ЭУМК по дисциплине "Проектирование проблемно-ориентированных вычислительных средств" › Теория › Тема 6. Отладочный модуль TMS320С5x и FSK-модем на его основе

# Электронный учебно-методический
комплекс по дисциплине
"Проектирование проблемно-ориентированных вычислительных средств"

для специальности

1-40 02 02 «Электронные вычислительные средства»

Оглавление | Программа | Теория | Практика | Контроль знаний | Об авторах

РАЗДЕЛ 2.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ НА БАЗЕ ЦПОС
Тема 6. Отладочный модуль TMS320С5x и FSK-модем на его основе
6.1. Архитектура и принцип работы модема с частотной модуляцией
6.1.1. Архитектура модема с частотной модуляцией (FSK)

Передача цифровых данных по линиям связи осуществляется с использованием модемов (модулятор-демодулятор). При этом цифровой сигнал преобразуется в аналоговый определенным образом.
Основные функции модема:

1. обработка команд от host-процессора (взаимодействие с РС);
2. операции скремблирования (кодирования) и дискретизации информации;
3. набор номера;
4. синхронизация работы модулятора и демодулятора;
5. определение и управление конфигурацией модема;
6. поддержка определенного протокола.

В структуре модема можно выделить следующие основные блоки:

1. интерфейс с host-процессором;
2. контроллер модема;
3. DSP-процессор;
4. аналоговая часть, подключаемая к телефонной линии.

Структурная схема модема представлена на рис.6.1.

######

###### Рисунок 6.1 – Структурная схема модема

Контроллер модема должен обеспечивать:

1. обработку команд от host-процессора;
2. набор номера;
3. определение конфигурации модема;
4. поддержку протокола.

При этом модем может работать в режиме дуплекс (одновременная работа двух модемов на прием и передачу) или полу дуплекс (работа по очереди: один на передачу, второй на прием).
Одним из способов модуляции является частотная модуляция (FSK – frequency shift keyed), при которой передаваемым единицам и нулям соответствуют сигналы разной частоты. Существует несколько стандартов для модемов с частотной модуляцией (FSK-модемов) (табл. 6.1):

Таблица 6.1 - Основные параметры FSK-модемов различных стандартов

| Стандарт | Скорость (бод) | Несущая (Гц) | Частота 1 (Гц) | Частота 0 (Гц)
| V.21 Исходный | 300 | 1080 | 980 | 1180
| Ответный | 300 | 1750 | 1650 | 1850
| BELL 103 Исходный | 300 | 1170 | 1270 | 1070
| Ответный | 300 | 2125 | 2225 | 2025
| V.23 | 600,1200 | 1700 | 1300 | 2100
| BELL 202 | 1200 | 1700 | 1200 | 2200

В качестве примера выберем стандарт V.23 со скоростью 1200 бод.

6.1.2. Принцип работы модема

Каждый модем состоит из двух основных частей: модулятора и демодулятора.
Принцип работы модулятора заключается в формировании сигнала одной или другой частоты в зависимости от передаваемой информации. В аналоговых модемах в зависимости от передаваемой информации к выходу устройства подключался один из двух генераторов (рис.6.2).

######

###### Рисунок 6.2 – Модулятор аналогового модема

Недостатком данного метода является наличие перепадов напряжения при переключении генераторов, так как они никак между собой не синхронизированы. Это приводит к появлению в сигнале дополнительных гармонических составляющих, что затрудняет демодуляцию сигнала.
Основная задача демодулятора – определить частоту сигнала, принимаемого в данный момент времени. При использовании аналоговой техники это можно сделать с помощью двух полосовых фильтров, интеграторов и пороговых схем (рис.6.3).

######

###### Рисунок 6.3 – Демодулятор аналогового модема

Недостатком такого метода детектирования является то, что трудно получить высокую скорость передачи данных из-за небольшой разницы часто «0» и «1». Для хорошего разделения частот требуются фильтры с высокой добротностью и узкой полосой пропускания. Но такие фильтры требуют большую длительность сигнала для исключения переходных процессов, что и приводит к снижению скорости передачи данных.
Все вышеперечисленные недостатки аналоговых схем модема легко устраняются при использовании цифровой техники.
Для синхронизации приемника и передатчика передаваемая информация должна сопровождаться битами синхронизации. При отсутствии передачи в линию обычно выдается сигнал с частотой, соответствующей «1» (стоповые биты). Начало передачи информации сопровождается одним нулевым (стартовым битом) за которым следуют биты данных. Получение стартового бита приемником запускает его на прием информации. Передача информации может заканчиваться контрольным битом для проверки правильности передачи. И последним передается один или два стоповых бита, разделяющих передачу двух слов данных.
6.1.3. Реализация модулятора FSK-модема
Принцип работы модулятора

В основе работы модулятора лежит следующее соотношение:

| S(t) = cos[(ωc ± δω)t + φ] , | (6.1)

