通信08專業(yè)綜合實驗

1、目錄目錄11 DSP的應(yīng)用錯誤! 未定義書簽。1.1 DSP 概況錯誤! 未定義書簽。1.2 DSP 的歷史錯誤! 未定義書簽。1.3 DSP 的現(xiàn)狀31.4 DSP 的微處理器32 嵌入式應(yīng)用52.1嵌入式系統(tǒng)簡介52.2實時系統(tǒng)的特性錯誤! 未定義書簽。2.3理解任務(wù)要求63 ZigBee 應(yīng)用73.1 ZigBee的技術(shù)簡介73.2 ZigBee的協(xié)議的概述73.3 Zigbee技術(shù)的應(yīng)用83.4物理層服務(wù)規(guī) 8參考文獻101、DSP技術(shù)應(yīng)用數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字的方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。數(shù)字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行

2、測量或濾波。因此在進行數(shù)字信號處理之前需要將信號從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。而數(shù)字信號處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。數(shù)字信號處理的 算法 需要利用計算機 或?qū)?用設(shè)備如數(shù)字信 號處 理器（ DSP）和專用集成電路（ ASIC）等。數(shù)字信號處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、抗干擾強、設(shè)備尺寸小、造價低、速度快等突出優(yōu)點，這些都是模擬信號處理技術(shù)與設(shè)備所無法比擬的。1.1 、 DSP概況數(shù)字信號處理是圍繞著數(shù)字信號處理的理論、實現(xiàn)和應(yīng)用等幾個方面發(fā)展起來的。數(shù)字信號處理在理論上的發(fā)展推動了數(shù)字信號處理應(yīng)用的發(fā)展。反過來，數(shù)字信號處理的應(yīng)用又促進了數(shù)字信號

3、處理理論的提高。而數(shù)字信號處理的實現(xiàn)則是理論和應(yīng)用之間的橋梁。數(shù)字信號處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的圍極其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統(tǒng)計、隨機過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號處理的基本工具，與網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關(guān)。近來新興的一些學(xué)科，如人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都與數(shù)字信號處理密不可分?？梢哉f，數(shù)字信號處理是把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎(chǔ)，同時又使自己成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。1.2 、 DSP歷史世界上第一個單片DSP芯片應(yīng)當(dāng)是1978年AMI 公司發(fā)布的S2811，1979年美國Intel公司發(fā)布的商用可編程器件29

4、20 是DSP芯片的一個主要里程碑。這兩種芯片部都沒有現(xiàn)代DSP芯片所必須有的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的PD7720 是第一個具有乘法器的商用DSP芯片。1.3 、 DSP現(xiàn)狀在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國儀器公司（TexasInstruments，簡稱TI ）的一系列產(chǎn)品。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP 芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品TMS32011、 TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相繼推出了第二代DSP芯片 TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代 DSP芯片 TMS320C30/C31/C32，第四代

5、 DSP芯片 TMS320C40/C44，第五代 DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代 DSP芯片的改進型 TMS320C2XX，集多片 DSP芯片于一體的高性能 DSP芯片 TMS320C8X以及目前速度最快的第六代 DSP芯片TMS320C62X/C67X等。TI 將常用的 DSP 芯片歸納為三大系列，即：TMS320C2000 系列 （包 括 TMS320C2X/C2XX）、 TMS320C5000 系 列（ 包括TMS320C5X/C54X/C55X）、 TMS320C6000系列（ TMS320C62X/C67X）。如今，TI 公司的一系列DSP產(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最有影

6、響的DSP芯片。 TI 公司也成為世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商，其DSP市場份額占全世界份額近50。1.4 、 DSP微處理器DSP（ digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0 或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。DSP微處理器（芯片）一般

7、具有如下主要特點：1. 在一個指令周期可完成一次乘法和一次加法；2. 程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；3. 片具有快速 RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；4. 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；5. 快速的中斷處理和硬件I/O 支持；6. 具有在單周期操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；7. 可以并行執(zhí)行多個操作；8. 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。當(dāng)然，與通用微處理器相比， DSP微處理器（芯片）的其他通用功能相對較弱些。DSP優(yōu)點：對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部參與影響?。蝗菀讓崿F(xiàn)集成；可以分時復(fù)用，共享處理器；方便調(diào)整處理器的系數(shù)

