MSP430在微型低功耗數據廣播接收機中的應用

　　一、 引言

　　我們獨立自主開(kāi)發(fā)了數據廣播編碼器和微型低功耗調頻數據廣播接收機，整套系統采用連續相位頻移鍵控（CPFSK）調制方式，副載波頻率為72KHz，占用帶寬約16Khz，數據傳輸速率4.8KHZ。采用CPFSK調制方式使接收機易于實(shí)現，與QPSK的調制方式相比對相位穩定度要求不高，不易受外界溫度噪聲的影響，而且在信號解調處理時(shí)實(shí)現低功耗。

　　由于在發(fā)送端先后進(jìn)行了數據編碼、信道調制、線(xiàn)性調頻，所以接收設備要完成信號逆處理。硬件結構框圖：

　　二、MSP430單片機的特點(diǎn)及在接收機中的應用

　　TI 公司MSP430系列單片機的超低功耗特性（運行在1MHz時(shí)鐘條件下工作電流視工作模式不同為0.1-400uA）、強大的外圍模塊功能、體積小等優(yōu)點(diǎn)適合作為接收機的CPU。MSP430系列中的各成員集成了較多的片上外圍資源，包含：12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，2組頻率可達8MHZ 的時(shí)鐘模塊，2個(gè)帶有大量捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器，看門(mén)狗，2個(gè)可實(shí)現異步、同步及多址訪(fǎng)問(wèn)的串行通信接口，數十個(gè)可實(shí)現方向設置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等。

　　MSP430F123單片機作為CPFSK數據廣播接收機的CPU主要對基帶數據進(jìn)行處理，完成數據鏈路層的工作：

　　三、數字通信中的同步問(wèn)題

　　數據通信中，同步是非常重要的問(wèn)題，通信系統是否可靠、接收靈敏度是否達到標準，很大程度上依賴(lài)于同步技術(shù)的優(yōu)劣。

　　1、同步不確定性的來(lái)源

　　實(shí)際通信系統中，收發(fā)站之間會(huì )由于電波傳播中的多徑效應引起碼相位、載波中心頻率相位的延遲，而且在傳輸信道中隨機噪聲的疊加引起傳輸波形的失真，連接在接收濾波器之后的判決電路也很難保證"無(wú)差錯"的恢復基帶信號。這些都會(huì )導致同步的不穩定性。

　　2、實(shí)現同步的幾種方法

　　按同步功用分類(lèi)可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。

　　按傳輸同步信息的方式可分為外同步法和自同步法。外同步法：是由發(fā)送端發(fā)送專(zhuān)門(mén)的同步信息，接收端把這個(gè)專(zhuān)門(mén)的同步信息檢測出來(lái)作為同步信號。自同步法：發(fā)送端不發(fā)送專(zhuān)門(mén)的同步信息，而是由接收端設法從接收信號中提取同步信息。

　　本接收機的CPU要完成的功能中只涉及到位同步和幀（群）同步，由于不能從硬件解調FSK信號中恢復位同步時(shí)鐘，所以采用自同步的方法來(lái)實(shí)現位同步，以下結合MSP430單片機的特點(diǎn)分析位同步和幀同步的實(shí)現方法。

　　四、位同步

　　由于本接收機接收的碼元速率為4.8KHZ，用CPU捕捉位同步信息，然后進(jìn)行采樣，在配合RS糾錯，即可達到數據準確傳輸的要求。

　?。ㄒ唬?、位同步的方法：

　　方法一、

　　設置接收端恢復出的同步時(shí)鐘的頻率為5倍的碼元頻率，這樣就在一個(gè)碼元周期內，設置了5個(gè)采樣點(diǎn)。位同步可以分為兩個(gè)過(guò)程：捕獲、同步跟蹤。

　　1、捕獲，即找到正確的同步時(shí)鐘起始點(diǎn)。在接收的數據中，只有0、1跳變沿才能為我們提供位同步信息，如果數據長(cháng)時(shí)間為1或為0，這將給接收端恢復位定時(shí)信息造成一定困難。所以發(fā)送端對數字基帶信號進(jìn)行隨機化處理，一方面起到能量擴散的作用，另一方面限制連0碼和連1碼的長(cháng)度，易于位同步的捕獲和同步時(shí)鐘的恢復。

