GD32H737 1Mbps 数字通信链路实现

一、项目概述

本项目基于 GD32H737VMT6 单片机，利用片上定时器、DMA、GPIO 外设，实现一套完整的数字信号收发与同步解调链路。无需专用通信芯片，仅通过软件算法完成高速率、高可靠性的通信验证，可直接应用于自定义串口、无线基带、高速数据传输等场景。

核心功能

• 1Mbps 码率数字波形发送
• 5MHz 硬件过采样接收
• DMA 乒乓缓冲，采样与处理并行执行
• 位同步（DTTL）自动校正时钟偏差
• 帧同步（前导码检测）实现帧数据对齐
• 误码率自动统计，实测 0 误码稳定传输

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二、整体工作逻辑

1. 信号发送逻辑

1. 定义待发送字节数据，将其按位展开为比特流
2. 构建 DMA 发送缓冲区，每一位对应 GPIO 置 1 或清 0 操作
3. 定时器 1 以 1Mbps 频率触发 DMA 请求
4. DMA 直接将波形数据搬运至 GPIO 输出，全程不占用 CPU

2. 信号接收与乒乓缓冲逻辑

1. 定时器 2 以 5MHz 频率对输入信号进行采样
2. DMA 持续将采样值搬运至接收缓冲区
3. 接收缓冲区分为前半段、后半段，形成乒乓结构
4. 半满中断触发：处理前半段采样数据
5. 全满中断触发：处理后半段采样数据
6. 采样与解调并行执行，无数据丢失、无覆盖

3. 解调与同步逻辑

1. 将采样值归一化为判决电平，便于比特识别
2. 位同步：动态调整采样点，保证每一位采样位置准确
3. 帧同步：匹配预设前导码，定位有效数据起始位置
4. 按字节重组数据，完成帧解包
5. 与原始发送数据对比，统计总比特数、错误比特数，计算误码率

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三、核心模块实现逻辑

1. DMA 乒乓操作

乒乓缓冲是保证 1Mbps 速率下不丢采样点的关键机制。DMA 填充缓冲区时，CPU 可处理另一半区域数据，实现采样与处理并行。

• 半传输完成中断：标记前半段缓冲区就绪

• 全传输完成中断：标记后半段缓冲区就绪

• 中断服务函数仅做标志位处理，无耗时运算

  void DMA1_Channel2_IRQHandler(void)
  {
  // 半传输完成
  if(dma_interrupt_flag_get(DMA1, DMA_CH2, DMA_INT_FLAG_HTF))
  {
  dma_interrupt_flag_clear(DMA1, DMA_CH2, DMA_INT_FLAG_HTF);
  rx_half_collision = processing_flag;
  rx_half_flag = 1;
  }
  // 全传输完成
  if(dma_interrupt_flag_get(DMA1, DMA_CH2, DMA_INT_FLAG_FTF))
  {
  dma_interrupt_flag_clear(DMA1, DMA_CH2, DMA_INT_FLAG_FTF);
  rx_full_collision = processing_flag;
  rx_full_flag = 1;
  }
  }

主循环根据中断标志处理对应缓冲区：

if(rx_half_flag)
{
    processing_flag = 1;
    rx_half_flag = 0; 
    process_rx_data(dma_rx_buf, SAMPLE_COUNT/2, 1);
    processing_flag = 0;
}
else if(rx_full_flag)
{
    processing_flag = 1;
    rx_full_flag = 0;
    process_rx_data(&dma_rx_buf[SAMPLE_COUNT/2], SAMPLE_COUNT/2, 2);
    processing_flag = 0;	
}

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2. 位同步逻辑

位同步用于消除收发时钟偏差带来的采样错位，是实现 0 误码的核心。通过 PID 控制器动态调整采样步长，锁定最佳采样时刻。

1. 对采样数据分块取平均，完成比特判决

2. 检测比特边沿跳变，计算采样位置误差

3. 动态修正采样时钟，保证每一位采样稳定可靠

    	// ===================== 位同步 + 比特判决（ARM_MATH加速） =====================
    	for (int sym = 0; sym < total_symbols; sym++)
    	{
    		float step = sps * sync_feed;
   
    		if ((int32_t)start_idx >= input_len) {
    			new_bit = 0;
    			bits[sym] = new_bit;
    			continue;
    		}
   
    		int32_t block_start = (int32_t)roundf(start_idx);
    		int32_t block_size  = (int32_t)step;
    		if (block_start + block_size > input_len) {
    			block_size = input_len - block_start;
    		}
    		if (block_size <= 0) {
    			new_bit = 0;
    			bits[sym] = new_bit;
    			continue;
    		}
   
