（计算机应用技术专业论文）雷达数字中频测试系统.pdf

摘要 摘要 雷达数字中频接收机是为满足现代雷达系统对接收机的高技术指标而开发， 该系统利用高性能的采集系统对中频直接数字化，采用先进的数字信号处理技术， 从而获得较大的线性动态范围以及十分理想的u q 质量，大大提高了雷达系统的 整机性能。 如何对数字中频系统中的a d c 性能和i 、q 性能进行测试，是很有实用价值 的工作。通过对它的性能进行评估，能够确定系统是否符合要求，并且可以找到 影响系统性能的主要因素，以便更好地改进，在实际运行中也能便于快速查找并 解决问题。 为此我们开发了一套基于u s b 接口的中频测试系统，它能够较直观的分析前 端a d 采样的性能和u q 性能。通过实际测试使用，该中频测试系统使用方便， 在雷达数字中频系统的开发中发挥了重要作用。 关键字：数字中频，测试系统，f i f o ，u s b a b s t r a c t a b s t r a c t r a d a rd i 百t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( d i f ) i sd e v e l o p e df o rt h eh i g h t e c h d e v e l o p m e n ti n d i c a t o r so ft h er a d a rr e c e i v e r , w h i c hr u m t h es i m u l a t e ds i g n a lt od i g i t a l f r e q u e n c yd i r e c t l y ，b yu s i n ga d v a n c e dd i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y w i t h h i 曲一p e r f o r m a n c es y s t e m so ft h ec o l l e c t i o n ，t l l i st e c h n i q u ec a l lg a i nal a r g e rl i n e a r d y n a m i cr a n g ea n dv e r yg o o da m p l i t u d ea n dq u a l i t y ，a n di m p r o v et h er a d a rs y s t e m s o v e r a l lp e r f o r m a n c eg r e a t l y i ti sv e r yu s e f u lt oo u rw o r kb yt e s t i n gt h ed ma d cp e r f o r m a n c ea n di q p e r f o r m a n c e w ec a nc o n f i r mt h ed i fi sm t h er e q u e s tw h i c hw en e e do ru o t w ec a l l a l s o f i n dt h em a i nf a c t o r sw h i c hm a k et h ep e r f o r m a n c ew o r s e w cc a nf i n dt h e p r o b l e mq u i c l d ya n d s o l v et h ep r o b l e m u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) i n t e r f a c ei st h em o s tp o p u l a rm o d ei nh a r d w a r e d e s i g n i tu s es i m p l ea n dc o n v e n i e n c ea n dc a nb eu s cf o rp l u ga n dp l a y ，i th a v ep o w e r i n p u tw i t h o u tp o w e ri n p u to u t s i d e i t sc a b l e sd e f i n ej sv e r yc r i t e r i o n u s b2 0s t a n d a r d c a l ls u s t a i n4 8 0 m b p st r