　　捕獲過(guò)程是通過(guò)測量數據流中兩個(gè)跳變沿中間的時(shí)間寬度（W），如果W等于碼元周期，便以第二個(gè)跳變沿為起始時(shí)刻，設置同步時(shí)鐘；如果W不等于碼元周期，則需要重新捕獲。

　　2、同步跟蹤，在接收數據的過(guò)程中，還要保證同步時(shí)鐘的變化跟隨碼元相位或頻率的偏移。同樣，依據數據流中0、1跳變沿來(lái)實(shí)現同步時(shí)鐘的跟蹤。如圖1：如果同步時(shí)鐘與碼元之間沒(méi)有任何偏差時(shí)，數據的跳變沿每次都應出現在第5個(gè)計數時(shí)刻與下一個(gè)計數時(shí)刻之間，這時(shí)把第三個(gè)計數時(shí)刻作為數據采樣時(shí)刻；當同步時(shí)鐘與碼元之間有偏差時(shí)，數據跳變沿不能準確的落在第5個(gè)與下一個(gè)計數時(shí)刻之間，如果數據跳變沿出現在第4 與第5個(gè)計數時(shí)刻之間，說(shuō)明同步時(shí)鐘相對于碼元相位滯后，為保證每次采樣時(shí)刻在碼元的中心位置，就要把采樣點(diǎn)提前至第2個(gè)計數時(shí)刻；相反，如果數據跳變沿出現在第1與第2個(gè)計數時(shí)刻之間，說(shuō)明同步時(shí)鐘相對于碼元相位超前，就要把采樣點(diǎn)錯后至第4個(gè)計數時(shí)刻。這樣不斷調整采樣點(diǎn)，使每次此采樣時(shí)刻均位于碼元中心位置，跟隨其變化。

　　方法二、

　　根據MSP430單片機硬件特點(diǎn)，我們對上述同步方法進(jìn)行了優(yōu)化，并達到了良好的同步跟蹤效果。

　　設置接收端恢復出的同步時(shí)鐘的頻率等于碼元頻率。每一個(gè)計數中點(diǎn)均為采樣時(shí)刻。與5倍時(shí)鐘法相同，它也需要捕獲和同步跟蹤兩個(gè)步驟。捕獲的過(guò)程與上述的方法相同。同步跟蹤，可以使采樣時(shí)刻基本穩定在碼元中心位置。如果同步時(shí)鐘不跟隨碼元相位的變化進(jìn)行調整，則采樣點(diǎn)必然相對于碼元滑動(dòng)，當向前或向后偏移半個(gè)碼元周期時(shí)，采樣值就出現錯誤。如圖2，恢復出的同步時(shí)鐘與碼元同步時(shí)，數據跳變沿的發(fā)生時(shí)刻與前一采樣時(shí)刻的距離（D）等于二分之一碼元寬度（M）。在同步時(shí)鐘與碼元相對偏移時(shí)，則有D≠M，若D>M，同步時(shí)鐘超前，就要將下一采樣時(shí)刻滯后；若DM，同步時(shí)鐘超前，就要將下一采樣時(shí)刻提前。在接收過(guò)程中，同步跟蹤就是根據D與M的關(guān)系不斷調整。

　?。ǘ?、方法二的具體實(shí)現

　　MSP430單片機的Timer_A可支持同時(shí)進(jìn)行的多種時(shí)序控制、多個(gè)捕獲/比較功能、各模塊獨立編程，中斷可以由計數器溢出引起，也可以來(lái)自捕獲外部信號的跳變沿。

　　MC1 和MC0選擇計數器工作模式，MC1=0、MC0=1時(shí)定時(shí)器增計數至比較寄存器CCR0的值就會(huì )產(chǎn)生中斷，用這種模式可以產(chǎn)生固定頻率的中斷信號作為同步時(shí)鐘。當增大或減小寄存器CCR0的值時(shí)，即可改變定時(shí)的時(shí)間間隔，從而調整同步時(shí)鐘的頻率。由于定時(shí)計數器的調整精度為一個(gè)時(shí)鐘周期 1/4.3ms（外部時(shí)鐘晶振4.3MHz），所以可以產(chǎn)生頻率精確的同步時(shí)鐘。

　　捕獲模式用于確定事件發(fā)生的時(shí)刻，可用于速度計算或時(shí)間測量等場(chǎng)合。如果在選定的輸入引腳（如圖P1.2）上發(fā)生選定的脈沖觸發(fā)沿（上升沿、下降沿、任意跳變），則定時(shí)器的計數值被復制到捕獲寄存器CCR1中，并產(chǎn)生中斷。因此，讀出CCR1中的值就可以記錄跳變沿發(fā)生的時(shí)刻，根據跳變沿發(fā)生時(shí)刻與前一采樣點(diǎn)比較的結果，調整同步時(shí)鐘，超前或滯后，重新預置CCR0。

