類型的調制方式。調制的最終目的就是盡可能地減少占用寬帶，盡可能地提高信號傳輸速率和質量。由于無線信道是時變信道，存在嚴重多徑和衰落等不利于數據傳輸的因素，因此，選擇適合于無線信道傳輸的數字調制方式是非常重要的。QPSK正交相移鍵控，是一種數字調制方式。與模擬調制相比，具有更好的抗噪聲性能和更強的抗信道衰落能力等。數字信號處理器使人們可以完全用軟件實現數字調制器和解調器[19]。 DSP定點實現DSP分為定點和浮點兩種，下面以定點DSP芯片為例，討論FIR濾波器實現的幾個關鍵問題。1. 定點數的定標：在定點DSP芯片中，采用定點數進行數值運算，其操作數一般采用整型數來表示。一個整型數的最大表示范圍取決于DSP芯片所給定的字長，一般為16位或24位。顯然，字長越長，所能表示的數的范圍越大，精度也越高。在濾波器的實現過程中，DSP所要處理的數可能是整數，也可能是小數或混合小數；然而，DSP在執行算術運算指令時，并不知道當前所處理的數據是整數還是小數，更不能指出小數點的位置在哪里。因此，在編程時必須指定一個數的小數點處于哪一位，這就是定標。通過定標，可以在16位數的不同位置上確定小數點，從而表示出一個范圍大小不同且精度也不同的小數。例如：在Q15中，1080H=；在Q0時，1080H=4224。在使用定點DSP時，如何選擇合適的Q值是一個關鍵性問題。就DSP運算的處理過程來說，實際參與運算的都是變量，有的是未知的，有的則在運算過程中不斷改變數值，但它們在一實際工程環境中作為一個物理參量而言都有一定的動態范圍。只要個動態范圍確定了，Q值也就確定了。因此，在程序設計前，首先要通過細致和嚴謹的分析，找出參與運算的所有變量的變化范圍，充分估計運算中可能出現的各種情況，然后確定采用何種定標標準才能保證運算結果正確可靠。這里，所討論的理論分析法和統計分析法確定變量絕對值最大值|max|，然后根據|max|再確定Q值。但是，DSP操作過程中的意外情況是無法避免的，即使采用統計分析法也不可能涉及到所有情況。因此，在定點運算過程中應該采取一些判斷和保護措施（特別是在定點加法中）。另外，在數字信號處理中的大量運算是乘法和累加，應盡量采用純整數或純小數運算，即全部變量都用Q0或Q15格式表示。這樣做的好處是操作簡單、編程方便。只有當純整數或純小數運算不能滿足變量的動態范圍和精度要求時，才采用混合小數表示法進行定點運算[20]。2. 誤差問題：因為在用定點DSP實現時，所有的數據都是定長的，運算也都是定點運算，因而會產生有限字長效應。所產生的誤差主要包括：數模轉換引起的量化誤差、系數量化引起的誤差以及運算過程中的舍入誤差。在用定點DSP時，產生誤差是不能避免的，但是可以通過一些方法減小誤差。如，可以用兩個存儲單元來表示一個數，運算時使用雙字運算；可以根據需要要將濾波器系數都用雙字表示，也可以只將一半的系數用雙字表示，視需要而定。另外，FIR數字濾波器和IIR數字濾波器所引入的量化誤差是不一樣的。FIR數字濾波器主要采用非遞歸結構，因而在有限精度的運算中都是穩定的；而IIR數字濾波器是遞歸結構，極點必須在z平面單位圓內才能穩定，這種結構運算中的四舍五入處理有時會引起寄生振蕩。除了有限字長效應以外，不同結構引入的誤差也有所不同。在實際設計中，要注意實現中的誤差問題。在選擇不同的結構時，應考慮它們所引入的誤差，并用高級語言進行定點仿真，以比較不同結構下誤差的大小，從而作出合理選擇[21]。3. 循環尋址循環尋址（circular addressing）是DSP中經常用到的一種尋址方式。該尋址方法可以對一塊特定存儲區實現循環的操作。可以把循環尋址理解為實現一個滑動窗，新數據引入后將覆蓋老的數據，便得該窗中包含了需處理的最新數據。在數字信號處理中的FIR、卷積等運算中，循環尋址具有極其重要的意義。在TI的DSP中，循環尋址通過如下方法實現[22]。①設定BK（寄存器塊大小）值，以確定循環尋址緩沖區的大小，也可將它看作是循環的周期。②設定緩沖區的底部地址。必須注意：其低N位為零，其中N為最小N值。其中，（NBK） ③用輔助寄存器間接尋址循環緩沖區。4 實現舉例根據上述設計出來的FIR濾波器，考慮工程實際的需要（精度的要求）和采用定點DSP芯片的方便實現，選擇Q15定標。為此，必須對輸入數據和濾波器的系數進行歸一化處理。輸入數據的歸一化處理可通過設置A/D轉換的參考電平來實現。濾波器的系數歸一化只要求取系數中的最大值，再用這個最大值去系數便可[23]。由于一個N（設N為偶數）階的FIR濾波器具有系數對稱特性，其輸出方程可以寫為：y(n)=ao[x(n)+x(nN+1)]+a1[x(n1)+x(nN+2)]+…+aN/21[X(nN/2+1)+x(nN/2)] (43)根據式（43）可建立如下實現算法：①在數據存儲中開辟兩個循環緩沖區，New循環緩沖區存放新數據，O1d循環緩沖區中存放老數據。循環緩沖區的長度為N/2。②設置循環緩沖區指針，AR2指向New緩沖區中最新的數據，AR3指向O1d緩沖區中最老的數據[24]。③在程序存儲器中設置系數表。④（AR2）+（AR3）→AH（累加器A的高位）；（AR2）1→AR2；（AR3）1→AR3。⑤將累加器B清零，重復執行下列操作N/2次：（AH）*系數ai+(B)→B，系數指針（PAR）加1，（AR2）+（AR3）→AH，AR2和AR3減1。⑥保存和輸出結果（結果在BH中）。