【摘　要】 介紹了一種在有差錯信道中能夠高可靠性傳輸數(shù)據(jù)的雙調(diào)制解調(diào)器的實現(xiàn)方案。它主要由DSP最小系統(tǒng)，串行通信接口，A／D轉(zhuǎn)換電路和CPLD控制邏輯構(gòu)成。系統(tǒng)采用兩條線路同時傳輸數(shù)據(jù)，接收端則根據(jù)誤碼率的高低在兩條線路間進行智能切換，選擇性地接收，以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠性傳輸。
?? 關(guān)鍵詞：雙調(diào)制解調(diào)器 數(shù)據(jù)傳輸 誤碼率 DSP 閃爍存儲器 A／D轉(zhuǎn)換器
　　
1　引　言
　 在有差錯信道中進行數(shù)據(jù)的高可靠性甚至無誤碼傳輸，可采用傳統(tǒng)的差錯重傳（ARQ）和前向糾錯（FEC）等技術(shù)，但這些技術(shù)都不可避免地存在時延和時延抖動，信道利用率低，開銷大等弊端，不適合于需要一定的可靠性又要求實時傳輸或?qū)ν话l(fā)業(yè)務(wù)立即進行處理的場合 ，如多媒體數(shù)據(jù)（語音，圖像 ，文本數(shù)據(jù)）的通信、電力調(diào)度系統(tǒng)之間的通信、公安系統(tǒng)突發(fā)任務(wù)的下達等?；赥MS320C54的雙MODE M可在一定程度上避免這些問題，它采用兩路全雙工的數(shù)據(jù)通信鏈路來進行數(shù)據(jù)傳輸，相當于用兩條線路來傳輸一路信息，接收端根據(jù)兩條線路的接收質(zhì)量智能地決定接收哪路信息，自動切換，無需采用A RQ或FEC等技術(shù)就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠性傳輸。該系統(tǒng)采用DSP技術(shù)，以平衡對稱設(shè)計思路 ，實現(xiàn)雙MOD EM在同一平臺上實施 ，并利用軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)多種選擇靈活搭配，除了具有電路設(shè)計 、調(diào)試簡單 、可靠性高和抗噪聲能力強等特點外，還具有以下優(yōu)點：
　 ·傳輸中心頻率靈活可變，可適用于上音頻電力線載波（f＝2880Hz，3000Hz）、微波（f＝1700Hz）、無線（f＝1500Hz），以及電力線載波機話音通道（f＝1200Hz）組成的通訊網(wǎng)中，采用本機傳送數(shù)據(jù)可統(tǒng)一所有的MODEM型號，便于互換與維修。
???·解調(diào)部分具有AGC（自動增益控制）功能?！　?br>?? ·具有定性的誤碼顯示，線路信噪比狀況一目了然。
　 ·支持兩個MODEM獨立使用。
2　雙MODEM的硬件設(shè)計及其實現(xiàn)
2．1　雙MODEM系統(tǒng)的組成
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??? 雙MODEM系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要由以下五部分構(gòu)成：
?? （1）DSP最小系統(tǒng)
　? 數(shù)字處理系統(tǒng)由于其可靠性高、可編程性強等優(yōu)勢在通信、航天制導、儀器儀表等各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。在雙MODEM中由一片TMS320C5402 DSP芯片和一片EPROM構(gòu)成的DSP最小系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。TMS320C54X是TI公司TMS320系列芯片中新一代16－bit定點DSP，適合于高速的數(shù)字信號處理。其特點如下：
　 ·先進的多總線結(jié)構(gòu)，一條程序總線，三條數(shù)據(jù)總線，四條地址總線，使得靈活性和性能大大提高。　
?　·外接1024kHz晶振，指令周期為10ns，100MIPS運算速度。
???·提供Power Down低功耗方式。
　 ·17×17－bit的并行乘法器為非流水單周期的乘法／累加（MAC）操作產(chǎn)生40－bit的乘積 。
　 ·8個輔助寄存器和一個專用運算單元支持間接尋址。
　 ·4級流水操作用于延遲分支，調(diào)用和返回指令。
　 ·16個軟件可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器，用于程序、數(shù)據(jù)、I／O存儲器空間的延時等待操作。
　 ·可訪問的擴展存儲器空間為192k×16－bit（其中64k程序存儲器、64k數(shù)據(jù)存儲器、64kI ／O存儲器）。
　 ·支持多達16個用戶可屏蔽中斷（SINT15—SINT0），JTAG掃描仿真邏輯（IEEE1149．1）??