　　從表中看出同步時(shí)鐘的采樣點(diǎn)逐漸收斂在碼元中心位置，并且-在以后的接收過(guò)程中，實(shí)現跟蹤。

　　（三）、小結

　　由于采樣時(shí)鐘恢復和同步捕捉跟蹤都需要響應中斷服務(wù)程序，占用CPU開(kāi)銷(xiāo)。而CPU 的主要工作是進(jìn)行每幀數據的解碼和發(fā)送。如果使用第一種同步方法，時(shí)鐘頻率4.8K*5，CPU時(shí)鐘為4.3MHz，即程序每運行41.6us、約20條程序語(yǔ)句就要響應一次定時(shí)器中斷服務(wù)程序，增大了運算量。如果提高CPU的工作頻率，會(huì )增大電流的消耗。所以在達到相同的采樣效果時(shí)，使用第二種同步方法。同理，為節約CPU開(kāi)銷(xiāo)，并不需要捕捉每個(gè)數據跳變沿進(jìn)行同步跟蹤，實(shí)驗證明每8比特數據捕捉一次跳變沿調整采樣時(shí)鐘，即可實(shí)現良好的同步跟蹤。

　　五、幀同步

　　在數字信息傳輸中，幀同步信號是一些特定的碼組，這種幀同步碼組通常是在某段時(shí)間集中插入信息碼流?？紤]到時(shí)間位置的確定，要在建立了各碼元的正確時(shí)間關(guān)系后才有能實(shí)現，所以幀同步一般是在位同步的基礎上實(shí)現。

　?。ㄒ唬?、對幀同步系統的要求

1、 幀同步的捕捉（同步建立）時(shí)間要短，
2、 在一定的同步引入時(shí)間要求下，幀同步信號占用的碼組長(cháng)度應越短越好。
3、 同步系統的工作要穩定可靠，一旦建立同步狀態(tài)后，系統不應因信道的正常誤碼而失步，即幀同步系統應具有一定的抗干擾能力，能識別假失步和避免偽同步。

　　數字信號在傳輸過(guò)程中總會(huì )出現誤碼而影響同步。一種是由信道噪聲等原因引起的隨機誤碼。此類(lèi)誤碼造成幀同步碼的丟失往往是一種假失步現象。因此，一般規定幀同步信號丟失的時(shí)間超過(guò)一定限度時(shí)，才宣布幀同步態(tài)丟失，然后開(kāi)始新的同步搜索（捕捉態(tài)）。這段時(shí)間稱(chēng)作前方保護時(shí)間。然而，無(wú)論選用何種幀同步碼型，信息碼流中都有可能出現與幀同步碼圖案相同的碼組，即偽同步碼。所以也不能一經(jīng)發(fā)現符合幀同步碼組的信號就進(jìn)入同步態(tài)。只有當幀同步信號連續來(lái)了幾幀或一段時(shí)間后，同步系統才可發(fā)出指令進(jìn)入同步態(tài)，這段時(shí)間成為后方保護時(shí)間。

　　(二)、幀同步的實(shí)現

　　本接收機使用集中插入特殊碼元的幀同步方法，集中插入就是把特殊的幀同步碼組集中插在一幀的特定位置（一般是一幀的開(kāi)始）。接收機一旦檢測到這個(gè)特定碼組就確定了幀的起始位置，從而獲得幀同步。此種方法可以迅速糾正幀失步，即一旦幀失步，只要在下一幀同步碼就能恢復幀同步。

　　本接收機收到的數據幀格式為：

　　每192個(gè)信息字節加上2字節的幀同步碼組成一幀數據（如圖）。選用的幀同步碼為0x19D7。

　　接收端采用幀同步碼的滑動(dòng)法來(lái)恢復幀同步信號。其實(shí)現方法為：在單片機里設置16bit移位寄存器、前后方保護計數器來(lái)完成前方保護時(shí)間和后方保護時(shí)間的計數，和幀同步狀態(tài)位SFLAG，標志系統的同步狀態(tài)。

