基于STM32F103與TMS320VC5402的調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)

李亞軍

摘 要：針對(duì)國(guó)家電網(wǎng)230MHz電力負(fù)荷管理專用無線網(wǎng)絡(luò)通信，提出了一種以ARM處理器與DSP數(shù)字信號(hào)處理器為基礎(chǔ)、自主軟件算法為主體的高速調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器以STM32F103C8T6為控制CPU，TMS320VC5402為數(shù)字信號(hào)處理CPU。該調(diào)制解調(diào)器充分利用芯片資源，成本低、性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：電力負(fù)荷管理；專用無線網(wǎng)絡(luò)通信；高速調(diào)制解調(diào)器

引言

在當(dāng)前的電力負(fù)荷管理專用無線網(wǎng)絡(luò)中，隨著數(shù)據(jù)量增大，通信速率成為系統(tǒng)通信的瓶頸。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)提出了一種高速通信調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器將DSP與ARM處理器相結(jié)合構(gòu)成雙CPU系統(tǒng)。兩個(gè)CPU通過HPI總線方式通信。相輔相成、相得益彰。

之所以選用DSP與ARM雙CPU處理系統(tǒng)，是因?yàn)殡娏νㄐ艖?yīng)用中數(shù)字信號(hào)處理的工作量非常大，單純只采用DSP處理，其他控制功能與串口通信功能會(huì)影響DSP的處理速度。而且，增加一片獨(dú)立的ARM處理器，能實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器與電力管理終端接口的統(tǒng)一，更符合大批量生產(chǎn)的要求，大幅度的提高生產(chǎn)調(diào)試的效率，維護(hù)方便。

1 整體系統(tǒng)介紹

電力通信系統(tǒng)主要包括：電力管理終端、調(diào)制解調(diào)器、電臺(tái)、主站。其中，調(diào)制解調(diào)器是將電力管理終端發(fā)送過來的數(shù)字信號(hào)（用戶數(shù)據(jù)）調(diào)制成一定頻率模擬信號(hào)通過電臺(tái)發(fā)送出去以及將從電臺(tái)接收的模擬信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào)發(fā)送至電力管理終端。

調(diào)制解調(diào)器主要由STM32F103C8T6、TMS320VC5402及ICTLV320AIC10構(gòu)成。ARM芯片STM32F103C8T6系高性能的ARM Cortex-M3 32位處理器，工作最高頻率72MHz。豐富的增強(qiáng)I/O端口，包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的USART通信接口，工作溫度-40℃-105℃。DSP芯片TMS320VC5402 定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器是以改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，擁有1條程序內(nèi)存總線和3條數(shù)據(jù)內(nèi)存總線。其具備高度并行的算術(shù)邏輯單元（ALU）、特殊應(yīng)用的硬件邏輯單元；獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間允許同時(shí)訪問程序指令和數(shù)據(jù)。其支持一系列強(qiáng)大的算數(shù)，邏輯和位操作運(yùn)算，并能在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。AD轉(zhuǎn)換芯片TLV320AIC10通過過采樣提高信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換分辨率，它內(nèi)置抗混疊濾波器，其包含一對(duì)16位同步串行轉(zhuǎn)換通道，其還具備可編程的采樣率、連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸、可編程的增益放大器等優(yōu)點(diǎn)。使應(yīng)用更加靈活、便捷。

2 硬件原理設(shè)計(jì)

如圖1所示：其中ARM芯片的PA[0..7]模擬8位總線與DSP芯片的HPI口相連，DSP芯片其余與HPI通信相關(guān)的功能管腳與ARM相應(yīng)I/O口相連。ARM芯片的串口1用來升級(jí)程序與維護(hù)，串口2作為與電力管理終端通信。其他控制電路如：LED燈、告警等接至ARM芯片的GPIO口。

DSP部分原理設(shè)計(jì)

