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Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateDSP系统课程设计-宏(精)DSP系统课程设计_宏_图文_百度文库DSP系统课程设计题目：2FSK调制解调系统设计班 级：姓 名：学 号：指导老师：日 期：2010年5月31日成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告目 录引言 .- 1 -一、设计目的和任务 .- 2 -二、设计内容与要求 .- 2 -三、设计方案 .- 3 -3.1、系统整体的结构图 .- 3 -3.2、2FSK工作原理.- 3 -3.2.1、2FSK调制 .- 4 -3.2.2、2FSK解调 .- 4 -3.3、硬件原理图 .- 6 -四、系统实现 . - 13 -4.1、硬件部分 . - 13 -4.2、软件部分 . - 13 -4.2.1、2FSK调制程序 . - 13 -4.2.2、2FSK解调程序 . - 16 -4.3、结语 . - 22 -五、心得体会 . - 23 -I成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告摘要：二进制频移键控(2FSK)是数字信号传输中一种数字调制解调方式，广泛应用在跳频通信系统中的数字调制解调，本文提出的采用TMS320C54X系列DSP芯片实现2FSK，利用DSP的高性能，对数字信号进行查表法的调制以及非相干方式的解调。由于它采用软件实现，并最大限度地发挥了DSP的软件实现优势，因此数字化的实现十分灵活。需要升级时，可根据实际需求修改程序即可，不用修改硬件电路。本文所研究的内容适应当前科学技术的发展与更新，具有一定的实用价值。本文所提出的实现数字化调制，同步和解调的方法，仍然是当前通信领域中先进的技术，具有一定的理论和实践意义；在本研究中开发的DSP目标板可为实验的后续研究提供实用的研究平台。关键词：2FSK；调制解调；DSP；非相干解调引言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。- 1 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告一、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、CCS2.2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CCS2.2开发环境的使用方法。3.DSP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。4.DSP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。5.2FSK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。6.FIR滤波器计算FIR实现所需的参数。7.FIR滤波器实现编写FIR滤波器实现的DSP程序。8.2FSK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。分析系统设计仿真结果，结合相关知识，写出不低于15页的课程设计报告。- 2 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告三、设计方案3.1、系统整体的结构图图.1系统整体结构题3.2、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f1和f2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f1，符号0对应于载波频率f2，则二进制频移键控信号的时域表达式：S2FSK=ang(t-nTb)cos(1t)+ang(t-nTb)cos(2t) （1）nn-00发送概率为P（1）式中，an= ,g(t)=1发送概率为1-P1其他0tTb-,1=2f1,2=2f2，an是an的反码，Tb为码元持续时间，通常情况下，g(t)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 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告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0,2上以2/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F0和F1的取样间隔分别为：i0=N*F/Fs=12*16/192=1,发送数据“0”时0 （2） i1=N*F/Fs=12*32/192=2,发送数据“1”时1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- 4 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告针对小型通信系统，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4.2FSK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S(n)经延时器延迟k个采样点得到S(n-k)。k要小于每个二进制码元周期内的采样点数，使得S(n)和S(n-k)是属于同一个二进制码元的采样值。S(n)和S(n-k)相乘后的输出样值：h(n)2sin(2FnTs)sin2F(n-k)Ts（3） V(n)=S(n)S(n-k)=A=A22cos(2FkTs)-cos(4FnTs-2FkTs)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=0.00018497，h1=0.26316，h2=0.19272，h3= 0.22079，通过该低通滤波器后得到：A2cos(2FkTs),发送数据“0”20A2U(n)=cos(2FkTs)=2 2Acos(2FkTs),发送数据“1”12（4）k的选择是设计解调器的关键，应使差值：d(k)=|cos(2F0kTs)-cos(2F1kTs)|（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)。- 5 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告系统12个采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：3.3、硬件原理图音频接口原理图图5.判决算法流程图- 6 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告9pF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U104uF/16V图7.电源- 7 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告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 15V、5V、3.3V、1.8V图8.寄存器原理图寄存器原理图电源，并设置了地线。外部存储器，用于接收存储数据。DSP原理图- 8 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告本系统采用TMS320VC5402PGE100 DSP芯片，该芯片有142个管脚。芯片的电源电压有3.3V与1.8V两种，其中3.3V电压供I/O接口用，2.5V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- 9 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告图10.EPM原理图AD与DA转换原理图- 10 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告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U_DSP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。- 11 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告 PCB布线图图13.PCB完整布线图加载网络表后，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。- 12 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告四、系统实现4.1、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。4.2、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0,2上以2/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：- 13 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告- 14 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告- 15 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告调制仿真波形如图：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15.FIR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0.8。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0.8，阶数为90的低通滤波器频率特性图。- 16 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告图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 0.8 0.8 1; m = 1 1 0 0; b = fir2(7,f,m); b = b*32768; freqz(b,512,1000)图17.滤波器系数- 17 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告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0.8，采用的循环缓冲区法设计，经CCS仿真后得方波信号。- 18 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告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)- 19 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告- 20 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告在程序中指令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。- 21 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告程序仿真结果如下：图19.2FSK调制解调仿真4.3、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.- 22 -成都理工大学工程技术学院2007信息工程DSP课程设计报告五、心得体会心得体会为时两周的课程设计在忙碌与困惑中一晃而过。在设计的开始阶段，我们课程设计的内容不是很清楚，对具体要求不了解。因此不知道从哪里入手，但通过老师的耐心指导并和小组成员认真研究设计课题，对课程设计内容有了初步的了解和认识。在这次课程设计的过程中也反映出了自身的很多问题，例如有以下几点，首先：对DSP的基础和相关课程知识掌握的不牢固、不熟悉，在画电路图时，对电路的原理也不能很好的了解，后来涉及到的程序设计，对编程指令也没有很好的掌握，所以存在比较大的困难；其次：对一些常用的应用软件缺少练习，比如说CCS2.2以及protel99，对这些软件的操作不熟练，虽然以前都学过，但是没有好好练习过，所以浪费了很多时间。最后：发现自己在DSP这门课程上缺乏兴趣，导致了自己的课业严重缩水，很多知识都学的不到位，最后在实际应用中反映了出来。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。课程设计的时间是短暂的，但是让我更加明白了理论和实践两者的统一性。一个人只有把自己所学的理论能够比较好的运用于时间了，他的所学才有意义；同样，任何实践都应当有理论作为支撑，否则就如无根之树，定不能长久。我也更加明白，人活于世就因该时刻保持学习的动力，对于大学生，只有学好了自己的专业知识才能更好的面对严峻的就业压力，也要学好为人处世的方式方法，这样才能在社会上生存。对于此次DSP的课程设计，虽然最后很多仿真结果没有具体的实现，但是在这个过程中的反思还是能够帮助自己的成长，理论和实践相结合的方式也会是我今后更加注重的内容，更是以后学习的方向。最后，也要感谢老师在这个过程给予我们的机会和帮助！2010-5-31- 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