基于DSP的调制与解调技术综述文档格式.docx

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近些年来，随着科技的快速发展和数据通信业务量的日益增加以及业务范围的不断扩大化，对于Modem的传输速率以及性能指标相应的提出了更高标准的要求。

由于DSP芯片具有有体积小、重量轻、使用灵活方便等优点，同时DSP技术具有数据处理能力强、运行速度快的特点，因此基于DSP技术的调制解调器在通信系统中得到越来越广泛的应用。

本文先简要阐述了C54xDSP系统的结构及工作原理，探讨了C54xDSP技术的优势所在。

随后在论述调制解调器工作原理的基础上，给出了一种基于C54xDSP的通用基带调制解调器的设计。

该调制解调器硬件以C54xDSP芯片为核心，包括FPGA/CPLD、可编程开关电容滤波器、A/D变换器、D/A变换器、编解码器、RS-232异步通信接口电路及时钟电路等。

关键词：

基带；

调制解调器；

DSP；

滤波

ABSTRACT

Modemisoneoftheequipmentwhichusesacommunicationsnetworktocompleteaseriesofdatacommunications.Inrecentyears,withtherapidprogressinscienceandtechnologyanddatacommunicationbuiltincreasingandbusinessscopeofthestruggle,forbothmodemstransmissionspeedandperformanceindicatorscorrespondingofferedahighstandardrequired.DSPchipwithadvantagesofasmallsize,weightandmoreconvenientusewhileDSPtechnologyhaveastrongdataprocessingability,highrunningspeed,therefore,basedontheDSPtechnologyinacommunicationsystemmodemareincreasinglywideapplication.

Thispaperbrieflydescribesthefirstc54xdspsystemstructureandworkingmechanism,c54xDSPbenefitsofwork.Thenthemodemworksonthebasisofgivingageneralc54xdspbasedonthedesignprojectwithyourmodem.Themodemhardwarec54xDSPtochipatthecore,includingFPGA/CPLD,programmableswitchafilterandadchangeanddavariedandcodec,RS-232asynchronouscommunicationinterfaceandtheelectricalcircuits.

KEYWORDS:

Base-band;

Modem;

DSP;

Filtering

前言

二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到普遍的应用。

TMS320C54xDSP是TI公司在继TMS320C1X、TMS320C2X和TMS320C5X之后推出的16位定点数字信号处理器。

此系列DSP芯片运用修正的哈佛结构,数据与程序分开存放,8条高速并行总线的内部。

片上集成有存储器和在片的外设,和专门用途的硬件逻辑。

功能强大的指令系统,使该芯片具有很高的处理速度和广泛的应用适应性,由于C54xDSP有功耗小、成本低等特点,被广泛应用于移动通信、软件无线电等领域。

本课题介绍的基于C54xDSP的基带调制解调器应用于软件无线电领域。

Modem中的基带调制解调器的优势在于它有完全的物理互换性能和灵活的系统结构。

一、DSP技术概述

数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP）是一种独特的微处理器，它通过数学技巧执行转换和提取信息，来处理和现实信号，这些信号由数字序列表示。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

　　DSP优点：

容易实现集成，可以时分复用，共享处理器；

方便调整处理器的系数实现自适应滤波，可用于频率非常低的信号。

其DSP缺点是：

需要模数转换；

受采样频率的限制，处理频率范围有限；

但是其优点远远超过缺点[1]。

由于DSP芯片的问世，使得数字信号处理技术在数据传输领域中的应用更加引起重视。

DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段：

第一阶段，DSP意味着数字信号处理，并作为一个新的理论体系广为流行；

随着这个时代的成熟，80年代开始DSP进入了发展的第二阶段，在这个阶段，DSP代表数字信号处理器，这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变化；

21世纪DSP发展进入第三个阶段，市场竞争更加激烈，TI及时调整DSP发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。