8、實現(xiàn)自適應(yīng)濾波；可實現(xiàn)模擬處理不能實現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級聯(lián)、易于存儲等；可用于頻率非常低的信號。DSP缺點：需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；受采樣頻率的限制，處理頻率圍有限；數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒有無源設(shè)備可靠。但是其優(yōu)點遠遠超過缺點。隨著嵌入式實時系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，設(shè)計工程師在定義和分析系統(tǒng)初始要求時必須認真考慮軟硬件的協(xié)同關(guān)系。通常設(shè)計工程師還必須權(quán)衡系統(tǒng)的靈活性、速度、成本、計劃和可用工具之間的關(guān)系。本文打算描述嵌入式系統(tǒng)和實時系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，并探討在選擇或開發(fā)硬件和軟件組件的基礎(chǔ)上開發(fā)高效嵌入式系統(tǒng)的解決方案，同時詳細說明嵌入式系統(tǒng)和實時系統(tǒng)開發(fā)所特有的關(guān)鍵工藝技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)

9、通常是一個包含微處理器的特殊計算機系統(tǒng)，是一個較大系統(tǒng)或設(shè)備的組成部分，它在很大程度上決定了設(shè)備的功能特性。許多具備數(shù)字接口的設(shè)備如微波設(shè)備、錄像機 (VCR) 和汽車等都會用到嵌入式系統(tǒng)。有些嵌入式系統(tǒng)需要使用操作系統(tǒng)，有些則用單個程序?qū)崿F(xiàn)整個邏輯，但所有嵌入式系統(tǒng)提供的功能都要比通用計算系統(tǒng)更專業(yè)些。嵌入式系統(tǒng)功能包括：1. 監(jiān)視環(huán)境從輸入傳感器讀取數(shù)據(jù), 然后處理數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。2. 控制環(huán)境產(chǎn)生并向激勵器發(fā)送命令。3. 轉(zhuǎn)換信息轉(zhuǎn)換并處理收集到的數(shù)據(jù)。雖然通過傳感器和激勵器完成與外部世界的交互是嵌入式系統(tǒng)的重要特點，但這些嵌入式系統(tǒng)還提供適合它們所在設(shè)備的特殊功能。嵌入式系統(tǒng)一般用來執(zhí)

10、行控制程序、有限狀態(tài)機和信號處理算法。這些系統(tǒng)還必須檢測部計算環(huán)境和周圍電磁系統(tǒng)中發(fā)生的故障并對此做出響應(yīng)。2. 嵌入式應(yīng)用2.1嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)是使嵌入式系統(tǒng)的獨特性能與設(shè)備的特殊約束條件相一致。以下是一些嵌入式系統(tǒng)的重要特性：1. 特殊應(yīng)用系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)不同于通用處理器，它針對特殊應(yīng)用進行了優(yōu)化。2. 反應(yīng)性系統(tǒng)反應(yīng)性計算的意思是系統(tǒng) ( 主要是軟件部分 ) 根據(jù)傳感器信息對環(huán)境作出響應(yīng)，并利用激勵器控制環(huán)境，同時系統(tǒng)速度能與環(huán)境速度同步。3. 分布式嵌入式系統(tǒng)的一般特征是多個通信進程在多個通過通信鏈路的 CPU或 ASIC 上運行。4. 異類性不同的嵌入式系統(tǒng)一般具有不

11、同的結(jié)構(gòu)，以便在處理嚴格設(shè)計約束的嵌入式系統(tǒng)時能夠提供更好的設(shè)計便利性。2.2 實時系統(tǒng)的特性實時系統(tǒng)要求在外部環(huán)境指定的時間間隔對來自環(huán)境的激勵信號作出響應(yīng) ( 包括物理時間的過渡) 。從輸入時間到輸出時間的延遲必須足夠小，以滿足可以接受的時間值。通常實時系統(tǒng)需要對環(huán)境作出連續(xù)及時的響應(yīng)。計算的正確性不僅依賴于結(jié)果，而且取決于輸出發(fā)生的時間。一個實時系統(tǒng)必須滿足有限響應(yīng)時間約束條件，否則會產(chǎn)生嚴重的后果。如果后果是性能的劣化而不是故障，那么這種系統(tǒng)可以看作是一個軟實時系統(tǒng)。如果后果是系統(tǒng)發(fā)生故障，那么這種系統(tǒng)就是一種硬實時系統(tǒng)。實時系統(tǒng)有反應(yīng)式和嵌入式兩種類型。反應(yīng)式實時系統(tǒng)會與環(huán)境發(fā)生連續(xù)