a n s l a t i o nr a t e ，i tc a l lf i tt h em o s ta p p l i c a t i o n ，i ti st h es t a n d a r d i n t e r f a c ef o rt h em o s tm i c r o c o m p u t e r t h ea n a l y s es o f t w a r ei sd e v e l o p e db yu s i n gm a t l a b i tc a na n a l y s et h ed a t aw h i c h i sg a t h e r e db yt h et e s ts y s t e mh a r d w a r e ，i tc a ns h o wt h ea n a l y s ed a t ab yp i c t u r e s o w ed e v e l o p e dad i ft e s ts y s t e r nb a s e do uu s ba d a p t e r , i tc a na n a l y s et h e f r o n t - e n da d cp e r f o r m a n c ea n dt h ei qp e r f o r m a n c e w ef o u n dt h ed i ft e s ts y s t mi s e a s yt on s et h r o u g hw ea c t u a lu s e i ti sav e r yi m p o r t a n tt o o l sf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h e d i f k e y w o r d s ：d i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y , t e s ts y s t e m ，f i f o ，u s b 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 签名： 美妄盛 日期；2 0 0 6 年l 。月，。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：敦导师签名：血至：堡 日期：2 0 0 6 年，9 月z o 日 第一章引言 第一章引言 1 1 课题背景 雷达最初是通过无线电技术对飞机探测和定位的( “r a d a r ”是r a d i o d e t e c t i o na n dr a n g i n g 的缩写) 。但是随着雷达波束方向性和接收机灵敏度，以 及发射机相参性的提高，雷达的作用越来越大，可以成功的测绘地球表面和天气 图，并且雷达信号可以到达宇宙空间测到临近行星的表面特征。雷达波束就像x 射线一样可以穿透雷暴雨和云体，观察其内部结构。这样的观察所得的天气预报 资料，为研究人员提供更好的预报和警告使之了解事物规律和暴风雨动力学。 雷达的基本概念相对简单，但在许多场合下它的实现不容易。它以辐射电磁 能量并检测发射体( 目标) 发射的回波的方式工作。回波信号的特征可以提供有 关目标的信息。通过测量辐射能量传播到目标并返回的时间可得到目标的距离。 目标的方位通过方向性天线( 具有窄波束的天线) 测量回波信号的到达角来确定。 如果是动目标，雷达能推导出目标的轨迹或航迹，并能预测它未来的位置。动目 标的多普勒效应使接收的回波信号产生频移，因而即使固定回波信号幅度比动目 标回波信号幅度大多个数量级时，雷达也可根据频移将希望检测的动目标( 如飞 机、云、雨的移动) 和不希望的固定目标( 如地杂波和海杂波) 区分开。当雷达 具有足够高的分辨率时，它能识别目标尺寸和形状的某些特征。雷达可在距离上、 角度上或这两方面都获得分辨率。距离分辨率要求雷达具有大的带宽，角度分辨 率要求大的电尺寸雷达天线。在横向尺度上，雷达获得的分辨率通常不如其在距 离上获得的分辨率高。但是当目标的各个部分与雷达间存在相对运动时，可运用 多普勒频率固有的分辨率来分辩目标的横向尺寸。 雷达天线收集的回波信号送往接收机。接收机的用途主要有：( 1 ) 将所需的 回波信号从始终存在的噪声和其它干扰信号中分离出来；( 2 ) 放大信号，使其幅 度足以在阴极射线管之类的显示器中显示或能被数字设备自动处理。中频放大器 部分是接收机中的重要组成部分。 