成就这一进展的前提就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。

接下来又催生了第三阶段，这是一个赋能（enablement）的时期，我们将看到DSP理论和DSP架构都被嵌入到SoC类产品中。

内核结构的不断完善，多通道的结构和单指令多重的数据（SIMD）、特大指令字组（VLIM）将在新的高性能处理器中占主导地位，它将是DSP在的未来发展趋势[2]。

　　DSP和数字信号处理功能很差的低成本微处理器融合起到了很好的互补作用，同时多数应用中均需要具有智能控制和数字信号处理两种功能，多媒体和互联网的应用需要将进一步加速这一融合过程。

二、C54xDSP芯片简介

TI公司现在主推四大系列DSP中C5000系列（定点、低功耗）：

C54X，C54XX，C55X相比其它系列的主要特点是低功耗，所以最适合个人与便携式上网以及无线通信应用，如手机、PDA、GPS等应用。

TMS320C54x是为实现低功耗，高性能而专门设计的定点DSP芯片，它的中央处理单元采用优化的哈佛结构，包含1条程序总线，3条数据总线和4条地址总线，具有高度的并行性，且功耗很低。

可满足多种实时嵌入式系统的需要[3]。

C54x属于TI的C5000系列的产品，C54x系列是针对低功耗、高性能的高速实时信号处理而专门设计的定点DSP，广泛应用于无线通信系统中，它的CPU具有下列特征：

　　⑴采用改进的哈佛结构，一条程序总线（PB）、三条数据总线（CB、DB、EB）和四条地址总线（PAB、CAB、DAB、EAB）；

　　⑵40bit的算术逻辑单元（ALU）以及一个40bit的移位器和两个40bit的累加器（A、B），支持32bit或双16bit的运算。

　　⑶17bit×

17bit的硬件乘法器和一个40bit专用加法器的组合（MAC）可以在一个周期内完成乘加运算；

　　⑷比较、选择和存储等单元能够加速维特比译码的执行。

　　⑸专用的指数编码器（EXPencoder）能够在一个周期内完成累加器中40bit数值的指数运算。

　　⑹单独的数据地址产生单元（DAGEN）和程序地址（PAGEN）产生单元，能够同时进行三个读操作和一个些操作[4]。

DSP技术广泛的应用于语音处理，图像/图形，军事，仪器仪表，自动控制，医疗，家用电器等。

三、基带调制解调器原理及应用

调制解调器，即Modem，是计算机与电话线之间进行信号转换的装置，由调制器和解调器两部分组成，调制器是把计算机的数字信号（如文件等）调制成可在电话线上传输的声音信号的装置，在接收端，解调器再把声音信号转换成计算机能接收的数字信号。

它是为数据通信的数字信号在具有有限带宽的模拟信道上进行远距离传输而设计的，它一般由基带处理、调制解调、信号放大和滤波、均衡等几部分组成。

调制是将数字信号与音频载波组合，产生适合于电话线上传输的音频信号（模拟信号），解调是从音频信号中恢复出数字信号。

目前调制解调器主要有两种：

内置式和外置式。

内置式调制解调器其实就是一块计算机的扩展卡，插入计算机内的一个扩展槽即可使用，它无需占用计算机的串行端口。

它的连线相当简单。

外置式调制解调器则是一个放在计算机外部的盒式装置，它需占用电脑的一个串行端口，还需要连接单独的电源才能工作，外置式调制解调器的连接也很方便，phone和line的接法同内置式调制解调器。

但是外置式调制解调器得用一根串行电缆把计算机的一个串行口和调制解调器串行口连起来，这根串行线一般随外置式调制解调器配送。

调制解调器的一个重要性能参数是传输速率，56K的调制解调器已经成为市场的主流产品。

CCITT建议调制解调器的V.34标准，其最大的特点是"

自适应速率传输"

，即在传输过程中，根据当地用户线路的质量好坏，产品有自动调节传输速率的功能，这样能使所在地区线路不佳的联网用户也可以享受到高速传输的连接效果。

而V.37标准具有9600~128000bps信号速率、四线全双工通信方式、同步、单边带调制方式和60~108kHz基群电路等功能；

v.42标准具有56000bps信号速率、全双工通信方式、同步和拥有数据压缩及差错控制技术等功能[5]。

四、调制与解调原理概述

1调制原理

数字频率调制的基本原理是利用载波的频率变化来传递信息,又称为数字调频,即频移键控（FSK）。

FSK调制方式根据前后符号的载波相位是否连续,又分为相位不连续的频移键控与相位连续的频移键控（CP-FSK）实现数字频率调制的一般方法有两种,直接调频法和键控法。