    		// ===== 核心加速：arm_mean_q7（这个函数一定存在）=====
    		q7_t mean_val;
    		arm_mean_q7(&input[block_start], block_size, &mean_val);
   
    		new_bit = (mean_val < 0) ? 0 : 1;
    		bits[sym] = new_bit;
    		
    		// ===== 边沿检测 + PID =====
    		if (new_bit != old_bit && start_idx > 2 * sps)
    		{
    			float half_sps = step / 2.0f;
    			int32_t sum_start = (int32_t)roundf(start_idx - half_sps);
    			int32_t sum_len   = (int32_t)roundf(sps);
   
    			if (sum_start < 0) sum_start = 0;
    			if (sum_start + sum_len > input_len) {
    				sum_len = input_len - sum_start;
    			}
    			
    			// ===== 修复：替换为安全求和 =====
    			q7_t sum_val = 0;
    			for(int k=0; k<sum_len; k++){
    				sum_val += input[sum_start + k];
    				
    			}
    	  	
    			float err = (new_bit == 1) ? -(float)sum_val : (float)sum_val;
    			float p = kp * err;
    			integral += err;
    			float i = ki * integral;
   
    			sync_feed = 1.0f + p + i;
   
    			if (sync_feed < 0.7f || sync_feed > 1.3f) {
    				sync_feed = 1.0f;
    				integral = 0.0f;
    			}

   // printf("%f,", step);
   }

    		old_bit = new_bit;
    		start_idx += step;
    	}

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3. 帧同步逻辑

位同步保证单比特正确，帧同步用于确定一帧数据的起始位置，避免帧错位。

1. 预设 16bit 固定前导码

2. 在解调比特流中逐位匹配前导码

3. 匹配成功后，从当前位置开始解包有效数据

   int preamble_pos = -1;
   for (int i = 0; i <= total_symbols - PREAMBLE_LENGTH; i++)
   {
   int match = 1;
   for (int j = 0; j < PREAMBLE_LENGTH; j++)
   {
   if (bits[i + j] != FSK_PREAMBLE[j])
   {
   match = 0;
   break;
   }
   }
   if (match)
   {
   preamble_pos = i;
   break;
   }
   }

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4. 1Mbps 速率配置逻辑

系统主频 300MHz，通过定时器周期精准控制发送与采样频率：

• 发送码率：1Mbps

• 接收采样率：5MHz（5 倍过采样）

• 定时器无分频，直接由主频驱动，时序精度高

  #define SYSTEM_CLOCK 300000000U
  #define TX_BAUD_RATE 1000000U
  #define TIMER_TX_PERIOD (SYSTEM_CLOCK / TX_BAUD_RATE - 1U)

  #define RX_SAMPLE_RATE 5000000U
  #define TIMER_RX_PERIOD (SYSTEM_CLOCK / RX_SAMPLE_RATE - 1U)

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5. 误码率统计逻辑

通过逐位对比发送数据与接收数据，统计通信可靠性：

1. 按字节异或，判断比特是否错误

2. 累计总传输比特数与错误比特数

3. 误码率 = 错误比特数 / 总比特数

   void calculate_ber(const uint8_t *tx_bytes, uint32_t tx_len,
   const uint8_t *rx_bytes, uint32_t rx_len)
   {
   uint32_t compare_len = rx_len;
   if (compare_len == 0) return;

    for (uint32_t i = 0; i < compare_len - 1; i++)
    {
        uint8_t tx = tx_bytes[i % TX_DATA_LEN];
        uint8_t rx = rx_bytes[i];
        uint8_t xor_val = tx ^ rx;
        ber_stat.total_bits += 8;
   
        for (int j = 0; j < 8; j++)
        {
            if (xor_val & (1 << j))
                ber_stat.error_bits++;
        }
    }

   }

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四、测试结果

程序完成 100 次收发测试后，串口输出误码率统计：

plaintext

[BER统计] 总比特:102400  错误:0  误码率:0.000000

在 1Mbps 码率下，实现连续稳定的 0 误码通信。

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五、适用场景

• 自定义高速数字通信接口
• 软件无线电基带信号处理
• 无线模块数字解调
• 工业高速数据传输
• 通信原理教学与实验