雷达数字中频接收机是为满足现代雷达系统对接收机的高技术指标而开发， 该系统利用高性能的采集系统对中频直接数字化，采用先进的数字信号处理技术， 从而获得较大的线性动态范围以及十分理想的i q 质量，大大提高了雷达系统的 整机性能。对数字中频的性能测试是非常重要的一项工作。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 课题研究所完成的主要工作 在数字中频系统中，需要将接收器的中频输出信号变换为正交的两路基带信 号，即采用i 、q 两种通道来检波。由于保留了信号的相位信息，两个基带信号 可以用来进行相干积分，因此，使用正交探测技术的i q 接收器比不使用正交探 测技术的接收器，具有更大的动态范围和更高的精度。如何对数字中频系统中的 a d c 性能和i 、q 性能进行测试，是很有实用价值的工作。通过对它的性能进行 评估，能够确定系统是否符合要求，并且可以找到影响系统性能的主要因素，以 便更好地改进，在实际运行中也能便于快速查找并解决问题。 本文为实现对于中频系统的a d 和u q 性能的综合测试而提出并实现了种 基于u s b 2 0 接口的测试系统。在该系统中，通过大容量的f i f o 存储芯片和控制 电路来存储a d 及i q 数据，然后利用u s b 收发器将数据发送到主机，最后利用 m a t l a b 软件进行分析处理。 1 3 本文的章节安排 本文共分为六大部分。第一章引言，主要介绍本课题的研究背景以及本课题 需要完成的功能。第二章中频系统介绍，介绍了雷达中频系统原理及应用等，对 模拟中频和数字中频进行了对比。第三章数字中频测试系统方案简介，介绍了该 测试系统的测试原理和解决方案。第四章u s b 技术的研究，介绍了u s b 技术， 以及u s b 设备驱动程序的结构。第五章中频测试系统硬件设计，这一部分是本文 的重点，阐述了系统硬件设计原理、具体模块设计和器件的选型。第六章程序设 计，也是本文的另一个重点，介绍了本测试系统中固件程序、驱动程序、高级应 用程序和后端分析软件的编制。第七章总结，对本系统的优缺点进行综述，并展 望未来。 1 4 项目来源及本人参与设计开发的内容 项目的需求来自于成都远望科技有限责任公司，该公司主要为国内多家雷达 厂家研制和生产信号处理器和数字中频，其信号处理器和数字中频系统在国内居 于领先地位。本项目是为该公司生产的多种型号的雷达数字中频系统提供一个方 便、实用的测试系统。在整个项目的开发过程，本人作为项目负责人主要参加了 以下的工作： 1 整体项目的需求调研，掌握用户的真正需求以及软件要实现的功能。 2 项目的设计以及开发安排。 2 第一章引言 3 ，系统硬件电路设计。 4 系统固件程序和c p l d 程序设计 5 系统u s b 驱动程序代码和数据采集部分的实现。 6 。全部软件的测试以及项目的实施。 在整个项目的研发过程中，所有的硬件电路的设计和绘制都是由本人独立完 成。另外，u s b 固件程序和驱动程序也是由本人独立完成。而后端分析软件是由 项目组中的其它同事共同完成。到目前为止，该测试系统已经投入实用并收到很 好的效果。它不仅成为公司中频系统开发过程中重要的一个测试工具，由于其良 好的易操作性和实用性，因此也被雷达厂家作为系统自检查的工具之一。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 中频系统简介 第二章中频系统 2 1 1 接收机原理 雷达接收机是雷达系统的重要组成部分，它的主要功能是对雷达天线接收到 的微弱信号进行放大、变频、滤波及数字化处理，同时抑制来自外部的干扰、杂 波以及机内的噪声，使信号保持尽可能多的目标信息，用以进行进一步的信号处 理和数据处理。雷达接收机的任务是通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频 信号从伴随的噪声和干扰中选择出来。并经过放大和检波后，送至显示器、信号 处理器或由计算机控制的雷达终端设备中。图2 - 1 是雷达接收机的原理框图。 图2 - 1 雷达接收机的原理框图 从天线接收的高频回波通过收发开关加至接收机保护器，一般是经过低噪声 高频放大器后加补偿后再送到混频器。在混频器中，高频回波脉冲信号与本机振 荡器的等幅高频电压混频，将信号频率降为中频( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) ，再由多 级中频放大器对中频脉冲信号进行放大和匹配滤波，以获得最大的输出信噪比， 最后经过检波器和视频放大后送至终端处理设备。 