⑦修正數據指針，讓AR2和AR3分別指向New緩沖區最新數據和O1d緩沖區中最老的數據。⑧用New緩沖區中最老的數據替代O1d緩沖區中最老的數據。O1d緩沖區指針減1。⑨輸入一個新數據替代New緩沖區中最老的數據。重復執行第④～⑨步。根據上述算法編制程序，在CCS5000上進行仿真調試運行，并且分析輸入數據和輸出的頻譜，結果如圖4圖45所示。由兩幅圖比較可見，濾波器實現了目標所要求的。圖44 輸入數據頻譜圖圖45輸出數據頻譜圖最后，將程序移植為聞亭公司的TMS320VC5409評估板的MCBSP0的中斷服務程序，并將形成的可執行文件加載到評估板上運行。由TMS320VC5409評估板的模擬輸入口輸入模擬信號，經TLC320A/D轉換芯片，按8kHz的采樣頻率采樣轉換成數字信號，輸入DSP。濾波后經D/A輸出模擬量，結果證實該程序可實現對采樣率為8kHz的模擬信號進行實時濾波處理[25]。在定點實現時，要盡量使用圓周尋址和并行指令。利用C54x的圓周尋址方式(用%表示)管理緩沖區的數據，可避免每次對緩沖區的數據進行搬移，大大減少指令開銷，提高運行效率。充分利用C54x的兩個累加器，它們可以在一個指令周期內同時進行操作[26]。C54x中的一些指令，可以充分利用這個特性，有效提高編程效率。程序調試中還要注意流水線沖突，通過在合適位置插入NOP空跳轉指令，可以有效解決這個問題。在實現數字濾波BNLMS、Geigel算法時就使用了這些技巧，具體見下面的程序。BNLMS算法的C54x匯編語言定點實現如下[27]：RPTBD $block_end1 STM N_ERROR, n_error_ptr 。n_error_ptr指向式中的RPTZ A, (BLOCKSIZE2) 。BLOCKSIZE為塊的大小，即為LMAC *ref_ptr+0%, *n_error_ptr+, A 。實現式中的Σ求和，ref_ptr指向x(n)MACR *ref_ptr+0%, *n_error_ptr+, A 。使用圓周尋址MPYA IABSY 。B=A/│x(n)│,同時利用A和B累加器計算LD *+filter_ptr(16), 16, ASFTA B, (15+GAIN) 。算術移位并調整定標，GAIN=μ為2的整數倍ADD B, ASTH A, *filter_ptr 。結果只保留前高16位STM N_ERROR, n_error_ptr$block_end:Geigel算法的C54x匯編語言定點實現如下：LD *ref_ptr+%, 16, AABS A 。A=abs (x(n))SUB max_m, 16, A 。通過相減實現電平比較NOP 。避免流水線操作XC 1, BGT 。判斷是否出現DTSTH A, max_m 。如果出現DT，更新max_m定點實現時，一個最重要的問題就是定標。由于定點數進行加減運算時，其結果可能出現溢出，所以選擇合適的標值和進行溢出保護顯得特別重要。本文在定點實現時，把累加器(A和B)從16位擴展到32位(SXM置1)，把定標調整為Q30；同時設置了溢出保護(OVM置1)。通過這樣處理，可以在保證運算精度的條件下有效解決溢出問題[28]。程序名： *Data_I2: 輸入數據緩沖區*Data_I3: 脈沖成形后數據緩沖區*fqpsk: qpsk調制后數據緩沖區*coeff: 脈沖成形濾波器系數區*start: 運行程序開始*FIR: 平方根余弦成形濾波程序*QPSK: QPSK 調制程序.mmregsData_I2b .usect Data__I2b,128Data_I2 .usect Data_I2,128Data_I3 .usect Data_I3,128fqpsk .usect fqpsk,128noise .usect noise,128.def startSIN18K .set10HTONERL .set11HTEMP .set12HK_SINSTP .set32K _DP .set500H/128.textStart:LD K_DP,DPSSBX FRCT 。小數操作STM 120,BK 。設置循環緩沖區長度為120STM Data__I2b,AR3STM Data_I2,AR2MVDD *AR2+,*AR3 。待濾波數據開始進入循環緩沖區的首位STM Data_I3,AR5STM Data_I2b+63,AR1STM fqpsk,AR4STM noise,AR6STM fqpsk,AR7FIR: RPTZ A,63 MACD *AR1,coeff,A STH A,2,*AR5+% STM Data_12b,AR3 MVDD *AR2,*AR3 MAR *AR2+% STM Data_12b+63,AR1QPSK STH A,2,TEMP CALL Carrier LD 7FFFH,15,A LD TEMP,16,A RPT 10 NOP MPYA TONERL RPT 10 NOP ADD *AR6+%,13,B,A STH A,*AR4+% B FIRCarrier:LD SIN18K,AADD K_SINSTP,AAND 7FH,ASTL ADD SIN_TABLE,AREADA TONERLLD TONERL,ASTL A 1, TONERLRET.dataCoeff:.word 100, 19, 82, 156. , 94, 27, 143.word 189 , 128, 31, 221 340, 296, 51,