　　當數據流進(jìn)入移位寄存器，與幀同步碼（0x19d7）相比較，如果不同則移位寄存器高位移出低位移入下一比特再進(jìn)行比較，同步系統從不斷接收輸入的數據流中捕獲到0x19d7碼組，相當于第N幀有同步碼，置SFLAG=1，后方保護時(shí)間計數器開(kāi)始，如果經(jīng)過(guò)192byte信息碼在第N+1幀處檢出同步碼，后方保護時(shí)間計數器加1，應在第N+2幀再一次檢出同步碼，后方保護時(shí)間計數器加1，系統進(jìn)入幀同步狀態(tài)，進(jìn)行數據定時(shí)接收。如果在第N+1幀處不能檢出同步碼或在第N+1幀處檢出同步碼而在第N+2幀處不能檢出同步碼，同步系統都要重新進(jìn)入捕獲狀態(tài)。當系統處于同步狀態(tài)即SFLAG=1時(shí)，檢測出錯誤的幀同步碼，則打開(kāi)前方保護時(shí)間計數器，如果連續丟失4（或5）個(gè)幀同步碼，計數器計滿(mǎn)，清SFLAG=0，標志系統進(jìn)入捕捉狀態(tài)并停止數據定時(shí)接收。

　　在本接收機MSP430的程序中將前方保護時(shí)間計數器和后方保護時(shí)間計數器簡(jiǎn)化為一個(gè)時(shí)間計數器，即SCOUNT。SCOUNT的初始值為0，每接收到一個(gè)正確的幀同步碼，SCOUNT加1，當連續接收到三個(gè)正確的幀同步碼時(shí)（SCOUNT=3）進(jìn)入同步狀態(tài)SFLAG=1，如果在同步狀態(tài)中 SCOUNT="4時(shí)"，再檢測到正確的幀同步碼SCOUNT不再加1，也就是說(shuō)SCOUNT的最大值為4；當檢測到一個(gè)錯誤的幀同步碼，SCOUNT減1，如果出現連續4個(gè)錯誤的幀同步碼，SCOUNT減為0，則從同步狀態(tài)進(jìn)入捕獲狀態(tài)。

　　六、數據鏈路層

　　MSP430單片機進(jìn)行位同步、幀同步后，將定時(shí)接收的數據經(jīng)過(guò)以下處理經(jīng)串口輸出。

　　1、去擾

　　偽隨機序列發(fā)生器的生成多項式為,每幀同步字后進(jìn)行一次初始化, 加擾不包括幀同步字，數據由偽隨機序列加擾,可破壞數據中的連零,有利于解碼器位同步的鎖定,并分散數據信號的能量分布,使對主信號的干擾呈類(lèi)似白噪音的背景噪音,提高多工數據對主信道干擾的主觀(guān)評價(jià)得分。

　　2、去交織和糾錯碼

　　每一子幀用縮短R-S（48，32）編碼,可糾8個(gè)符號(64Bit)的隨機錯誤。再進(jìn)行卷積交織,這樣數據系統能糾正長(cháng)達384Bit突發(fā)性誤碼。這樣對4.8Kbps 的抗突發(fā)性干擾時(shí)間分別為80ms 。

　　3、校驗

　　采用CCITT-16校驗碼,可檢出超出糾錯范圍而造成的誤碼,在每一子幀內驗出所有≦16位的錯誤,可檢出99.998%的17位突發(fā)性錯誤，99.997%的18位和大于18位的突發(fā)性錯誤，可以滿(mǎn)足大多數信息及計算機通信的要求。涉及金融數據及對數據有嚴格要求的信息,用戶(hù)可另加其它校驗。

　　4、 輸出數據幀形成

　　接收機根據自身的權限對于不同的業(yè)務(wù)數據，形成不同的輸出幀格式進(jìn)行數據輸出。

　　七、測試結果

　　通過(guò)實(shí)際播出測試驗證，微型低功耗CPFSK數據廣播接收機的總體設計是成功的，實(shí)現了預期的設計目標，特別是較強的信道糾錯編碼極大地改善了接收能力。

　　2002年8月在北京月壇發(fā)射塔，發(fā)射頻率為91.5MHz調頻發(fā)射機上進(jìn)行播出測試，分別使用信息0-信息7傳輸電子文本數據，實(shí)現用戶(hù)的有條件接收；2002年9月使用透明頁(yè)格式來(lái)傳輸差分GPS的改正數據，鏈路測試成功；該系統即將用在電子車(chē)站牌、路燈控制系統中。