DSP调制解调系统设计

D S P调制解调系统设计 Prepared on 24 November 2020

DSP系统课程设计

---------调制解调器系统设计

目录

调制 - 4 -

引言

FSK（Frequency-shift keying）：频移键控

频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。它是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是: 实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。

最常见的是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统，即2FSK系统。二进制频移键控（2-FSK）频移键控是利用两个不同频率f1和f2的振荡源来代表信号1和0，用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。

技术上的FSK有两个分类，非相干和相干的FSK。在非相干的FSK，瞬时频率之间的转移是两个分立的频率。在另一方面，在相干频移键控或二进制的FSK ，是没有间断期在输出信号。

在数字化时代，电脑通信在数据线路（电话线、网络电缆、光纤或者无线媒介）上进行传输，就是用FSK调制信号进行的，即把二进制数据转换成FSK信号传输，反过来又将接收到的FSK信号解调成二进制数据，并将其转换为用高，低电平所表示的二进制语言，这是计算机能够直接识别的语言。

随着现代通信技术的发展，软件化的通信思想趋于成熟。用DSP芯片或者通用CPU芯片作为无线通信的硬件平台，而尽可能多的用软件来实现通信功能，是现代通信领域广泛使用的方法。随着DSP芯片性价比的提高，其在通信、自动控制、仪器仪表等许多领域的应用也越来越广泛。一、设计目的和任务

目的：通过本课程的实践，能进一步掌握高级语言程序设计基本概念，掌握基本的程序设计方法；通过设计一个完整的小型程序，初步掌握开发软件所需的需求定义能力、功能分解能力和程序设计能力、代码调试技能；学习编写软件设计文档；为未来的软件设计打下良好的基础。

《DSP系统课程设计》是一项实践性和综合性都比较强的课程。通过本课程的学习，可以掌握典型DSP芯片的结构、原理和典型应用，既能巩固《数字信号处理基础》、《DSP原理及应用》、《通信原理》中相关的基础理论知识，又为日后从事相关系统开发设计奠定一定的基础。

任务：利用所学知识，设计一个基于DSP的二进制频移键控（2FSK）调制解调系统。了解掌握2FSK调制与解调原理，熟悉Protel99、等软件开发环境，完成对2FSK调制与解调电路设计和仿真，分析仿真结果。

二、设计内容与要求

绘制具备AD 功能的DSP 最小系统电路图，设计基于DSP 的2FSK 调制解调程序。设计2FSK 调制解调的DSP 程序，并给出相应的仿真结果。

1.了解和熟悉DSP 综合试验箱的结构原理和设置；存储器、逻辑控制等模块的原 理和配置。

2.开发工具

熟悉DSP 开发系统的连接；进一步熟悉开发环境的使用方法。 结构

进一步熟悉DSP 的硬件构造，特别是DSP 外围存储单元及接口电路的设计。 最小系统设计

绘制DSP 最小系统电路图：外围存储器及ADC 电路的设计。

调制及解调

理解2FSK 调制及解调的原理，设计2FSK 调制及解调的方案，给出具体的实现思路。 滤波器

计算FIR 实现所需的参数。 滤波器实现

编写FIR 滤波器实现的DSP 程序。 调制及解调实现

给出2FSK 调制及解调实现流程图，编写相关DSP 实现程序。 9.仿真

验证2FSK 调制及解调的DSP 程序，给出相应的仿真结果。 10.完成课程设计报告。

三、设计方案

、系统整体的结构图

图.1系统整体结构图

、2FSK 工作原理

二进制频移键控的基本原理：用数字基带信号来控制高频载波频率的变化，使载波的频率在1f 和2f 之间变化。二进制频移信号可以看成两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。若二进制基带信号的符号1对应于载波频率1f ，符号0对应于载波频率2f ，则二进制频移键控信号的时域表达式：

∑∑-+-=-

n

n

b n b n FSK t nT t g a t nT t g a S )cos(])([)cos()]([212ωω

（1）

（1）式中，???-=P P

a n 110发送概率为

发送概率为 ,??

?≤≤=b

T t t g 010)(其他

,112f πω=,222f πω=，

-

n a 是n a 的反码，b T 为码元持续时间，通常情况下，)(t g 为单个矩形脉冲。

二进制频移键控(2FSK)是数字通信中常用的一种调制方式，其调制与解调的方法有很多种。采用数字信号处理来实现二进制频移键控信号的数字调制与非相干数字解调，大大地降低了硬件电路的复杂程度，提高了系统的灵活性，能够满足二进制频移键控各种传输协议的要求。

一个简易的2FSK 工作原理如图2所示。在发送方，输入的基带数据信号经过调制和发送带通滤波器产生信道可传输的频带信号，送人信道；在接收端，接收带通滤波器除去带外所附加的噪声，将信号送入解调器（由延迟单元、乘法器和低，通滤波器构成），经过低通滤波器除去产生的高频信号，经取样判决得到输出数字序列，完成信号传输。

