TMS320C54x在擴頻通信系統中的應用

摘要：采用TMS320C54x芯片實現擴頻通信系統中的核心進程――擴頻編碼與調制。該方案具有參數修改方便、簡單易行，可根據實際信道要求迅速調整擴頻增益和調制頻率的優點。

關鍵詞：DSP 擴頻通信 卷積碼 m序列

引言

TMS320C54x(簡稱'C54x)是TI公司于1996年推出的一種定點數字信號處理器。它采用先進的改進型哈佛結構，片內有8條總線、CPU、在片存儲器和在片外圍電路等硬件。它具高度專業化的指令系統，能夠迅速地完成累加、乘積等運算功能。它具有功耗小、高度并行等優點，已被廣泛應用于通信等眾多領域。

本方案與常規的擴頻實現方式相比，常規的擴頻實現方式是用硬件來構造擴頻通信系統，具有結構不靈活，調試不方便等不足之處。本方案充分發揮'C54x的強大功能，把直接序列（direct sequence）擴頻通信中的m序列擴頻和卷積編碼等核心進程用軟件予以實現；把擴頻通信的核心算法用一片TMS320C54x芯片集成。它能夠根據實際運用場合和傳輸信道的特征靈活更改參數，能最大限度地利用和發揮DSP芯片的優勢，滿足了高速數字通信系統中實時處理的要求，不但大大簡化了系統設計，而且縮短了設計周期。

一、擴頻通信

擴展頻譜通信（spread spectrum communication），簡稱“擴頻通信"，是一種信息傳輸方式。其特點為：傳輸信號帶寬遠遠大于發送出去的數字信息帶寬。利用擴頻技術，系統頻率利用率比頻分系統要高。

擴頻技術是以仙農（shannon）公式作為理論基礎而發展的。

仙農公式：C=W log2(1+P/N)

根據該公式可導出：在保持信息傳輸速度C不變的情況下，可以用不同頻帶寬度W和信噪功率比P/N來傳輸信息；如果增加頻帶寬度W，就可以在較低的信噪比P/N的情況下來傳輸信息，甚至在信號被噪聲湮沒的情況下，只要相應地增加信號帶寬，也能保證可靠地通信。

按照擴展頻譜的方式不同，現有的擴頻通信基本方式分為：直序列（direct sequence）擴頻、跳頻（frequency hopping）、跳時（time hopping）、線性調頻（chirp）以及上述幾種方式的組合。

擴頻通信的一般原理如圖1所示。

在發端輸入的信息先經信息調制形成數字信號，然后由擴頻碼發生器產生的擴頻碼序列去調制數字信號以展寬信號的頻譜。展寬后的信號調制到射頻發射出去。接收端則采用與發射端同步的代碼進行相關檢波，把被展寬有用頻譜收集起來，所形成的信息碼送給后端進行解碼。

二、擴頻信號的產生

結合考慮系統帶寬、通信速率和研究的通用性以及實現的復雜性等因素，本方案確定采用直接序列擴頻方法。該方法的原理框圖如圖2所示。

數據經過卷積碼編碼后，與偽隨機序列發生器產生的擴頻碼序列進行模2加，產生的碼序列通過調制器轉換產生比數字信息的頻譜寬得多的調制信號。系統中最重要的兩個流程是編碼器和偽隨機序列發生器。本文采用TMS320C54x來實現這兩個核心流程。

1.編碼器

卷積碼被廣泛用于無線通信中的差錯控制編碼中，它的解碼端可采用成熟的Viterbi解碼算法。'54x芯片能夠快速地執行算法所需的加一比一選操作（ACS指令）。實踐證明采用卷積編碼是一個良好的方法。

本方案中采用（2，1，5）的編碼方案，相應的編碼多項式為：

G1（D）=1+D3+D4 G2（D）=1+D+D3+D4

用TMS320C54x實現的程序片段如下：

start:STM #a0,AR1

RPT #4

MVPD table,*AR1+

STM #yn1_coef,AR1

RPT #4

MVPD table+5,*AR1+

STM #yn2_coef,AR1

RPT #4

MVPD table+10,*AR1

STM #a0,AR3

STM #yn1_coef,AR4

STM #yn2_coef,AR5

STM #5,BK

STM #1,AR0

LD #x,DP

PORTR PA1,*AR3 ；讀入數字信息

CON：PRTZ A，#4

MAC *AR3+0%，*AR4+0%，A；

AND #1h，A

STH A，@yn1

PORTW @yn1,PA0 ;輸出編碼信息

RPTZ A，#4

MAC *AR3+0%，*AR5+0%，A

AND #1h，A

STH A，@yn2

PORTW @yn2,PA0 ；輸出編碼信息

BD CON

PORTR PA1，*AR3+0%

2.偽隨機噪聲序列產生器

最長線性反饋移位寄存器序列簡稱m序列，是一種最常用的偽隨機序列。其序列長度為L=2n-1位，具有良好自相關性。一般由帶有線性反饋的m階線性移位寄存器產生。本研究利用DSP芯片特有的移位指令，代替原有的復雜電路，具有方便、簡潔的優點。

這里實現的m序列發生器的本原多項式為x14+x10+x6+x+1，序列周期可達到32767位。

用TMS320C54x實現的程序片段如下：

strat:SSBX FRCT

STM #xn,AR1

ST #1,*AR1

RPT #12

ST #0,*AR1+

STM #a0,AR2

RPT #13

MVPD table,*AR2+

STM #14,BK

STM #xn,AR3

STM #a0,AR4

STM #1,AR0

LOOP:PORTW *AR3,PA0 ;輸出PN碼值

PRTZ A，#13

MAC *AR3+0%,*AR4+0%,A

AND #1,A

STL A,*AR3+0%

B LOOP

總結

該項目的優點在于它充分利用了TMS320C54x芯片優越的并行處理功能，在一片芯片上實現了卷積編碼、頻譜展寬以及多進制調制的整個過程。由于它采用軟件實現，可以利用現有的成熟算法，如解碼端采用維特比算法 ，因而最大限度地發揮了軟件實現的優勢。該方法被應用于水聲信道的數據傳輸上。仿真實驗證明是行之有效的。它可根據信道特征靈活修改參數、改變擴頻增益、滿足實際需求，縮短了整個開發周期。