TMS320C203在高性價比、低功耗短波數字化接收機中的應用

摘要：數字信號處理技術應用于短波通信領域已成為趨勢，TI公司在90年代中后期推出了TMS320C2XX系列的DSP芯片，從而使便攜式戰術接收機數字化成為可能。本文介紹了一種高性能、低功耗的TMS320C203 DSP芯片的結構組成以及實現戰術接收機數字化改造的軟、硬件方案，并成功地研制了樣機。

關鍵詞：短波通信 戰術接收機 數字信號處理 TMS320C203

1 引言

在短波通信領域，短波數字化接收機以其強大的優勢正逐步取代傳統的模擬接收機，它采用先進的DSP技術和高精度A/D電路來完成對中頻信號的濾、邊帶分離、放大、解調、AGC控制等功能。與傳統的模擬機相比，短波數字化接收機的濾波性能、群時延、邊帶隔離度、AGC線性度及解調靈活性、整機可靠性、抗干擾性等均有顯著提高。因此，國內短波接收機的制造廠家均相繼推出中、高檔的數字化接收機。然而，受成本、功耗、體積、性能等方面的限制，目前在短波通信領域廣泛使用的便攜式戰術接收機尚無數字化的替代產品。TI公司在90年代中后期推出了高性能、低功耗、低價位的C2XX系列DSP芯片，從而使便攜式戰術接收機的數字化成為可能。本文介紹的就是用TI公司的TMS320C203來完成戰術接收機數字化改造的解決方案。

2 TMS320C203芯片介紹

該戰術接收機中使用了16位定點、40MIPS的TMS320C203DSP，這種DSP產品價格低廉，因而具有較高的性能價格比。該系列芯片是基于C5X系列的結構而設計的，因而大大節省了功耗和芯片體積。

C2XX系列DSP芯片采用改進的哈佛結構，這種結構的程序存儲器和數據存儲器的內部總線是分開的。各型號具有相同的CPU和總線結構。其CPU包括:32-bit算術邏輯單元CALL、32-bit累加器、16×16bit并行乘法器、32-bit乘積結果、3個定標器和8個16-bit輔助寄存器，且帶有數據空間間接尋址用的專用算術單元；

程序控制部分提供了指令執行的4級流水結構，8級硬件堆棧和用戶禁止中斷線。程序控制部分的指令包括有指令操作、單周期乘法/累加指令、存儲器塊推移指令和檢索尋址等。

C2XX系列的最大尋址空間為224kB，其中程序空間、數據空間和I/O空間各占64kB，全局空間占32kB(主要用于程序和數據引導)。在C203中具有544B的雙訪RAM（在一個指令周期內可以被訪問兩次，但至多允許一次寫操作）可以分為B0、B1和B2三塊。B0塊長256B，被配置為片內程序/片內數據空間；B1塊長256B，只能配置在數據空間（可間接尋址和頁尋址，不能直接尋址）；長32B的B2塊只能配置于數據空間（地址為60H～7FH），可直接尋址）。

C203中具有一個片內16bit定時器，可用于程序、數據和I/O空間的軟件可編程等待狀態發生器（0～7個等待狀態），以及時鐘選擇的片內振蕩器和鎖相環。為提高系統運行的穩定性，一般都使用鎖相環方式。

C203提供的42個通用中斷包括RS、INT1、INT2及不可屏中斷NMI。RS為中斷0，用于上電復位時將程序和數據從ROM中引導入RAM，INT1和INT2雖然各有引出腳等外設連接，但它們共用同一個中斷向量。在C203內部還集成有一個同步串行口和一個異步串行口。