? （2）CPLD控制邏輯
　 現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）和高性能數(shù)字信號處理器（DSP）是信號處理領(lǐng)域兩大關(guān)鍵器件，F(xiàn)PGA和DSP的運算速度及并行處理能力成為制約高速信號處理應(yīng)用的主要因素，F(xiàn)PGA以其設(shè)計靈活性及硬件高密度性在信號處理領(lǐng)域顯示出越來越重要的作用。該系統(tǒng)的CPLD控制邏輯采用XILIN的XC9536來完成，XC9536的可編程I／O引腳，可以實現(xiàn)DSP、SCC、A／D轉(zhuǎn)換等所需的控制邏輯。
? （3）A／D變換
　 系統(tǒng)接收時首先將模擬的語音信號通過A／D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號送入TMS320C5402DSP，發(fā)送時將數(shù)字調(diào)制信號通過D／A轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號后再上信道傳輸，為此我們選擇了TI公司單片集成AD和DA轉(zhuǎn)換通道的音頻模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器320AD56作為系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器件，該器件采用Σ－Δ轉(zhuǎn)換方法，采樣率為22．05kHz，帶寬為8．8kHz，分辨率為16Bits，功耗為150mW，＋5 V單電源供電，同時320AD56的時鐘可以直接與TTL、CMOS、或正的ECL邏輯電平相連。
? （4）閃爍存儲器（Flash）
　 Flash Memory是一個非易失性固態(tài)存儲器，這種存儲器的特點是在寫之前要以塊為單位執(zhí)行擦除命令，即：使所有字節(jié)均變?yōu)?XFF，然后再寫入數(shù)據(jù)，而且斷電以后數(shù)據(jù)不丟失。我們采用AMD公司的AM28F010作為系統(tǒng)的EPROM，它工作所需的時序信號／WE、／RD、／BCE由CP LD控制邏輯提供。AM28F010的工作電壓為＋5V，容量為64k×8bit，速度為150ns。
? （5）串口通信模塊
　 MODEM從發(fā)送方串行接收數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過調(diào)制將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，最后通過線路傳送到接收方。接收方也需要通過MODEM從線路上將信號解調(diào)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后串行發(fā)送給接收方。本系統(tǒng)中為了實現(xiàn)串行通信，采用AM85C30作為串口通信控制器（SC C），AM85C30是AMD公司的Zilog系列產(chǎn)品，采用CMOS結(jié)構(gòu)，是一種全雙工雙通道、多數(shù)據(jù)協(xié)議的數(shù)據(jù)通信控制器，可以通過軟件設(shè)置實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)通信方式。AM85C30的每個通道都有一套自己的讀／寫寄存器集，所有通信模式都是通過操作寫寄存器來實現(xiàn)的，同時所有狀態(tài)判斷都是通過操作讀寄存器來實現(xiàn)的，隨著數(shù)據(jù)接收／發(fā)送，讀寄存器的值可能會發(fā)生變化，這些變化能觸發(fā)程序活動或內(nèi)部硬件設(shè)置變化。
2．2　RS－232接口電路的設(shè)計
　 RS－232標準的接口應(yīng)能承受接口引腳中任何兩個引腳的短接，而其本身及所聯(lián)設(shè)備不受到損壞，其電平標準規(guī)定了雙極性邏輯電平，即邏輯電平由電壓幅值和極性共同來描述，輸入的邏輯電平是＋3V到＋15V和－3V到－15V，電壓－3V到＋3V之間屬于不確定的；輸出的邏輯電平是＋5V到＋15V和－5V到－15V，電壓－5V到＋5V之間屬于不確定的。由此可知，RS－232的電壓和邏輯電平不能直接用于計算機電路，需要進行電平轉(zhuǎn)換。在雙MODEM系統(tǒng)中，采用了三片SN75196集成芯片作為RS－232線路驅(qū)動器和線路接收器，以此來實現(xiàn)RS－232和計算機電路之間的電平轉(zhuǎn)換。SN75196是一種專用的多路RS－232收發(fā)器，其驅(qū)動器／接收器·82·數(shù)目為5／3，工作所需的電源電壓為±9V和＋5V。
3　雙MODEM的軟件設(shè)計及其實現(xiàn)
　 雙MODEM的軟件設(shè)計采用標準的C語言和TMS320C54X的匯編語言混合編制完成，主要由以下幾個要點構(gòu)成：
3．1　系統(tǒng)初始化
　 系統(tǒng)上電工作之前，首先必須進行初始化。主要包括對TMS320C5402DSP的狀態(tài)寄存器ST0 、ST1，處理器模式狀態(tài)寄存器PMST，時鐘模式寄存器CLKMD和軟等待狀態(tài)寄存器SWWSR的初始化。對AM85C30通信口的初始化，包括設(shè)置合適的數(shù)據(jù)傳輸格式，數(shù)據(jù)傳輸波特率，中斷允許寄存器等。其中波特率的設(shè)置只需將除數(shù)因子寫入AM85C30的“波特率除數(shù)鎖存器”WR12、WR 13中，用TMS320C54匯編語言編制的初始化程序?qū)⒃贑語言的主程序中調(diào)用。
3．2　中斷服務(wù)程序
　 中斷服務(wù)處理子程序是通信應(yīng)用程序的核心，當系統(tǒng)上電初始化時，在中斷向量表的相應(yīng)位置將初始化為一個臨時中斷服務(wù)處理子程序的入口地址，一旦初始化結(jié)束，每當一個指定的通信事件出現(xiàn)時，AM85C30將產(chǎn)生一次通信中斷，CPU將依據(jù)此中斷號查看中斷向量表，調(diào)用執(zhí)行所指向的新的中斷處理程序，完成收／發(fā)處理。收／發(fā)數(shù)據(jù)的程序流程如圖2、圖3所示：
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3．3　環(huán)行緩沖區(qū)與幀結(jié)構(gòu)?