2 1 2 模拟中频与数字中频的应用 随着通信、雷达、医学成像等技术的不断发展，人们对信号处理的稳定性和 灵活性要求越来越高。这些技术中信号处理的一个共同点就是采用复解调，传统 以模拟复解调处理的方式已不能满足对输出信号的幅度一致性、相位致性越来 越高的要求。而高速、宽动态范围a d 变换器和大规模集成电路器件的发展。使 高速数字复解调方法的实现成为现实。 传统的信号处理中，中频解调采用模拟复解调的方法，其基本原理是用压控 4 第二章中频系统 振荡器和锁相环产生两路正交的中频载波信号。输入的中频信号通过模拟乘法器 分别和两路正交的中频载波信号相乘实现输入信号在频域的搬移，然后通过模拟 低通滤波器得到i ( i n - p h a s e ，同相) 和q ( q u a d r a t u r e ，正交) 两路基带信号，从而 实现信号的下变频搬移和得到两路正交信号。由于模拟复解调采用模拟器件实现， 因而稳定性和灵活性都不理想。具体表现在：模拟器件产生的中频载波信号的稳 定性差；模拟乘法器的线性不好；模拟滤波器多采用l c 电路，其滤波特性难以 调节且不易随具体应用的需求而改变；模拟分立元件的不一致性，i 、q 两路的幅 度和相位一致性难以得到保证。模拟中频处理是将接收到的信号与相差9 0 。的两 个r f ( 射频信号) 参考信号分别相乘，得到的i 、q 信号经过放大和滤波，再分 别数字化。而数字中频处理则是直接用高速a d c 采样r f 信号，将其数字化后再 在d s p 上进行一系列数字处理。它们的处理框图如图1 - 2 所示。 一 图2 - 2 模拟中频处理和数字中频处理的对照 模拟混频器对于输入非常敏感，而且容易引起输出d c 谐波失真，需要精细 的设计，而模拟滤波器又易受到温度漂移和噪声的影响，与之比较，数字设备则 不会受其影响，且具有更好的精确度和灵活性。所以数字中频处理技术具有广阔 的应用前景。 数字复解调可以很好地解决这些问题：数字器件的精度只取决于数据的位数， 不受温度、元器件个体差异等因素的影响。可以最大程度地确保信号的一致性。 数字复解调一般是先用高速、宽动态范围的a d 转换器直接将中频信号变成数字 信号，然后和数字控制振荡器产生的两路正交的数字中载波信号相乘，实现输入 信号在频域的搬移，再经数字滤波后得到数字基带信号，输出结果可以用d s p 或 计算机作进一步处理。与传统的模拟复解调方法相比，数字复解调由于采用数字 电子科技大学硕士学位论文 器件，其稳定性得到保证，同时载波的频率和相位、滤波器的特性等很容易根据 应用的需求而调整，解调输出信号的幅度、相位一致性有很大提高。这些是模拟 方法无法比拟的。进行数字复解调首先要获得高精度的数字化数据，随着高速采 样和量化技术发展，当前的高速的a d 转换器可直接采样中频信号。数字解调和 直接i q 采样如图2 3 所示 图2 - 3 数字中频处理单元框图 2 1 3 数字中频测试系统的意义 在数字中频系统中，a d 转换的性能以及后端i 、q 信号的幅度一致性误差、 相位正交误差、以及功率计算等参数的测试现在还比较麻烦。如果使用逻辑分析 仪来测试的话，需要使用很多测试电缆，而且仪器体积庞大、专业性强、测试方 法繁锁、测试项目较少，对于一般用户而言使用都不是很方便。如果能有一套简 单、可行的测试工具能对a d c 性能和i 、q 信号的各种性能进行方便的测试的话， 将极大方便数字中频测试系统的开发和应用，也便于在实际工作中快速查找和定 位系统故障。本项目准备使用数据采集卡+ 分析软件的方法来实现对数字中频系 统性能的分析。数据接口采用u s b 接口与计算机相连，将大大增强系统的灵活性。 目前，在数字中频领域，同类型的测试系统还比较少见，因此，开发出来以 后，具有较强的实际意义。不仅能方便用户对数字中频进行日常的维护，也能方 便技术开发人员对整个中频系统的开发调试。 6 第二章中频系统 2 2 使用测试系统来解决中频设计和使用中的问题 2 2 1 数字中频测试系统的开发目标 通过该中频测试系统，我们可以达到以下的目标： 1 使用中频测试系统可以做到现场采集数据，现场实时图形分析，方便测量 人员对于测量数据进行有效的核实和检测。取代以前必须通过逻辑分析仪获得数 据的测量方式，真正做到数据采集简单、方便，显示更直观。 2 该测试系统采用u s b 2 0 接口，测试系统小巧，对后台的计算机要求并不 高，使用一台笔记本就可以操作。操作方便，更适合于现场操作。 