图2. 2FSK 系统工作原理图

3.2.1、2FSK 调制

2FSK 调制就是把输人数字序列变成适合于信道传输的变频正弦波，所以2FSK 的DSP 实现关键就是产生正弦或余弦波形。产生正弦波的方法有差分迭代法、泰勒级数展开法、查表法等多种方法。本文中调制采用查表法产生正弦波。

调制算法

2FSK 调制采用查表法，可以实现较好的实时性，特别适用于通信载波的生成。在DSP 的程序存储空间,使用Q15 定点数格式在[0,2π]上以2π/N 的相位间隔固化N 点正弦值，以供查表（这些值可由MATLAB 软件首先计算好），在此取N=12。这样对于F 0和F 1的取样间隔分别为：

?????=*=*=?=*=*=?”时发送数据“”时发送数据“1,2192/3212/1

10,1192/1612/00Fs F N i Fs F N i （2）

使用DSP 定时器T0，用来实现对数据解调DAC 输出速率的控制。这样，如要实现12Kbps 的数传输速率，需要将DSP 定时器T0的溢出率设置为192KHz 。

调制主程序流程图

本文使用查表法提供2FSK 调制所需要的两路正弦波，即sin0_table 和sin1_table ，当发送的数据为"0"时是发送sin0的数据，当发送的数据为"1"是发送sin1的数据。初始化完后，接收数据，判断“0”或“1”，打开中断，则定时器每隔一个周期产生一次中断，中断服务程序则完成一个采样点的输出。一个码元周期结束后，关中断，判断下一个发送数据，继续循环。

主程序流程如右图3所示

图3. 调制主程序流程

3.2.2、2FSK 解调

采用软件化设计思想，解调器也可以采用DSP 编程来实现。FSK 解调有相干解调和非相干解

调，虽然相干解凋抗干扰性能好，但他要求设置与发送设备中的高频载波同频同相的本地参考载波，使设备复杂，因此一般数字调频系统都采用非相干解调。常用的非相干解调算法有过零检测法和包络检测法以一种新的可用DSP 软件实现的FSK 非相干解调算法，即正交自延时FSK 解调算法。

解调算法

针对小型通信系统，可以采用一种算法简单、占用存储空间小的2FSK 信号差分检波解调算法，本文即采用的这种实时性较高的2FSK 信号差分检波解调算法，它是模拟信号解调电路用到的差分检波原理在2FSK 信号数字解调中的具体实现。

算法的基本思想是已调信号和它的2/π的延时信号相乘，然后经过低通滤波，根据滤波结果的符号判断发送信号的值，从而实现信号的解调。算法原理图如下图4所示。

图解调算法原理图

在接收端，接收带通滤波器输出信号采样值)(n S 经延时器延迟k 个采样点得到)(k n S -。k 要

小于每个二进制码元周期内的采样点数，使得)(n S 和)(k n S -是属于同一个二进制码元的采样值。)(n S 和)(k n S -相乘后的输出样值：)(n h

)]

24cos()2[cos(2

2

])(2sin[)2sin(2

)()()(s FkT s FnT s FkT A s T k n F s FnT A k n S n S n V πππππ--=-=-= （3）

前面一部分是仅与k 有关的常数。后面一部分是与n 有关的高频分量，可通过对称系数低通滤

波器h(n)来滤除。低通滤波器h(n)的截止频率设为12KHz ，对称系数经Matlab 计算求得：h0=，

h1=，h2=，h3= ，通过该低通滤波器后得到：

??????