如圖2所示：其中DSP芯片的HPI總線與ARM芯片的PA[0..7]相連，其余與HPI相關(guān)的功能腳接至ARM芯片的相應(yīng)I/O口。DSP芯片的JTAG功能腳接至與調(diào)試、程序下載相關(guān)的功能接口，McBSP0接至AD轉(zhuǎn)換芯片，即TLV320AIC10。其通過內(nèi)置的單通道16位A/D和16位D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)字信號(hào)信息進(jìn)行編碼，組成一定幅度的基帶模擬信號(hào)以及對(duì)接收到的基帶模擬信號(hào)解碼組成相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)信息，完成信息的A/D、D/A轉(zhuǎn)換。

3 軟件算法設(shè)計(jì)

調(diào)制解調(diào)器軟件功能主要是基帶信號(hào)處理。其中包括前向糾錯(cuò)編碼、交織/解交織、脈沖成形、匹配濾波、幀同步等基帶信號(hào)處理算法。所有算法由DSP軟件編程實(shí)現(xiàn)。

3.1 前向糾錯(cuò)編碼

調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)傳輸對(duì)誤碼率有較高的要求，因此有必要通過前向糾錯(cuò)編碼（FEC）來改善系統(tǒng)的誤碼率性能。其是利用數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸冗長(zhǎng)信息的方法，當(dāng)傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤，將允許接收器再建數(shù)據(jù)。前向糾錯(cuò)編碼是公開成熟的糾錯(cuò)技術(shù)，文章限于篇幅不再過多敘述。

3.2 交織/解交織

在實(shí)際的移動(dòng)通信應(yīng)用中，信號(hào)的衰落會(huì)造成數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)耐话l(fā)差錯(cuò)，交織編碼技術(shù)可以改善這種突發(fā)差錯(cuò)，從而提高系統(tǒng)抗突發(fā)干擾和信道衰落的性能。

設(shè)計(jì)采用線性交織編碼，即把FEC編碼后的信號(hào)均分x組，每組y比特?cái)?shù)據(jù)，這樣就形成了一個(gè)類似二維數(shù)組a[x，y]的交織數(shù)據(jù)。然后通過a[1，1]， a[1，2]..a[1，y]..a[x，y]順序發(fā)送出去，這樣就完成了交織編碼過程。解交織的過程就是按交織的規(guī)律再將數(shù)據(jù)解析出來。

3.3 脈沖成形與匹配濾波

信號(hào)發(fā)送端的脈沖成形與接收端的匹配濾波均采用平方根升余弦濾波器，這樣使系統(tǒng)的頻率傳輸函數(shù)呈升余弦特性，符合采樣點(diǎn)無碼間串?dāng)_得奈奎斯特原則[1]。

3.4 幀同步

在數(shù)字通信中，信碼流有很多字節(jié)數(shù)據(jù)構(gòu)成，作為接收端必須知道這些字節(jié)的起止時(shí)刻，否則無法正確恢復(fù)信息。為此，在發(fā)送端需要提供每幀信息的起止標(biāo)記，在接收端檢測(cè)并獲取這一標(biāo)識(shí)的過程，稱為幀同步[2]。在應(yīng)用中，我們可以自主定義n個(gè)字節(jié)的恒定元素作為每幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸^或幀尾，利于接收端識(shí)別每幀數(shù)據(jù)的起止時(shí)間。

調(diào)制解調(diào)器的軟件算法非常復(fù)雜，由于文章篇幅限制，在此簡(jiǎn)要闡述其工作原理及算法實(shí)現(xiàn)流程，詳細(xì)設(shè)計(jì)不再一一敘述。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)文章的闡述看出，該方案設(shè)計(jì)的高速調(diào)制解調(diào)器成本低、可靠性高、設(shè)計(jì)合理。該設(shè)計(jì)正應(yīng)用于一個(gè)電力管理終端設(shè)備開發(fā)項(xiàng)目中，前景非常可觀。

參考文獻(xiàn)

[1]曹志剛，等.現(xiàn)代通信原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992.

[2]張輝，等.現(xiàn)代通信原理與技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.