車載FSK信號(hào)的2種解調(diào)算法及其DSP的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

1、 車載FSK信號(hào)的2種解調(diào)算法及其DSP的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)來源：來源:微計(jì)算機(jī)信息 作者：作者:徐曄摘要:基于16 位定點(diǎn)運(yùn)算精度的TMS320C2812 DSP 芯片,對(duì)車載FSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并提出了個(gè)軟件解調(diào)算法方案。關(guān)鍵字：DSP TMS320C2812FSK 過零計(jì)數(shù) FFT1引言 頻移鍵控FSK(frequency2shift keying) 信號(hào)具有數(shù)字通信的諸多優(yōu)點(diǎn),同時(shí)有效帶寬小,鐵路中就廣泛使用它來傳送各種控制信息。但是隨著鐵路機(jī)車的不斷提速，老式的鐵路信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)越來越不適用，因此也需要研究新的快速智能化解調(diào)算法來提高檢測(cè)質(zhì)量與檢測(cè)手段。本文提出了種行之有效的實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)F

2、SK信號(hào)的方法,并利用DSP 技術(shù)使之成為一種便攜檢測(cè)設(shè)備。2FSK 頻移鍵控FSK (Frequency Shift Key) 調(diào)制是用數(shù)字基帶信號(hào)來控制高頻載波頻率的變化, 調(diào)制后的載波信號(hào)頻率代表了要傳送的數(shù)字信號(hào)。二進(jìn)制FSK (2FSK) 是用2個(gè)高頻載波f 1 和f 2 來表示2個(gè)數(shù)字信號(hào)“1”或“0”, 其信號(hào)的典型波形如圖1 所示。由于FSK 系統(tǒng)受幅度非線性的影響小, 且很容易用軟件來實(shí)現(xiàn), 所以FSK 在中低速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。3DSP芯片介紹 TMS320F2812 DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)是TI公司最新推出的數(shù)字信號(hào)處理器，該系列處理器是基于TMS320C

3、2xx內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè),而且代碼和指令同F(xiàn)24X系列數(shù)字信號(hào)處理器完全兼容，從而保障了項(xiàng)目或產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可延續(xù)性。同F(xiàn)24X系列數(shù)字信號(hào)處理器相比，F(xiàn)281x系列數(shù)字信號(hào)處理器提高了運(yùn)算的精度（32-bit）和系統(tǒng)的處理能力（達(dá)到150 Mips）。該系列數(shù)字信號(hào)處理器還集成了128K的Flash存儲(chǔ)器，4-K字的引導(dǎo)ROM，數(shù)學(xué)運(yùn)算表以及2K字的OTP ROM，從而大大改善了應(yīng)用的靈活性；128-bit的密碼保護(hù)機(jī)制有效的保護(hù)了產(chǎn)品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 和許多其它種類DSP一樣，TMS320F2812采用經(jīng)典的哈佛總線結(jié)構(gòu)，利用多總線在存儲(chǔ)器、外圍模塊和CPU之間轉(zhuǎn)

4、移數(shù)據(jù)。程序讀總線有22根地址線和32根數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)讀寫線都是32位，這種多總線結(jié)構(gòu)使得它可以在一個(gè)周期內(nèi)并行完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，同時(shí)它也采用了指令流水線技術(shù)，使得信號(hào)的處理速度明顯提高，完全可以達(dá)到我們實(shí)時(shí)解調(diào)處理信號(hào)的要求。 不僅如此，TMS320F2812還包含多達(dá)16路AD轉(zhuǎn)換通道，被分為兩組，AD0AD7為一組，AD8AD15為一組。每組都有一個(gè)專門的輸入端。事件管理器可將ADC配置為兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，也可串接成為一個(gè)16通道的模塊。盡管有多個(gè)輸入通道和兩個(gè)序列發(fā)生器，轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)。8通道模塊會(huì)將8路輸入自動(dòng)排序，并按序選擇一路輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的結(jié)果保存在對(duì)應(yīng)的

5、結(jié)果寄存器中。在串接模式下，自動(dòng)序列發(fā)生器將成為16通道的發(fā)生器自動(dòng)序列發(fā)生器允許對(duì)同一個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，這主要用于過采樣的算法中。與單采樣AD轉(zhuǎn)換模塊相比是個(gè)進(jìn)步。這樣的多通道高速AD轉(zhuǎn)換器使得我們可以對(duì)鐵路通信中不同制式的FSK信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)制式發(fā)生變化時(shí)，我們隨之變換轉(zhuǎn)換通道，使得我們的采樣數(shù)據(jù)與信號(hào)制式保持嚴(yán)格的同步。 除此之外，DSP還有許多其他的高速外設(shè)及接口，最多可擴(kuò)展1.5 Mx 16 bit存儲(chǔ)器；3個(gè)32-bit CPU定時(shí)器及一個(gè)看門狗定時(shí)器；兩個(gè)事件管理器；兩個(gè)通用目的16-bit定時(shí)器；8個(gè)16-bit PWM通道；PWM死區(qū)配置；外部可屏蔽保護(hù)中斷；3個(gè)比

6、較單元和個(gè)事件捕捉單元；雙編碼器脈沖接口異步模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。改進(jìn)的eCAN 2.0B接口模塊；多種串行通信接口（2個(gè)UART、1個(gè)SPI及1個(gè)MCBSP）；高性能低功耗，采用1.8V內(nèi)核電壓和3.3V外圍接口電壓。4過零計(jì)數(shù)解調(diào)算法 由于鐵路上噪音干擾極大，當(dāng)DSP集成的12-bit ADC將信號(hào)采入后，雖然硬件部分已經(jīng)做了很好的濾波，可是為了增加產(chǎn)品可靠性，我們還做了軟件濾波。隨后將慮過的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行過零計(jì)數(shù)，由于AD采樣頻率恒定，因此，采樣數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)與時(shí)間成正比。我們通過計(jì)算載波信號(hào)2個(gè)相鄰零點(diǎn)的內(nèi)得采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)就可以計(jì)算出載頻的頻率。當(dāng)載頻發(fā)生變化時(shí)，再次進(jìn)行記錄，從而算出信號(hào)頻率。最后根