?==”发送数据“”发送数据“1),12cos(2

20),02cos(2

2

)2cos(22

)(s kT F A

s kT F A s FkT A n U πππ ————————（4）

k 的选择是设计解调器的关键，应使差值：

|)2cos()2cos(|)(10s s kT F kT F k d ππ-=

———————（5）

最大，以利于正确区分两种频率，降低判决的误码率。根据实际的测试得到，当k =2时，

可以得到较好的区分度。经过低通滤波后的数据U(n)经过判决算法后，可以得到最终所要的解调数据Y(n)。

系统12个采Array样数据表示一个码

元，当判决算法连

续判决12个采样

数据（一个码元包

含的采样点）满足

预设阈值之后，确

定一个码元的状

态。假设如下判决

算法中用都得变

量：LPFOUT→滤波

器输出，

DATA_THD→幅度判

决的阈值，

DEC_DATA_CURR→

当前采样点判决

值，

DEC_DATA_BE→前

一次采样点判决

值，DEC_NUM→判

决用计数器，

DEC_NUM_X→周期

计数器。判决算法

流程图如下图所

示：

、硬件原理图

音频接口原理图

图6.音频接口图

此部分为整个系统提供音频信号的采集输入。由TLV320AIC23单片机进行模拟信号采集处理，提供三个采集接口和一个输出接口。

电源原理图

图7.电源

此部分为系统电源结构的原理图。为此系统提供了所需要的电源，如V

15

、5V、、电源，并设置了地线。

寄存器原理图

图8.寄存器原理图

外部存储器，用于接收存储数据。

DSP原理图

图原理图

本系统采用TMS320VC5402PGE100 DSP芯片，该芯片有142个管脚。芯片的电源电压有与两种，其中电压供I/O接口用，电源主要供器件的内部，包括CPU和其他所有的外设逻辑。该系统将芯片片内部分模块单元引出以便做外部扩展。这些扩展的模块包含串行口、定时计数器、数据地址总线接口和通用I/O等。此芯片一是实现FIR滤波，其次是2FSK的调制与解调。

EPM

图原理图

AD与DA转换原理图

DA和AD，即数字和模拟信号转换系统。可将系统音频接口所采集的模拟信号转换为数字信号，送入DSP中进行调制解调处理，然后再把处理后的信号转换为模拟信号发射出去。

顶层文件原理图

图12.顶层文件连接图

该版面为系统硬件原理图部分生成的顶层文件连接示意图，从中可以反应出系统的大概构成部分。通过各个分板块的网络标号，将各分散部分的信号线以及各总线联系在一起，以便于进行统一的电器检查以及生成网络表，为后面生成PCB板奠定基础。加载网络表后，利用手动布局，在手动布线的基础上实现了该系统PCB板的完整布线。普通信号线10mil，电源线及地线为15mil。

四、系统实现

、硬件部分

利于protel 软件，画出各部分硬件电路图。生成顶层文件，画出PCB 板，并实现手动布线，如前面各图所示。

、软件部分

4.2.1、2FSK 调制程序

本文2FSK 调制采用查表法，使用Q15 定点数格式在[0,2π]上以2π/N 的相位间隔固化N 点

正弦值，N=12：

x = 0:2*pi/12:2*pi;

y = 32768*sin(x)

结果如图： 调制主程序如

下：

*****************************************

***************************************** .mmregs .include .def c54init

.sect "progsys"

c54init:

*SWWSR :SoftWare Wait-State Register Address 0028h * -----------------------------------------------------

* | 15 | 14 12 | 11 9 | 8 6 | 5 3 | 2 0 |

*----------------------------------------------------- * | XPA | I/O | Data | Data | Program | Program |

*---------------------------------------------------- STM #0x7208,SWWSR

;0 111 001 000 001 000

*I/O 空间为7个等待周期

* ------------------------------------------------------ * | 15 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |

*------------------------------------------------------- * | IPTR | MP/MC | OVLY | AVIS | DROM | CLKOFF | SMUL|SST |

*------------------------------------------------------- * |0020 1111 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |

*------------------------------------------------------- * 0011 11111 1 1 0 0 1 0 0

STM #0x2fe4,PMST

;0010 1111 1110 0100 *将中断向量表映射到 2f80 *MP/MC=0 芯片工作在微计算机方式，可以寻址片内程序存储器 *IFR or IMR

*------------------------------------------------------- * |15 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |

*-------------------------------------------------------

= 0x80 /*128word*/

PAGE 1: DRAM: origin = 0x3000, len = 0xf80

调制仿真波形如图：

图14.信号调制仿真波形

4.2.2、2FSK 解调程序

本文采用的是实时性较高的2FSK 信号差分检波解调算法，是已调信号和它的2/ 的延时信号相乘，然后经过低通滤波，根据滤波结果的符号判断发送信号的值，从而实现信号的解调。算法原理图可如前所述，信号放大之后，经k 个单位时间的延时，再与原信号相乘，经过LPF 判决结果。

FIR 滤波器

在数字信号处理中，滤波占有极其重要的地位。数字滤波是语音和图像处理、模式识别、谱分析等应用中的一个基本的处理算法。与模拟滤波相比，数字滤波具有很多突出的优点，例如它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。用DSP 芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受环境影响等优点外，还具有灵活性好的特点。在延时相乘之后的滤波器设计，用可编程DSP 芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性。

在延时相乘之后的滤波器设计，用可编程DSP 芯片实现数字滤器，其流程可如右图所示：

图滤波器软件流程图

本文采用系数对称用循环缓冲区和双操作数寻址方法实现FIR 滤波器设计，参数：滤波器阶数为8，截止频率为。利用Matlab 软件中的freqz 指令可以观察到滤波器的特性，为便于说明，下图提供了一个截止频率，阶数为90的低通滤波器频率特性图。

图16.低通滤波器的频率特性

本实验所设计滤波器经由Matlab 计算出系数，如下： f = [0 1]; m = [1 1 0 0];