直接调频法即连续调制中的调频（FM）信号的产生方法,是将输入的基带脉冲去控制一个振荡器的参数而改变振荡频率,这种方法实现容易,输出的波形相位是连续的,但电路的振荡频率稳定性较差;

键控法是用数字信号去控制两个独立振荡器,两个门电路按数字信号的变化规律通断。

实现原理图如图2-4所示:

方法的特点是转换速度快,波形好,频率稳定度高,但由于对两个独立的振荡器进行键控,得到的波形相位会失去连续性,因此通常只采用一个振荡器,它产生基准振荡频率,送入可控数字分频器进行分频,分频频率由输入数字信号决定。

当信号为“1”时,分频比为N1,当信号为“0”时,分频比为N2。

这样就可以产生两种不同的分频脉冲输出,再经过整形就得到精确的FSK音频正弦信号[8]。

本次设计采用的是后一种方法。

2解调原理：

实现数字调频信号的解调方法有鉴频法、过零检测法、差分检波法,在本次实现中采用差分检波法（属于相干解调法）。

差分检波器原理框图如图2-5所示:

差分检波法基于输入信号与其延迟τ的信号相比较,信道上的延迟失真将同时影响相邻信号,故不影响最终的鉴频效果,其实现受条件cos（Wcτ）=0的限制。

为实现软件仿真FSK调制与解调,用数据文件模拟要被调制的数字基带脉冲输入信号:

数码1代表频率f1=2100Hz,数码0代表频率f0=1300Hz;

码率Fb=1200bps;

采样周期为9600Hz,采用96点正弦波调制,得到输出信号X（n）=Asin（Ф（t））,输入数据文件为每个脉冲6个采样点;

在FSK信号接收端解调该调制信号,取延迟样点k=4，得到输出信号v（n）=s（n）s（n-k）,经低通滤波器滤除高频成分,即恢复FSK解调信号[9]。

五、基于C54xDSP调制解调器硬件系统的设计

调制解调器硬件以C54xDSP芯片为核心，包括FPGA/CPLD、可编程开关电容滤波器、A/D变换器、D/A变换器、编解码器、RS-232异步通信接口电路及时钟电路等，如图3-1所示。

图3-1硬件设计框图

发送功能和接收功能设计：

发送功能框图如图3-2所示：

图3-2发送功能框图

接收功能框图如图3-3所示：

图3-3接受功能框图

载波同步模块如图3-4下所示：

图3-4载波同步模块图

六、课程总结

通过本学期对《数字信号处理及应用》的学习，使我对数字处理有了一定的了解和认识。

在老师的带领下从时域到频域从连续到离散的信号处理，认识到了数字信号处理中存在着很多的对偶关系。

了解到了FFT算法节约了大量运算时间和存储空间，对数字信号处理的巨大贡献。

使得数字信号在计算机及嵌入式系统中得以实现从而丰富了我们的生活！

进一步加深了对MATLAB软件的理解和认识，了解到在信号处理和嵌入式开发中MATLAB已成为即方便又高效的开发软件，其中Simulink对信号处理和结果预判使得开发跟直观。

当然这些只是我对本门课程的肤浅认识，当中还蕴含着很多丰富有趣的内容有待我去学习和深究。

参考文献

[1]王华奎,数字信号处理及其应用[M],高等教育出版社,2011.07

[2]张雄伟、陈亮、徐光辉,DSP芯片的原理与开发应用[M]，北京电子工业出版社，2003，p34

[3]维普资讯：

http:

//www.iot-

[4]高海林、钱满义,DSP技术及其应用[M],清华大学出版社,2009.07,p125-p126

[5]ATMEL公司网站：

[6]豆丁网：

[7]曾义芳，DSP开发应用技术[M]，北京航空航天大学出版社,2008.01,p78-p80

[8]刘航，基于C54x系列DSP的程序优化方法研究，电信交换[J],2008年2期

[9]万方数据网：