12、的互作用， 而嵌入式實時系統(tǒng)主要用于控制大型系統(tǒng)中安裝的特殊硬件。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)生命周期許多系統(tǒng)設(shè)計工程師都會經(jīng)歷硬件/ 軟件協(xié)同設(shè)計的過程( 圖 1) ，此過程中硬件與軟件將同時進行開發(fā)。理解硬件與軟件功能相互之間的關(guān)系及界限有助于確保設(shè)計要求得到完整正確的理解和實現(xiàn)。早在設(shè)計要求的定義與分析階段，系統(tǒng)開發(fā)人員就必須與設(shè)計工程師協(xié)同分配硬件或 / 和軟件方面的要求。這種分配的依據(jù)是早期系統(tǒng)仿真、原型設(shè)計和行為建模結(jié)果、工程師自己的經(jīng)驗以及上文提及的各種因素權(quán)衡結(jié)果( 圖 2) 。一旦分配結(jié)束，就可以立即著手具體的設(shè)計和實現(xiàn)。實時系統(tǒng)開發(fā)中軟硬件的并行設(shè)計會使用到各種分析技術(shù)，包括：1. 硬件

13、與軟件仿真；2. 硬件 / 軟件協(xié)同仿真；3. 可調(diào)度的建模技術(shù)，如速率恒定分析；4. 原型設(shè)計和漸進式開發(fā)?？梢栽诟鞣N抽象層次使用的仿真技術(shù)主要用于開展早期的性能評估。低層仿真可以用來為總線寬度和數(shù)據(jù)流程建模，這對性能評估是非常有用的。高層仿真可以滿足功能的交互，并促成硬件/ 軟件權(quán)衡研究及有效性設(shè)計。利用仿真可以將一個復(fù)雜的系統(tǒng)向下抽象成基礎(chǔ)組件和行為。仿真還助于解決功能性問題( 數(shù)據(jù)與算法 ) 、行為 ( 進程排序 ) 或性能問題 ( 資源利用、吞吐量和時序 ) 。2.3 理解設(shè)計要求在作執(zhí)行任何類型的處理器評估時，首先要詳細理解用戶的功能和非功能性要求。功能性要求通常比較容易獲得，而非

14、功能性要求較難定量測量。但對于實時系統(tǒng)來說，定義響應(yīng)時間這樣的要非常重要的。實時要求可以有以下幾種：1. 激勵激勵 (S-S) ：到系統(tǒng)去的兩個激勵之間的實時關(guān)系；2. 激勵 - 響應(yīng) (S-R) ：一個激勵與來自系統(tǒng)的一個后序響應(yīng)之間的實時關(guān)系；3. 響應(yīng) - 激勵 (R-S) ：一個響應(yīng)與到系統(tǒng)去的一個后序激勵之間的實時關(guān)系；4. 響應(yīng) - 響應(yīng) (R-R) ：來自系統(tǒng)的兩個響應(yīng)之間的實時關(guān)系。S-R 和R-R 關(guān)系定義了對指定系統(tǒng)的時序要求。這種情況下所實現(xiàn)的功能必須足夠快( 或足夠慢) 才能滿足時序要求。S-S和R-S約束暗示系統(tǒng)必須能夠從環(huán)境( 可能是一個用戶或另外一個系統(tǒng)) 中檢測

15、出特定時序約束的破壞。3 .ZigBee技術(shù)3.1 ZigBee技術(shù)簡介ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、 功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。3.2 ZigBee協(xié)議的概述ZigBee 堆棧是在標(biāo)準基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的 MAC和PHY層。 ZigBee 設(shè)備應(yīng)該包括該標(biāo)準定義了 RF射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信 ) 的 PHY和 MAC層，以及 ZigBee 堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。與其它無線通信協(xié)議相比，ZigBee

16、 無線協(xié)議復(fù)雜性低、對資源要求少，主要有以下特點：低功耗：這是 ZigBee 的一個顯著特點。由于工作周期短、收發(fā)信息功耗較低、以及采用了休眠機制，ZigBee 終端僅需要兩節(jié)普通的五號干電池就可以工作六個月到兩年。低成本：協(xié)議簡單且所需的存儲空間小，這極大降低了ZigBee 的成本，每塊芯片的價格僅2 美元，而且 ZigBee 協(xié)議是免專利費的。時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。傳輸圍?。涸诓皇褂霉β史糯笃鞯那疤嵯?，ZigBee 節(jié)點的有效傳輸圍一般為 10 至 75m，能覆蓋普通的家庭和辦公場所。

17、數(shù)據(jù)傳輸速率低： 2.4 GHz頻段為 250 kb/s ，915MHz頻段為 40kb/s ，868MHz頻段只有 20kb/s 。數(shù)據(jù)傳輸可靠：由于ZigBee 采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，從而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，保證了節(jié)點之間傳輸信息的高可靠性。3.3 zigbee的應(yīng)用ZigBee 的出現(xiàn)將給人們的工作和生活帶來極大的方便和快捷，它以其低功耗、低速率、低成本的技術(shù)優(yōu)勢，適合的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：家庭和建筑物的自動化控制：照明、空調(diào)、窗簾等家具設(shè)備的遠程控制以使其更