3 测试装置使用简单，不需要测试人员掌握中频系统中的a d 和u q 引脚 定义，使用少量的接插件就可以完成测试。数据可存储，供以后进行对比分析。 2 2 2 数字中频测试系统的技术特点 通过整体解决方案的设计到实施，我们总结出整套方案具备以下的特点： 1 易操作性：由于当前u s b 接口的应用非常普及，而且安装使用非常方便， 采用u s b 接口的测试系统使用比较简便。 2 实用性：前后端模块相对独立，可以在前台采集的数据基础上根据用户的 需求，在后台完成多种类型的数据分析工作，并主要通过图形方式完成，非常直 观。非常适合进行数字中频的性能测试。 3 可靠性：本测试系统接入到雷达数字中频系统中以后，并不会影响到整个 系统的稳定性，保证了系统的正常工作。 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章数字中频测试系统方案简介 3 1 测试原理 在对国内外的相关报道中，我发现，大致的基本原理是： 传统的信号处理中，中频解调采用模拟复解调的方法，其基本原理是用压控 振荡器和锁相环产生两路正交的中频载波信号。输入的中频信号通过模拟乘法器 分别和两路正交的中频载波信号相乘实现输入信号在频域的搬移，然后通过模拟 低通滤波器得到i ( i n p h a s e ，同相) 和q ( q u a d r a t u r e ，正交) 两路基带信号，从而实 现信号的下变频搬移和得到两路正交信号。由于模拟复解调采用模拟器件实现， 因而稳定性和灵活性都不理想。具体表现在：模拟器件产生的中频载波信号的稳 定性差；模拟乘法器的线性不好；模拟滤波器多采用l c 电路，其滤波特性难以 调节且不易随具体应用的需求而改变；模拟分立元件的不一致性，i 、q 两路的幅 度和相位一致性难以得到保证。 数字复解调可以很好地解决这些问题：数字器件的精度只取决于数据的位数， 不受温度、元器件个体差异等因素的影响。可以最大程度地确保信号的一致性。 数字复解调一般是先用高速、宽动态范围的a d 转换器直接将中频信号变成数字 信号，然后和数字控制振荡器产生的两路正交的数字中载波信号相乘，实现输入 信号在频域的搬移，再经数字滤波后得到数字基带信号，输出结果可以用d s p 或 计算机作进一步处理。与传统的模拟复解调方法相比，数字复解调由于采用数字 器件，其稳定性得到保证，同时载波的频率和相位、滤波器的特性等很容易根据 应用的需求而调整，解调输出信号的幅度、相位一致性有很大提高。这些是模拟 方法无法比拟的。进行数字复解调首先要获得商精度的数字化数据，随着高速采 样和量化技术发展，当前的高速的a d 转换器可直接采样中频信号。 i q 接收器内部带有a d c ，接收器的i 、q 两路输出均为数字信号，可以通 过获取其输出的数字信号，来测试接收器的性能。 3 1 1i q 接收器的性能 在l q 接收系统中，l 和q 两路分量之间的幅度不一致和相位不正交是影晌 系统性能的主要因素。从理论上来讲，i 、q 两路分量应该是幅度完全一致、相位 正交的，但是对模拟式i q 接收器，i 、q 两分量之间的幅度一致性只能达到o 5 d b ， 而相位正交误差达3 。数字式i q 接收器采用了直接中频采样和数字相干检波 8 第三章数字中频测试系统方案简介 的方法，在数字域内用数字信号处理的方法进行正交检波，经过数字滤波得到了 正交的两路基带信号，避免了模拟乘法器和低通滤波器等模拟器件带来的误差。i 、 q 两路的幅度一致性和相位正交误差取决于数字信号处理器的设计，数字式i q 接收器的性能可远超过传统i q 接收器，两路的幅度一致性误差达到0 0 0 8 d b ， 相位正交误差仅为0 2 。 3 1 2 波形获取和恢复 在理想的a d 变换中，采样间隔是固定不变的，根据采样原理，只要输入信 号不大于采样频率的一半，就可以从离散的采样数字信号中无失真地恢复出原始 信号来。对于一个有限带宽信号，可以通过一个低通滤波器在样本之间实现真正 的内插，重建波形的公式为： ( f ) = x ( n t ) h ( t 一，z 刃 这种内擂芳式，只要信号x ( t ) 足带宽有限的，而采样频率又满足采样定律 的条件，就能实现真正的重建。i q 接收器的信号是满足以上条件的，所以适合 采用上述的带限内插法。 3 1 - 3 数字频谱分析 一个单频信号经过1 0 接收器之后，由a d c 变换成了离散信号，输出的是 信号和噪声的叠加，而在实际的系统中。