與C50相比，C203也具有自己的一些缺點：

（2）不能自動保護現場而必須由用戶自己缺點：

（2）無桶形移位寄存器，濾波時不能對程序空間中的濾波器系數自動地實現尋址的首尾銜接；

（3）不能提供指令塊重復執行功能。

以上這些特點決定了C203指令的執行效率要低于C50。

3 DSP處理模塊硬件方案

戰術接收機DSP處理模塊的硬件組成如圖1所示。25kHz中頻信號首先由軌對軌運放TLC2272進行低通放大，然后經過8階巴特沃思型開關電容濾波器MAX295的抗混疊濾波，再經匝數比為1：1.8的變壓器完成單雙極轉換后送往A/D轉換器。圖1中的A/D轉換器為16位精度、并行輸出的AD976A（最大功耗為100mW），其允許的最大采樣率為200kSPS，對輸入模擬電壓的轉換時間為4μs。重建濾波器采用MAX295，它輸出的模擬信號一路是AGC電壓，用以控制DSP板以前的放大器的增益；另一路為音頻信號。選用的D/A轉換器是12位精度的并口AD8582（最大功耗僅10mW）。

由于該電路相對比較簡單，因而控制電路和時鐘產生電路均采用74系列的CMOS芯片。EPROM27C256中存放有程序、4kB的正弦表和4kB的反正弦表以及各種濾波器系數。X25043為低電平復位的具有電壓監控功能的E2PROM，該器件內部同時還集成了可編程看門狗定時器。X25043及其附屬電路主要用于完成以下兩個功能；

(1)系統上電復位時，將程序和數據從27C256引導至RAM中，平常則監控DSP的工作電壓。

（2）存放校準濾波系數。校準時，該濾波器系數從X25043中調到DSP的雙訪RAM中，以準備進行校準濾波。

DSP與主機的通信接口如圖2所示。由于成本、功耗和電路板面積的限制，電路中沒有使用雙端口RAM，而是采用兩74HC574來形成與主機通信的雙向通路。采樣數據的接收采用中斷方式，實際占用的是中斷口2。而DSP則利用中斷口1來接收主機所需發送的命令。

4 軟件方案

TMS320C203以中斷方式1接收主機命令，由于主機的中斷口均已被占用，因而其指令執行速度也遠遠慢于DSP。因此，主機采用查詢方式接收DSP的返回信息（并口）。此時74HC574只相當于一級的緩沖，在下次寫脈沖到來以前，其中的信息必須被取走，另外，還應當保證信息的保存時間不超過20μs，其命令發送格式如圖3所示。

由于每次命令發送中都包含多個命令。且每一個命令字都包括一個信頭標識和多個信元（總長最多為4字節），因此接收命令的中斷服務程序中設立了5單元的接收緩沖區和30單元的命令放置區。命令字的信頭標識具有兩個作用：

（1）以信頭標識為偏址的命令字長度表為參照得出該命令令字長度。

（2）若DSP已收完該命令字，則將接收緩沖區中的各字節按含義拼裝為字，并以信頭標識為偏址，命令放置區首址為基礎存入到命令放置區。

為確保命令傳送的可靠性，該系統采用部分反饋重傳的機制，即讓DSP將工作方式字和解調方式字等重要命令回傳給主機，主機再將其與最近發送的對應字進行比較，若有差別，則認為出錯并重發。當然，在通信程序中還應包含其它的容錯處理。

接收A/D采樣數據采用中斷2，由于要進行降5的抽取，因此，中斷服務程序要對接收的數據個數計數，以在各解調程序中判斷是否已收到5個采樣數據。若是，則作解調處理，否則等待。解調程序運行一周所需的時間必須少于50μs，以便對下次收到的5個采樣數據進行及時地處理。圖4為簡化的主程序流程示意圖。

5 結束語

采用本文所介紹的解決方案，筆者成功地完成了對短波數字化戰術接收機的研制。在研制過程中，由于所選的廉價DSP芯片不能全面運行，而且片內資源較小，因此筆者經過多次努力壓縮運算量，解決了低噪聲過大所造成的性能不高的問題。目前，該樣機在靈敏度、動態范圍、群時延、音頻響應以及大信號信噪比等諸多關鍵指標上均優于同類的模擬機，而且體積減少了二分之一，重量減輕了三分之一，整機功耗被控制在5.5W。該樣機已通過用戶驗收并以其性能好、功耗低、體積小、重量輕、便于野外作用而得到用戶的好評，從而全面完成了對短波接收機系列化的數字化改造。