基于數字信號處理器實現曼徹斯特編碼系統的設計

引言

隨著無線通信芯片技術的發展，越來越多的便攜式或電池供電的無線傳輸設備進入人們日常生活，如遙控車門開關（REK）系統、汽車輪胎壓力監視系統（TPMS）、無線內窺鏡系統、藍牙技術等。這種小功率無線傳輸系統的關鍵技術是在低電流消耗和信道干擾較強的情況下實現數據穩定可靠的傳輸。曼徹斯特碼由于其特殊的性能，被廣泛應用于小功率無線傳輸系統中。曼徹斯特編碼是串行數據傳輸的一種重要的編碼方式。曼徹斯特編碼最大的優點是：數據和同步時鐘統一編碼，曼徹斯特碼中含有豐富的時鐘信號，直流分量基本為零，接收器能夠較容易地恢復同步時鐘，并同步解調出數據，具有很好的抗干擾性能，這使它更適合于信道傳輸。

1 曼徹斯特編碼原理

用于數字基帶傳輸的碼型種類較多，Manchester碼是其中常用的一種。Manchester碼是一種用跳變沿（而非電平）來表示要傳輸的二進制信息（0或1），一般規定在位元中間用下跳變表示“1”，用上跳變表示“0”。其編碼規則如表1所列。

2 數字基帶信號處理框架概述

本文所設計的通信信號處理可以分為編碼、同步、二元信號的信道傳輸預處理、自適應信道均衡、幀同步檢測、匹配濾波、分數時延濾波、判決譯碼等過程。系統流程如圖1所示。

在數字通信中，總是需要先將模擬信號數字化，也就是抽樣、量化和編碼三步曲。

2．1 同步

在本設計中，假定一個8位的同步頭為HeadSyn，在ParameterSet中初始化為10110001，同步頭的長度越長越好，但是執行的速度也就越慢。理論上來說，在對Manchester碼加同步頭時，同步頭最好為全1，而不是巴克碼。從實際仿真檢測效果來看，該同步處理同樣做到了很低的誤碼率。

2．2 二元信號調制

對于已經添加了同步頭的編碼信號，為了讓其能通過下一步的上變頻，從而在信道中傳輸，則需要進行成型濾波。

本設計中，首先確立了4倍過采樣率（OverSampleRate），通過MatIab擬合了一個21階的成型濾波器，對于一個N長度的編碼信號，相當于算法循環N次，成型濾波值每隔4位賦予調制信號Signal，然后對應位相加，得到一個長度為N×OverSampleRate+FilterOrder-1的適合于信道傳輸的數字調制信號。這個結果可以用仿真軟件之后觀察到。

二元信號調制流程如圖2所示。

2．3 信道傳輸處理

由于信號傳輸過程中，會經過信道雜波干擾，同時還有傳輸噪聲影響，因此直接通過信道出來的波形必然有不同程度的失真，還會有各種諧波干擾，信道均衡在此顯得尤為重要。本設計中采用的是時域橫向FIR濾波器（自適應LMS算法）來進行信道均衡，并且由于信道均衡自帶分數時延的效果，同步檢測步驟后的分數時延濾波器也可以省略掉，當然保留也并無影響。

系統仿真所加噪聲為白噪聲信號。

均衡器得到的波形將一直與輸入信號進行循環比較，但是由于同步信號已知，而其后波形是未知的，因此僅僅根據同步頭位數確定循環比較次數。只要同步信號相等，即可大致認為整個信號已均衡處理完畢。（因此同步頭長度越長，均衡效果越好。）

2．4 幀同步檢測

由于接收到的信號含有同步信息，但是同步頭的位置又不明確，所以在解調前，必須首先判斷同步信息位置，這就需用到自相關函數波峰。幀同步頭檢測流程圖如圖3所示。

2．5 匹配濾波

由前面的幀同步頭檢測步驟，已經得到同步頭之后的碼元所在位置，但是由于信道傳輸過程中將引入大量噪聲以及無用信息，故想要獲得最大結果，必須通過匹配濾波器處理。從本質上來講，就是二次成型濾波，也就是FIR濾波。當有了同步之后碼元匹配濾波的極值點信息，再由同步處理部分得到的距離最佳采樣點最近的前一個整數位置信息，就可以得出delay的延遲信息。

2．6 分數時延濾波

由于銳化之后波形的極值點，可能并非實際中的采樣點，這樣就需要通過分數時延濾波器處理后，對極值進行估計。這樣，就可以更準確地進行下一步的判決譯碼。

如果定義為有限長時延濾波器DelayFilter的時域信號，其近似對應的頻域變換為H（jw）=e-jwD，其中D為同步處理后的返回值delay數值與距離最佳采樣點最近的前一個整數位置長度之差，也就是delay數值的小數部分，式中ak，n為在ParameterSet部分中聲明的Del ayFilter二元矩陣。

所以，一旦同步處理結束后，知道了D值就能得到該頻域響應下的時域信號，有了時域信號之后，再對同步頭之后一個碼元周圍作插值濾波，便可得到最佳采樣點幅值。

2．7 判決譯碼

在本設計中，對于經過上述處理后得到的極值（附近的2～3個數值與極值信息相同），如果大于0，則為高電平，如果小于0，則為低電平，并且同時進行解碼，實現曼徹斯特編碼的逆反過程。在程序中表現為：如果檢測到高電平，表示下一位肯定是低電平，所以對應的解碼位就是“1”；如果檢測到低電平，表示下一位肯定是高電平，所以對應的解碼位就是“0”。

3 CCS環境以及仿真結果

CCS是一款集成性DSP軟件開發工具，其有軟件和硬件仿真兩種模式，．cmd文件主要是用來分配處理器的ROM和RAM空間的。它告訴鏈接程序怎樣計算地址和分配空間。所以不同的芯片就有不同大小的ROM和RAM，存放用戶程序的地方也不盡相同。所以要根據芯片進行修改。 .cmd文件分兩部分：MEMORY和SECTIONS。

圖4為code碼元在CCS下的仿真波形。