可能还有其他的随机噪声、谐波失真、 杂散波失真、互调失真等，要在时域内分辨这些信号非常困难。数字频谱分析是 目前应用最广泛的一种测试a d c 性能的方法之一。它采用频域分析，能测试采 集系统的信噪比( s n r ) 、信号噪声谐波比( s n h r ) 、总谐波失真( t h d ) 、有效位 ( e n o b ) 、无伪波动态范围( s f d r ) 、互调失真( i m d ) 等指标。其原理是在a d c 的 输入端加上一个“纯净”的正弦波，对a d c 的输出数字信号做谱分析，分离其 中的信号、直流、谐波、杂散波以及噪声成分如果输入的是两个正弦波的叠加， 还可以找出双音互调成分。假设除信号和直流成分外，其余均由a d c 产生，由 此可以获取a d c 的各种动态特性指标。 对i q 接收机，也可采用同样的方法测试上述这些指标。对i q 接收器最重要 的两个参数，即i 和q 两路分量之间的幅度一致性和相位正交性，可采用如下办 法计算：把i 、q 两路信号分别作f f t ，找出频域内信号的幅度，即可算得两路 分量的幅度致性；把i 、q 两路信号合成一个复数信号，作f f t ，对得到的频 谱求镜像抑制比( 即频域内的信号与信号镜像的幅度比) ，通过镜像抑制比和幅度 9 电子科技大学硕士学位论文 一致性，可求出接收机的i 和q 两路分量之问的相位正交性。 3 2 总体解决方案框架结构设计 本测试系统由两个部分组成；a d c 测试部分和i 、q 测试部分。由两块独立 的测试模块与软件构成，由于采用了u s b 接口，这样整个系统体积更小，安装方 便，测试起来更加灵活。本系统主要结构如图3 1 所示。 本系统按模块可以划分为数据接收模块、传输模块、数据分析模块。其中数 据接收模块负责与a d c 接口以及i 、q 输出接口相联接，获取数据。传输模块负 责将数据从接收卡传到主机。软件模块负责数据的分析处理。 高性能熬据 采集系境 d i f _ a d n c 鬻试 ll 。 i ：一r li l 一基剥。燃b _ 主机 舅试 数字下变顿 廿口、 1v v软粹 d i f d d c l q 测试 ? l 刮塑矧。矧缝，u 擞嘉b主机 嗣试 f 1软件 一l uu ud l 图3 - l 数字中频测试系统原理框图 3 3 中频测试系统测试方法与过程 中频测试系统由两个单独的测试模块来独立完成a d c 测试和i 、q 测试。 1 a d c 测试部分：测试模块插入到中频系统中专用的a d c 输出d i p 槽中，由采集软件发出采样命令，将采集到的二进制补码数据转换成 十进制数，并输出到相应文件中。并由m a t l a b 程序打开数据文件， 来完成分析。 2 i 、q 测试部分：将中频输出的i 、q 数据经过一个数据格式转换板将 l v d s 信号变成普通差分信号，由采集软件发出采样命令，将采集到 l o 第三章数字中频测试系统方案简介 的二进制补码数据转换成十进制数，并输出到相应文件中。并由 m a t l a b 程序打开数据文件，来完成分析。 电子科技大学硕士学位论文 第四章u s b 技术研究 4 1u s b 接口简介 u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) 是由c o m p a q 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 等七家公司于 1 9 9 5 年所研发与规范出来的，随着近几年的推广与应用，u s b 已经成为个人计算 机的标准的外设接口，并将逐步取代所有的各种传统外围接口，如串行端口、并 行端口以及游戏接口等。相对于传统外围接口，u s b 具有诸多特性和优点：统一 了各种接口设备的连接头、即插即用( p l u g a n d f l a y ) 特性、“热插拨” ( h o ta t t a c ha n dd e t a c h ) 特性、具备1 2 m b p s 或4 8 0 m b p s 的标准传输速率及更高的传 输速率、最多可以连接1 2 7 个设备、可由u s b 电缆供电而不需要附加电源、具有 电源管理功能。 4 1 1u s b 的优点 1 u s b 为所有的u s b 外设提供了单一的、易于使用的标准的连接类型。这 样一来就简化了u s b 外设的设计。同时也简化了用户在判断哪个插头对 应哪个插槽时的任务，实现了单一的数据通用接口。 2 整个的u s b 的系统只有一个端口和一个中断，节省了系统资源。 