一、 引言

　　一款數(shù)據(jù)廣播編碼器和微型低功耗調(diào)頻數(shù)據(jù)廣播接收機(jī)，整套系統(tǒng)采用連續(xù)相位頻移鍵控（CPFSK）調(diào)制方式，副載波頻率為72KHz，占用帶寬約16Khz，數(shù)據(jù)傳輸速率4.8KHZ。采用CPFSK調(diào)制方式使接收機(jī)易于實(shí)現(xiàn)，與QPSK的調(diào)制方式相比對(duì)相位穩(wěn)定度要求不高，不易受外界溫度噪聲的影響，而且在信號(hào)解調(diào)處理時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗。硬件結(jié)構(gòu)框圖如下：

二、MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)及在接收機(jī)中的應(yīng)用

　　MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。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(dá)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，看門狗，2個(gè)可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問的串行通信接口，數(shù)十個(gè)可實(shí)現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等。

　　MSP430單片機(jī)的特點(diǎn):處理能力強(qiáng)。MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。運(yùn)算速度快。MSP430 系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 FFT 等）。超低功耗。MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。首先，MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8-3.6V 電壓。因而可使其在1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在165μA左右，RAM 保持模式下的功耗只有0.1μA。其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（FLL 和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)和DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)?？梢灾皇褂靡粋€(gè)晶體振蕩器（32768Hz），也可以使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。

　　MSP430F123單片機(jī)作為CPFSK數(shù)據(jù)廣播接收機(jī)的CPU主要對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成數(shù)據(jù)鏈路層的工作：

三、數(shù)字通信中的同步問題

　　數(shù)據(jù)通信中，同步是非常重要的問題，通信系統(tǒng)是否可靠、接收靈敏度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，很大程度上依賴于同步技術(shù)的優(yōu)劣。

　　1、同步不確定性的來源

　　實(shí)際通信系統(tǒng)中，收發(fā)站之間會(huì)由于電波傳播中的多徑效應(yīng)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(jī)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"無差錯(cuò)"的恢復(fù)基帶信號(hào)。　　2、實(shí)現(xiàn)同步的幾種方法

　　按同步功用分類可分為載波同步、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)送專門的同步信息，接收端把這個(gè)專門的同步信息檢測(cè)出來作為同步信號(hào)。自同步法：發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息，而是由接收端設(shè)法從接收信號(hào)中提取同步信息。

四、位同步

　　由于本接收機(jī)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(cuò)，即可達(dá)到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)囊蟆?/P>

　?。ㄒ唬?、位同步的方法：

　　方法一、

　　設(shè)置接收端恢復(fù)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(nèi)，設(shè)置了5個(gè)采樣點(diǎn)。位同步可以分為兩個(gè)過程：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(shù)據(jù)中，只有0、1跳變沿才能為我們提供位同步信息，如果數(shù)據(jù)長時(shí)間為1或?yàn)?，這將給接收端恢復(fù)位定時(shí)信息造成一定困難。

　　2、同步跟蹤

    在接收數(shù)據(jù)的過程中，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(jù)數(shù)據(jù)流中0、1跳變沿來實(shí)現(xiàn)同步時(shí)鐘的跟蹤。如圖1：如果同步時(shí)鐘與碼元之間沒有任何偏差時(shí)，數(shù)據(jù)的跳變沿每次都應(yīng)出現(xiàn)在第5個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻與下一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻之間，這時(shí)把第三個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻作為數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻；當(dāng)同步時(shí)鐘與碼元之間有偏差時(shí)，數(shù)據(jù)跳變沿不能準(zhǔn)確的落在第5個(gè)與下一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻之間，如果數(shù)據(jù)跳變沿出現(xiàn)在第4 與第5個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)刻之間，說明同步時(shí)鐘相對(duì)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(jì)數(shù)時(shí)刻。

　　方法二、

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

　　設(shè)置接收端恢復(fù)出的同步時(shí)鐘的頻率等于碼元頻率。每一個(gè)計(jì)數(shù)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。捕獲的過程與上述的方法相同。同步跟蹤，可以使采樣時(shí)刻基本穩(wěn)定在碼元中心位置。如圖2，恢復(fù)出的同步時(shí)鐘與碼元同步時(shí)，數(shù)據(jù)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）。

　?。ǘ⒎椒ǘ木唧w實(shí)現(xiàn)

　　MSP430單片機(jī)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(dú)立編程，中斷可以由計(jì)數(shù)器溢出引起，也可以來自捕獲外部信號(hào)的跳變沿。

　　MC1 和MC0選擇計(jì)數(shù)器工作模式，MC1=0、MC0=1時(shí)定時(shí)器增計(jì)數(shù)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(hào)作為同步時(shí)鐘。當(dāng)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(diào)整同步時(shí)鐘的頻率。由于定時(shí)計(jì)數(shù)器的調(diào)整為一個(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(jì)算或時(shí)間測(cè)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(jì)數(shù)值被復(fù)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(jù)跳變沿發(fā)生時(shí)刻與前一采樣點(diǎn)比較的結(jié)果，調(diào)整同步時(shí)鐘，超前或滯后，重新預(yù)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-在以后的接收過程中，實(shí)現(xiàn)跟蹤。

　　（三）、小結(jié)

