基于DSP的Manchester編譯碼系統設計

摘要：介紹基于TI公司C6000 DSP的Manchester編譯碼器定點(diǎn)實(shí)現的設計過(guò)程，主要內容包括Manchester編碼器、信號調制、碼元同步、信道均衡、匹配濾波、信號解調、判決譯碼等。同時(shí)介紹了CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境以及編譯結果。系統要求誤碼率不超過(guò)1E-8。
關(guān)鍵詞：曼徹斯特編碼；匹配濾波；均衡；碼元同步；判決譯碼；誤碼率

引言
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信芯片技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的便攜式或電池供電的無(wú)線(xiàn)傳輸設備進(jìn)入人們日常生活，如遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)(REK)系統、汽車(chē)輪胎壓力監視系統(TPMS)、無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統、藍牙技術(shù)等。這種小功率無(wú)線(xiàn)傳輸系統的關(guān)鍵技術(shù)是在低電流消耗和信道干擾較強的情況下實(shí)現數據穩定可靠的傳輸。曼徹斯特碼由于其特殊的性能，被廣泛應用于小功率無(wú)線(xiàn)傳輸系統中。曼徹斯特編碼是串行數據傳輸的一種重要的編碼方式。曼徹斯特編碼最大的優(yōu)點(diǎn)是：數據和同步時(shí)鐘統一編碼，曼徹斯特碼中含有豐富的時(shí)鐘信號，直流分量基本為零，接收器能夠較容易地恢復同步時(shí)鐘，并同步解調出數據，具有很好的抗干擾性能，這使它更適合于信道傳輸。

1 曼徹斯特編碼原理
用于數字基帶傳輸的碼型種類(lèi)較多，Manchester碼是其中常用的一種。Manchester碼是一種用跳變沿(而非電平)來(lái)表示要傳輸的二進(jìn)制信息(0或1)，一般規定在位元中間用下跳變表示“1”，用上跳變表示“0”。其編碼規則如表1所列。

2 數字基帶信號處理框架概述
本文所設計的通信信號處理可以分為編碼、同步、二元信號的信道傳輸預處理、自適應信道均衡、幀同步檢測、匹配濾波、分數時(shí)延濾波、判決譯碼等過(guò)程。系統流程如圖1所示。

在數字通信中，總是需要先將模擬信號數字化，也就是抽樣、量化和編碼三步曲。
2．1 同步
在本設計中，假定一個(gè)8位的同步頭為HeadSyn，在ParameterSet中初始化為10110001，同步頭的長(cháng)度越長(cháng)越好，但是執行的速度也就越慢。理論上來(lái)說(shuō)，在對Manchester碼加同步頭時(shí)，同步頭最好為全1，而不是巴克碼。從實(shí)際仿真檢測效果來(lái)看，該同步處理同樣做到了很低的誤碼率。
2．2 二元信號調制
對于已經(jīng)添加了同步頭的編碼信號，為了讓其能通過(guò)下一步的上變頻，從而在信道中傳輸，則需要進(jìn)行成型濾波。
本設計中，首先確立了4倍過(guò)采樣率(OverSampleRate)，通過(guò)MatIab擬合了一個(gè)21階的成型濾波器，對于一個(gè)N長(cháng)度的編碼信號，相當于算法循環(huán)N次，成型濾波值每隔4位賦予調制信號Signal，然后對應位相加，得到一個(gè)長(cháng)度為N×OverSampleRate+FilterOrder-1的適合于信道傳輸的數字調制信號。這個(gè)結果可以用仿真軟件之后觀(guān)察到。
二元信號調制流程如圖2所示。