? （1）環(huán)行緩沖區(qū)
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??? 在數(shù)據(jù)通信過程中，發(fā)送端和接收端都需要采用一定大小的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的操作需要采用先進先出（FIFO）的原則，即保證新插入的數(shù)據(jù)不能覆蓋尚未處理的數(shù)據(jù)，采用環(huán)形緩沖區(qū)技術(shù)則可很好地解決這個問題，假設(shè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為buffer〔len〕，即長度為len的緩沖區(qū) ，為了達到環(huán)形緩沖區(qū)操作的目的，需要定義一控制塊結(jié)構(gòu)：
?? typedef struct｛
?? int cnt；
?? int rdi；
?? int wri；int*buf；　
　　?。鼴CB
　 cnt域表示當前緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)長度，rdi表示從當前環(huán)形緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)的指針位置，wri表示往當前環(huán)形緩沖區(qū)中存放數(shù)據(jù)的指針位置，buf指針指向緩沖區(qū)的首地址。
? （2）幀結(jié)構(gòu)
　 由于雙MODEM系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時要依據(jù)誤碼率的高低在兩條線路間進行智能切換，有選擇性地接收，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠性傳輸。誤碼率的大小雖然是衡量線路傳輸狀況的指標 ，但它是一個長期統(tǒng)計的結(jié)果，與當前線路傳輸質(zhì)量無線性比例關(guān)系，在一小段時間內(nèi)，有可能誤碼率高的線路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更正確，由于這種長期統(tǒng)計和短時數(shù)據(jù)的正確與否無線性比例關(guān)系，如果直接用數(shù)據(jù)流方式進行熱切換，就存在誤判并導致數(shù)據(jù)的誤收和對短時突發(fā)誤碼反映遲鈍和誤碼擴大的現(xiàn)象。因此必需將數(shù)據(jù)以一定長度為單位劃分為一個個的幀（fra me），再以幀為單位結(jié)合誤碼率進行判斷、切換，這樣就可以把誤碼發(fā)生的位置定位在一幀長度內(nèi)，使切換更準確，數(shù)據(jù)更可靠，在分幀切換當中，發(fā)送端先將數(shù)據(jù)裝幀打包，幀結(jié)構(gòu)至少應(yīng)包括幀號、幀數(shù)據(jù)長度、幀數(shù)據(jù)等。為此，我們定義了如圖4所示的幀結(jié)構(gòu)。幀結(jié)構(gòu)采用類似HDLC的幀結(jié)構(gòu)，幀起止標志固定為0x7e的8位數(shù)據(jù)，兩端以0結(jié)束，中間是六連1，便于與幀數(shù)據(jù)相區(qū)分，幀結(jié)束標志與幀開始標志相同。CRC采用16位的M序列，為了提高CRC校驗的計算速度，采用了查表法。
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4　結(jié)束語??
?? 實際信道都不是理想的無差錯信道，所傳輸?shù)?數(shù)據(jù)總會出現(xiàn)一定的誤碼。為此，我們采用高速DSP技術(shù)所設(shè)計的雙MODEM系統(tǒng)，除了具有一般MODEM的通用功能之外，更主要的是可在有差錯的信道中，實時地進行數(shù)據(jù)的高可靠性甚至無誤碼傳輸。實際線路測試結(jié)果表明該系統(tǒng)在工作條件范圍內(nèi)，當歸一化信噪比≥17dB時，對511偽隨機碼的誤碼率Pe≤1×10－6，在中低速語音壓縮編碼后使用雙MODEM技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸將有廣闊的市場發(fā)展前景。

　

1 （美）TI公司著．DigitalSignalProcessing Solution．1999
2 （美）Joe Campbell 著，游疆來等譯．串行通信編程指南．北京：北京科海培訓中心 ，1990
3　陳堅，孫志月．MODEM通信編程技術(shù)．西安：西安電子科技大學出版社，1998．3