A/D 采集一个数据

进行乘加运算并输出结果

结果送D/A 输出新数据加入数组数组数据依次左移一个下标

b = fir2(7,f,m);

b = b*32768;

freqz(b,512,1000)

图17.滤波器系数

**

**********************************************

.title ""

.ref _c_int00

.sect ".vectors"

B _c_int00

.end

滤波器仿真波形如下图所示：

滤波器输入数据如下：

输入数据经滤波器处理后为方波信号，如下：

图18.滤波器仿真

此滤波器参数：八阶FIR低通滤波器，截止频率，采用的循环缓冲区法设计，经CCS仿真后得方

波信号。

2FSK解调主程序

2FSK延时相乘非相干解调测试程序，相关参数如下：

Fc=24kHz,F0=16KHz,F1=32KHz,Fs=192Khz

八阶系数对称的FIR滤波器

N=8,h(n)=h(N-1-n)

y(n)=h0*[x(n)+x(n-7)]+h1*[x(n-1)+x(n-6)] +h2*[x(n-2)+x(n-5)]+h3*[x(n-3)+x(n-4)]

***************************************** *****

* *

***************************************** *****

.title "FSK_DEM. asm"

.mmregs

.def _c_int00

DataNum .set 196

DATA_THD .set 4000H;——幅度判决的阈值

DEC_PASS_NUM .set 2;

DEC_BYPASS_NUM .set 12-DEC_PASS_NUM;

.bss y,1

.bss x_disp,1

.bss Z_disp,1

BANZ XXX,*AR3-

****************************************** STM Y_OUT,AR1

****************************************** STM #x_new,AR2;AR2指向新缓冲区第1个单

元

STM #x_old+(size-1),AR3;AR3指向老缓冲区最后1个单元

STM #size,BK;设置循环缓冲区长度BK =size

STM #-1,AR0;循环控制增量AR0=-1

****************************************** STM #inputdata,AR5

STM #(inputdata+6),AR4;调制后数据首地址延时Pi/2

******************************************

在程序中指令MVDK *AR5+,x_disp、MVDK *AR2,x_disp、MVDK *AR6,x_disp前加断点，可以分别观察到调制信号，延时相乘以及低通滤波器滤波后的仿真波形。

程序仿真结果如下：

图调制解调仿真

、结语

二进制频移键控(2FSK)是数字通信中常用的一种调制方式，其调制与解调的方法有很多种。采用数字信号处理来实现二进制频移键控信号的数字调制与非相干数字解调，大大地降低了硬件电路的复杂程度，提高了系统的灵活性，能够满足二进制频移键控各种传输协议的要求。

参考资料

邹彦主编《DSP原理及应用》——电子工业出版社，2009.

樊昌信、曹丽娜主编《通信原理》（第六版）——国防工业出版社，2009.

刘卫国主编《MATLAB程序设计与应用》（第二版）——高等教育出版社，2008.

付艳玲、王典洪《基于TMS320C54X的2FSK实现》，2005.

王靖、王焕菊《基于DSP的二进制频移键控(2FSK) 实现方法》，2007.

邱雅、李兵、肖乐《基于DSP的2FSK实现》，2009.

五、心得体会

通过这次课程设计，我也学到了一些东西。反思了自己前面的学习态度和学习情况，进一步端正自己的学习态度；同时这是个整合性比较强的课程，要求各个环节都要做好，因此知道了认真做事，处理好细节，实事求是，严格要求的办事态度；课程的实用性很强，锻炼了我的实际动手能力，能够让我从实践中发现自身问题。我觉得学习是个循序渐进的过程，前面的部分没有学好，没有一个很好的根基的话，后面的学习效果就会大打折扣，所以学习上从最开始就因该有个端正的学习态度，不能马马虎虎。如果是基础不牢靠，就因该及时弥补，亡羊补牢，为时不晚。最可怕的就是发现了自身问题而不去改正，任由缺点放大。所以，在整个课程设计阶段里，虽然还是有很多不懂，但我也知道了很多指令的意思与用法。同时，我坚信一分耕耘一分收获，春天没有播种，到了秋天，就不可能有任何的收获与回报。学习上更是这个道理。不管是DSP这么课程的学习上是这样，在所有课程乃至今后人生道路上我都坚信这个道理。还有就是通过两个星期课程设计，让我明白了科学的思维方法和学习方法是多么重要，只有这样才能够有很高的效率，才能够让自己的工作更完美。也就是说做事不仅要有创意还要有方法，这样才能把事情做得更加完善。总的说来，此次课程设计让我学到了一些平时在课堂上，在书本上学不到的东西，增加了我对知识的运用能力，增强我的动手能力，并且发现了自身的一些不足，为自己今后更进一步的改进和学习打下了一定的基础。