где S(t) – передаваемый сигнал; ωc – несущая частота; δω – девиация частоты, t – время, φ – сдвиг фазы.
На каждом из интервалов T сигнал S(t) с частотой f0 = (fc + δf) или
f1 = (fc – δf) соответствует передаче бита «0» или «1». Из выражений для определения частот ω0 и ω1:
ω0 = (ωc + δω) ,
ω1 = (ωc – dω) ,
можно получить выражения для ωc и δω:
ωc = (ω0 + ω1)/2 ,
δω = (ω0 – ω1)/2 .
Ниже на рис.6.4 приведен пример сигнала при передаче кода 010:

######

###### Рисунок 6.4 – Сигнал на выходе передатчика для кода 010

При переходе от формирования сигнала «0» к «1» и обратно изменяется только величина приращения аргумента функции косинуса (без изменения аргумента), что исключает появление скачков в формируемом сигнале. При это происходит только небольшое изменение наклона функции.
Таким образом, для выбранного стандарта fc = 1700 Гц, f1 = 1300 Гц, f0 = 2100 Гц, δf = 400 Гц.

Расчет параметров модулятора

Простейшим способом формирования сигнала в модуляторе при использовании цифровой техники является табличный метод формирования синусоиды. Для этого в памяти модулятора хранится таблица синуса из некоторого числа точек в диапазоне от 0 до 2Π.
Число точек в таблице определяется частотой дискретизации, скоростью передачи и частотами единицы и нуля. Частота дискретизации выбирается по теореме Котельникова исходя из максимальной передаваемой частоты и скорости передачи. Согласно теореме Котельникова соотношение частоты дискретизации fД и максимальной частоты (в нашем примере f0) должно быть не менее двух. На практике обычно выбирается соотношение четыре или больше:

| fД = 2100 x 4 = 8400 Гц . | (6.2)

За время передачи одного бита информации должно передаваться целое число отсчетов синуса. Частота дискретизации выбирается кратной скорости передачи из ряда 600, 1200, 2400, 4800, 9600 Гц. Таким образом, ближайшее значение, превышающее (6.2), равно 9600 Гц.
При выбранной частоте дискретизации за секунду передается 9600 отсчетов синуса и на один бит передаваемой информации приходится

n = fД / V = 9600 / 1200 = 8 (отсчетов) ,
где V = 1200 бод – выбранная скорость передачи данных.
А период дискретизации (время между двумя последовательными дискретными отсчетами данных определяется соотношением
Δt = 1 / fД.
При выбранной частоте дискретизации за секунду передается 9600 отсчетов синуса и таким образом на один бит передаваемой информации приходится
n = Т / Δt = fД / V = 9600 / 1200 = 8
отсчетов, где V = 1200 бод – заданная скорость передачи данных.
Если выбрать размер таблицы синуса в 9600 отсчетов и выдавать с частотой дискретизации каждый отсчет из таблицы, то за секунду будут переданы все отсчеты из таблицы (один период), что соответствует частоте 1 Гц. Если выбирать из таблицы отсчеты с шагом 2 – получим сигнал с частотой 2Гц, а если с шагом 1300 – 1300Гц.
Таким образом, таблица из 9600 отсчетов позволяет формировать сигналы с частотами, кратными 1 Гц. Но поскольку нам необходимо формировать сигнал с частотами 1300 Гц и 2100 Гц, то совсем не обязательно иметь такую большую таблицу. В нашем случае достаточна дискретность по частоте в 100 Гц.
Найдем наибольший общий делитель для чисел 1300, 2100 и 9600 (f1, f0 и fД соответственно), который равен 100. Разделив данные числа на 100, получим следующие значения S1=13, S0=21 и N=96, где S1 и S0 – шаг по таблице для «1» и «0» соответственно, а N – размер таблицы синуса.
Для уменьшения объема памяти для хранения синуса можно ограничиться только одной четвертью синуса, но при этом усложняется алгоритм формирования синусоиды. Учитывая, что длина таблицы синуса в нашем случае не очень велика для упрощения алгоритма можно хранить полную таблицу синуса.
Выбирая данные из таблицы с шагом 1, мы за секунду (9600 тактов) переберем таблицу 100 раз (100 периодов синуса), что дает сигнал с частотой 100 Гц, с шагом 13 – 1300 Гц, а с шагом 21 – 2100 Гц, что и требуется при наших исходных данных.
Таким образом, принцип работы модулятора заключается в выборке из таблицы размерности N отсчетов с шагом S1 или S0 (в зависимости от передаваемого бита) в течение n тактов и выдачи их в АЦП с частотой fД. Затем производится анализ очередного передаваемого бита и выборка продолжается с тем же или другим шагом. Так как при переходе от одного бита к другому изменяется только шаг в таблице (приращение аргумента синуса), то формируемый сигнал не имеет разрывов фазы. Точность формирования сигнала зависит только от стабильности задающего генератора. При выходе адреса за пределы таблицы его необходимо скорректировать, уменьшив на длину таблицы.
Результат работы модулятора при передаче двух стоповых бит («1»), стартового бита («0»), 16-ти информационных бит (FF00h) и двух стоповых бит («1») показан на рис.6.5.

######

###### Рисунок 6.5 – Сигнал на выходе передатчика модема

Оглавление | Программа | Теория| Практика | Контроль знаний | Об авторах
© БГУИР , 2012