7、據(jù)計(jì)算出的不同的信號(hào)頻率推斷出信號(hào)的含義，從而立即發(fā)出指令，保證其實(shí)時(shí)性。過零計(jì)數(shù)算法主要流程圖如下圖2 過零計(jì)數(shù)算法流程 其中，為了提高可靠性和抗干擾性，我們?cè)谟?jì)算載波頻率時(shí)，往往取多個(gè)周期的載波信號(hào)后，再判斷其頻率。允許的頻率誤差也被設(shè)定到一定范圍內(nèi)。同時(shí)，我們對(duì)沒有載波信號(hào)或頻率出錯(cuò)也做了充分的考慮，一切可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤都將上報(bào)到判決執(zhí)行狀態(tài)機(jī)內(nèi)。在頻率判決時(shí)，由于信號(hào)頻率種類比較多，因此，在查找信號(hào)頻率所對(duì)應(yīng)的上下限區(qū)時(shí)，我們采取折中查找法，大大的提高了算法效率。5FFT算法5.1 FFT介紹 傅利葉變換是一種將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域的變換形式，是聲學(xué)，語音，電信和信號(hào)處理等領(lǐng)域中的一種重

8、要的分析工具。離散傅利葉變換（DFT）是連續(xù)傅利葉變換在離散系統(tǒng)中的表示形式。由于DFT的計(jì)算量很大，因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)其應(yīng)用受到很大的限制?？焖俑道~變換(FFT)是快速計(jì)算DFT的一種高效方法，F(xiàn)FT的出現(xiàn)使DFT的運(yùn)算大大簡(jiǎn)化，運(yùn)算時(shí)間縮短了一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使DFT在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。 DSP芯片的出現(xiàn)使FFT的實(shí)現(xiàn)變得更為方便。由于大多數(shù)DSP芯片都能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法和一次加法，而且提供專門的FFT指令，使得FFT算法在DSP芯片上實(shí)現(xiàn)的速度更快。5.2 FFT算法原理離散傅里葉變換為: 按時(shí)間抽取的基2 - FFT將輸入序列按時(shí)間上的次序是偶數(shù)還是奇數(shù)不斷地分

9、解為兩個(gè)更短的子序列,直到最后的子序列為2點(diǎn)。2 點(diǎn)DFT 運(yùn)算稱為蝶形運(yùn)算,而整個(gè)FFT 就是由若干級(jí)迭代的蝶形運(yùn)算組成,而且這種算法采用原位運(yùn)算,故只需N個(gè)存儲(chǔ)單元。5.3 通過FFT算法實(shí)現(xiàn)FSK解調(diào) 以下是TI公司為其DSP器件做出了FFT等軟件模板庫圖3 FFT軟件模板庫表1 FFT軟件模板庫 根據(jù)模板庫，首先，對(duì)輸入的離散數(shù)字序列x(n)進(jìn)行FFT(n=0,1,2,.,N-1),得到頻譜序列X(k)(這里k=0,1,2,.,N-1),由于實(shí)信號(hào)的FFT具有對(duì)稱性,取X(k)的右半邊(k=0,1,2,.,N/2-1),其頻譜如左圖所示，2FSK信號(hào)有兩個(gè)載波頻率f1，f2。顯然，可以

10、從頻譜中求出一個(gè)最大值作為對(duì)其中一個(gè)載頻的估計(jì)，假設(shè)為f1，但無法確定f2，因?yàn)樗灰欢ㄊ谴未笾?。故進(jìn)一步將頻譜序列X(k)離散化，即當(dāng)X(k)VT，X(k)=X(k)；當(dāng)X(k)VT，X(k)=0。其中，VT為離散化時(shí)的門限值。離散化后的頻譜如右圖所示。在f1與f2之間存在若干個(gè)0值，因此，可以利用這若干個(gè)0值將f1、f2劃分在不同的區(qū)間內(nèi)，分別在各自的區(qū)間內(nèi)求出最大值，即為對(duì)載頻的估計(jì)。 圖4 信號(hào)頻譜 估計(jì)出載波頻率后，根據(jù)載波頻率的變化，進(jìn)一步可以算出信號(hào)頻率。從而根據(jù)信號(hào)頻率發(fā)送指令。6 算法調(diào)試結(jié)果分析 我們選擇最高載頻的車載fsk信號(hào)（2600hz上下頻偏11hz）。AD采樣后輸入，由于干擾信號(hào)的存在，解調(diào)出的信號(hào)頻率并不完全和想象的相同，這就要求我們?cè)谂袥Q頻率時(shí)充分考慮誤差，但又不能誤判。通過以下三點(diǎn)對(duì)信號(hào)判決部分算法進(jìn)行改進(jìn)。 （1）在提取實(shí)際信號(hào)頻率值后，將進(jìn)行信號(hào)分析，判斷出信號(hào)是具有實(shí)效性還是非法信號(hào)。 （2）對(duì)有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析, 提取出輸入輸出映射關(guān)系清晰明了的數(shù)據(jù)集, 作為經(jīng)驗(yàn)知識(shí)存入經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫。 （3）在實(shí)際信號(hào)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)