2．3 信道傳輸處理
由于信號傳輸過(guò)程中，會(huì )經(jīng)過(guò)信道雜波干擾，同時(shí)還有傳輸噪聲影響，因此直接通過(guò)信道出來(lái)的波形必然有不同程度的失真，還會(huì )有各種諧波干擾，信道均衡在此顯得尤為重要。本設計中采用的是時(shí)域橫向FIR濾波器(自適應LMS算法)來(lái)進(jìn)行信道均衡，并且由于信道均衡自帶分數時(shí)延的效果，同步檢測步驟后的分數時(shí)延濾波器也可以省略掉，當然保留也并無(wú)影響。
系統仿真所加噪聲為白噪聲信號。
均衡器得到的波形將一直與輸入信號進(jìn)行循環(huán)比較，但是由于同步信號已知，而其后波形是未知的，因此僅僅根據同步頭位數確定循環(huán)比較次數。只要同步信號相等，即可大致認為整個(gè)信號已均衡處理完畢。(因此同步頭長(cháng)度越長(cháng)，均衡效果越好。)
2．4 幀同步檢測
由于接收到的信號含有同步信息，但是同步頭的位置又不明確，所以在解調前，必須首先判斷同步信息位置，這就需用到自相關(guān)函數波峰。幀同步頭檢測流程圖如圖3所示。

2．5 匹配濾波
由前面的幀同步頭檢測步驟，已經(jīng)得到同步頭之后的碼元所在位置，但是由于信道傳輸過(guò)程中將引入大量噪聲以及無(wú)用信息，故想要獲得最大結果，必須通過(guò)匹配濾波器處理。從本質(zhì)上來(lái)講，就是二次成型濾波，也就是FIR濾波。當有了同步之后碼元匹配濾波的極值點(diǎn)信息，再由同步處理部分得到的距離最佳采樣點(diǎn)最近的前一個(gè)整數位置信息，就可以得出delay的延遲信息。
2．6 分數時(shí)延濾波
由于銳化之后波形的極值點(diǎn)，可能并非實(shí)際中的采樣點(diǎn)，這樣就需要通過(guò)分數時(shí)延濾波器處理后，對極值進(jìn)行估計。這樣，就可以更準確地進(jìn)行下一步的判決譯碼。
如果定義為有限長(cháng)時(shí)延濾波器DelayFilter的時(shí)域信號，其近似對應的頻域變換為H(jw)=e-jwD，其中D為同步處理后的返回值delay數值與距離最佳采樣點(diǎn)最近的前一個(gè)整數位置長(cháng)度之差，也就是delay數值的小數部分，式中ak，n為在ParameterSet部分中聲明的Del ayFilter二元矩陣。
所以，一旦同步處理結束后，知道了D值就能得到該頻域響應下的時(shí)域信號，有了時(shí)域信號之后，再對同步頭之后一個(gè)碼元周?chē)鞑逯禐V波，便可得到最佳采樣點(diǎn)幅值。
2．7 判決譯碼
在本設計中，對于經(jīng)過(guò)上述處理后得到的極值(附近的2～3個(gè)數值與極值信息相同)，如果大于0，則為高電平，如果小于0，則為低電平，并且同時(shí)進(jìn)行解碼，實(shí)現曼徹斯特編碼的逆反過(guò)程。在程序中表現為：如果檢測到高電平，表示下一位肯定是低電平，所以對應的解碼位就是“1”；如果檢測到低電平，表示下一位肯定是高電平，所以對應的解碼位就是“0”。

3 CCS環(huán)境以及仿真結果
CCS是一款集成性DSP軟件開(kāi)發(fā)工具，其有軟件和硬件仿真兩種模式，．cmd文件主要是用來(lái)分配處理器的ROM和RAM空間的。它告訴鏈接程序怎樣計算地址和分配空間。所以不同的芯片就有不同大小的ROM和RAM，存放用戶(hù)程序的地方也不盡相同。所以要根據芯片進(jìn)行修改。 .cmd文件分兩部分：MEMORY和SECTIONS。
圖4為code碼元在CCS下的仿真波形。

圖5為code_在CCS下的仿真波形。
從圖中看出，code為10001101011……，code_為10001101011……?？梢杂^(guān)察出編碼code與解碼code_是相同的，符合誤碼率要求。
code_manch波形如圖6所示。

另外，code_manch前8位代表同步頭，第9位開(kāi)始是編碼信號，為10110001100101010……第9位開(kāi)始的10對應code中的1，01對應0。