　　由于采樣時(shí)鐘恢復(fù)和同步捕捉跟蹤都需要響應(yīng)中斷服務(wù)程序，占用CPU開銷。而CPU 的主要工作是進(jìn)行每幀數(shù)據(jù)的解碼和發(fā)送。如果使用種同步方法，時(shí)鐘頻率4.8K*5，CPU時(shí)鐘為4.3MHz，即程序每運(yùn)行41.6us、約20條程序語句就要響應(yīng)定時(shí)器中斷服務(wù)程序，增大了運(yùn)算量。

五、幀同步

　　在數(shù)字信息傳輸中，幀同步信號(hào)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(xiàn)，所以幀同步一般是在位同步的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

　　（一）、對(duì)幀同步系統(tǒng)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(hào)占用的碼組長度應(yīng)越短越好。

　　3、 同步系統(tǒng)的工作要穩(wěn)定可靠，一旦建立同步狀態(tài)后，系統(tǒng)不應(yīng)因信道的正常誤碼而失步，即幀同步系統(tǒng)應(yīng)具有一定的抗干擾能力，能識(shí)別假失步和避免偽同步。

　　數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中總會(huì)出現(xiàn)誤碼而影響同步。一種是由信道噪聲等原因引起的隨機(jī)誤碼。此類誤碼造成幀同步碼的丟失往往是一種假失步現(xiàn)象。然而，無論選用何種幀同步碼型，信息碼流中都有可能出現(xiàn)與幀同步碼圖案相同的碼組，即偽同步碼。

　?。ǘ降膶?shí)現(xiàn)

　　本接收機(jī)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（一般是一幀的開始）。接收機(jī)一旦檢測(cè)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(fù)幀同步。

　　本接收機(jī)收到的數(shù)據(jù)幀格式為：

　　每192個(gè)信息字節(jié)加上2字節(jié)的幀同步碼組成一幀數(shù)據(jù)（如圖）。選用的幀同步碼為0x19D7。

　　接收端采用幀同步碼的滑動(dòng)法來恢復(fù)幀同步信號(hào)。其實(shí)現(xiàn)方法為：在單片機(jī)里設(shè)置16bit移位寄存器、前后方保護(hù)計(jì)數(shù)器來完成前方保護(hù)時(shí)間和后方保護(hù)時(shí)間的計(jì)數(shù)，和幀同步狀態(tài)位SFLAG，標(biāo)志系統(tǒng)的同步狀態(tài)。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)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(tǒng)從不斷接收輸入的數(shù)據(jù)流中捕獲到0x19d7碼組，相當(dāng)于第N幀有同步碼，置SFLAG=1，后方保護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)器開始，如果經(jīng)過192byte信息碼在第N+1幀處檢出同步碼，后方保護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)器加1，應(yīng)在第N+2幀再檢出同步碼，后方保護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)器加1，系統(tǒng)進(jìn)入幀同步狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)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(tǒng)都要重新進(jìn)入捕獲狀態(tài)。

　　在本接收機(jī)MSP430的程序中將前方保護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)器和后方保護(hù)時(shí)間計(jì)數(shù)器簡化為一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)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(dāng)連續(xù)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(cè)到正確的幀同步碼SCOUNT不再加1，也就是說SCOUNT的值為4；當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)錯(cuò)誤的幀同步碼，SCOUNT減1，如果出現(xiàn)連續(xù)4個(gè)錯(cuò)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(shù)據(jù)鏈路層

　　MSP430單片機(jī)進(jìn)行位同步、幀同步后，將定時(shí)接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過以下處理經(jīng)串口輸出。

　　1、去擾

　　偽隨機(jī)序列發(fā)生器的生成多項(xiàng)式為，每幀同步字后進(jìn)行初始化， 加擾不包括幀同步字，數(shù)據(jù)由偽隨機(jī)序列加擾，可破壞數(shù)據(jù)中的連零，有利于解碼器位同步的鎖定，并分散數(shù)據(jù)信號(hào)的能量分布，使對(duì)主信號(hào)的干擾呈類似白噪音的背景噪音，提高多工數(shù)據(jù)對(duì)主信道干擾的主觀評(píng)價(jià)得分。

　　2、去交織和糾錯(cuò)碼

　　每一子幀用縮短R-S（48，32）編碼，可糾8個(gè)符號(hào)（64Bit）的隨機(jī)錯(cuò)誤。再進(jìn)行卷積交織，這樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)能糾正長達(dá)384Bit突發(fā)性誤碼。這樣對(duì)4.8Kbps 的抗突發(fā)性干擾時(shí)間分別為80ms 。

　　3、校驗(yàn)

　　采用CCITT-16校驗(yàn)碼，可檢出超出糾錯(cuò)范圍而造成的誤碼，在每一子幀內(nèi)驗(yàn)出所有≦16位的錯(cuò)誤，可檢出99.998%的17位突發(fā)性錯(cuò)誤，99.997%的18位和大于18位的突發(fā)性錯(cuò)誤，可以滿足大多數(shù)信息及計(jì)算機(jī)通信的要求。

　　4、 輸出數(shù)據(jù)幀形成

　　接收機(jī)根據(jù)自身的權(quán)限對(duì)于不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，形成不同的輸出幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

七、測(cè)試結(jié)果

　　通過實(shí)際播出測(cè)試驗(yàn)證，微型低功耗CPFSK數(shù)據(jù)廣播接收機(jī)的總體設(shè)計(jì)是成功的，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，特別是較強(qiáng)的信道糾錯(cuò)編碼極大地改善了接收能力。2002年9月使用透明頁格式來傳輸差分GPS的改正數(shù)據(jù)，鏈路測(cè)試成功；該系統(tǒng)即將用在電子車站牌、路燈控制系統(tǒng)中。