18、加節(jié)能、便利，煙塵、有毒氣體探測器等可自動監(jiān)測異常事件以提高安全性；消費性電子設(shè)備：電視、DVD、 CD機等電器的遠程遙控（含ZigBee 功能的手機就可以支持主要遙控器功能）。PC外設(shè)：無線鍵盤、鼠標(biāo)、游戲操縱桿等；工業(yè)控制：利用傳感器和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)使數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理變得更加容易；醫(yī)療設(shè)備控制：醫(yī)療傳感器、病人的緊急呼叫按鈕等；3.4物理層服務(wù)規(guī)物理層通過射頻固件和硬件提供給MAC層與物理無線信道之間的接口。 物理層還包括物理層管理實體 （ PLME）, 以提供調(diào)用物理層管理功能的管理服務(wù)接口，同時 PLME還負責(zé)維護物理層PAN信息庫（ PHYPIB）。物理層通過物理層數(shù)據(jù)

19、服務(wù)訪問點（ PD-SAP）提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)；通過物理層管理實體服務(wù)訪問點（ PLME-SAP）提供物理層管理服務(wù)。PD-SAP支持兩個對等的MAC層實體之間傳輸MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ MPDU）。PD-SAP支持的原語一共有三種：PD-DATA.request 、 PD-DATA.confirm 和PD-DATA.indication。（1）PD-DATA.request 原語由 MAC層發(fā)送給本地物理層， 請求發(fā)送 MPDU（即物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ PSDU）。物理層收到 PD-DATA.request 原語之后，如果設(shè)備處于發(fā)射使能狀態(tài) （ TX_ON），則物理層先把請求原語提供的PSD

20、U封裝成物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PPDU），然后開始發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，物理層就向MAC層發(fā)出狀態(tài)為 SUCCESS的證實原語 PD-DATA.confirm 。如果設(shè)備處于接收使能狀態(tài)（RX_ON）或者處于發(fā)送關(guān)閉狀態(tài)（ TRX_OFF），則物理層向 MAC層發(fā)送狀態(tài)為RX_ON或 TRX_OFF的證實原語 PD-DATA.confirm 。（2）PD-DATA.confirm 原語由物理層發(fā)送給MAC層，作為對 PD-DATA.request原語的響應(yīng)。（3）PD-DATA.indication 原語指示一個 MPDU從物理層傳送到本地 MAC層實體。此原語由物理層產(chǎn)生并發(fā)送給 MAC層以

21、提交接收到的 PSDU。如果接收到的 psduLength 字段為 0 或者大于部常數(shù) aMaxPHYPacketSize，則物理層不產(chǎn)生原語服務(wù)。PLME-SAP允許在 MLME和 PLME之間傳送管理命令。 PLME-SAP支持的原語有PLME-CCA、PLME-ED、 PLME-GET、PLME-SET-TRX-STATE和 PLME-SET。（1）PLME-CCA.request原語請求 PLME執(zhí)行空閑信道評估（ CCA）。收到PLME-CCA.request原語后，如果設(shè)備處于接收使能狀態(tài)，PLME就指示物理層進行信道評估。物理層完成CCA后， PLME就向 MLME發(fā)送 PLME

22、-CCA.confirm 原語，根據(jù) CCA結(jié)果提供信道狀態(tài)信息（BUSYIDLE）。如果設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)（TRX_OFF）或者發(fā)送使能狀態(tài)（ TX_ON），則無法進行信道評估，此時PLME向 MLME發(fā)送PLME-CCA.confirm 原語，指示 CCA失敗的原因（ TRX_OFF或者 TX_ON）。（2）PLME-ED.request 原語請求 PLME執(zhí)行能量檢測（ ED）。收到PLME-ED.request 原語后，如果設(shè)備處于接收使能狀態(tài)，PLME就指示物理層進行能量檢測。物理層完成ED后， PLME就向 MLME發(fā)送 PLME-ED.confirm 原語，報告能量檢測成功（ SUCCESS）和測得的能量信道等級。如果設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)（ TRX_OFF）或者發(fā)送使能狀態(tài)（ TX_ON），則無法進行能量檢測，此時 PLME向MLME發(fā)送 PLME-ED.confirm 原語，指示 ED失敗的原因（ TRX_OFF或者 TX_ON）