3 ，u s b 支持热插拔( h o tp l u g ) 和p n p ( p l u g - a n d - p l a y ) ，也就是说在不关闭p c 的情况下可以安全的插上和断开u s b 设备，计算机系统动态地检测外设 的插拔，并且动态地加载驱动程序。其他普通的外围连接标准，如s c s i 设备等必须在关掉主机的情况下才能插拔外围设备。 4 u s b 在设备供电方面提供了灵活性。u s b 直接连接到h u b 或者是连接 到h o s t 的设备可以通过u s b 电缆供电，也可以通过电池或者其它的电 力设备来供电，或使用两种供电方式的组合并且支持节约能源的挂机和 唤醒模式。 5 u s b 提供全速1 2 m b p s 的速率和低速1 5 m b p s 的速率来适应各种不同类 型的外设。u s b 2 0 还支持4 8 0 m b p s 的高速传输速率。 6 ，为了适应各种不同类型外围设备的要求，u s b 提供了四种不同的数据传 输类型：控制传输、b u l k 数据传输、中断数据传输和同步数据传输。同 步数据传输可为音频和视频等实时设备的实时数据传输提供固定带宽。 7 u s b 的端口具有很灵活的扩展性，一个u s b 端口串接上一个u s bh u b 第四章u s b 技术研究 就可以扩展为多个u s b 端口。 4 1 2u s b 传输方式 u s b 有四种的传输方式控制( c o n t r 0 1 ) 、同步( i s o c h r o n o u s ) 、中断( i n t e r r u p 0 批 量( b u l k ) 。如果是从硬件开始来设计整个的系统，就要正确选择传输的方式，而作 为一个驱动程序的书写者，就只需要弄清楚他是采用的什么工作方式就行了。通 常所有的传输方式下的主动权都在p c 边，也就是h o s t 边。 1 控制( c o n t r 0 1 ) 方式传输：控制传输是双向传输，数据量通常较小。u s b 系 统软件用来主要进行查询、配置和给u s b 设备发送通用的命令。控制传 输方式可以包括8 、1 6 、3 2 和6 4 字节的数据，这依赖于设备和传输速度。 控制传输典型地用在主计算机和u s b 外设之间的端点( e n d p o i n t0 1 之间 的传输，但是指定供应商的控制传输可能用到其它的端点。 2 同步( i s o e h r o n o u s ) 方式传输：同步传输提供了确定的带宽和间隔时间 ( 1 a t e n c y ) 。它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于 要求恒定的数据传输率的即时应用中。例如执行即时通话的网络电话应 用时，使用同步传输模式是很好的选择。同步数据要求确定的带宽值和 确定的最大传输次数。对于同步传输来说，即时的数据传递比完美的精 度和数据的完整性更重要一些。 3 中断( i n t e r r u p t ) 方式传输：中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中 断数据要传输。设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，从1 到 2 5 5 m s 之间。这种传输方式典型的应用在少量的分散的、不可预测数据 的传输。键盘、操纵杆和鼠标就属于这一类型。中断方式传输是单向的 并且对于h o s t 来说只有输入的方式。 4 批量( b u l k ) 传输：主要应用在数据大量传输传输和接受数据上，同时又没 有带宽和间隔时间要求的情况下，要求保证传输。打印机和扫描仪属于 这种类型，这种类型的设备适合于传输非常慢和大量被延迟的传输，可 以等到所有其它类型的数据的传输完成之后再传输和接收数据。 u s b 将其有效的带宽分成各个不同的帧( f r a m e ) ，每帧通常是l m s 时间长。每 个设备每帧只能传输一个同步的传输包。在完成了系统的配置信息和连接之后， u s b 的h o s t 就会对不同的传输点和传输方式做一个统筹安排，用来适应整个的 u s b 的带宽。通常情况下，同步方式和中断方式的传输会占据整个带宽的9 0 ， 剩下的就安排给控制方式传输数据。 电子科技大学硕士学位论文 4 2u s b 的总线结构 u s b 的总线结构是采用阶梯式星形的拓扑结构，如图4 1 所示。从图中可以 看出u s b 的设备包含了两种类型：u s b 集线器和u s b 设备。位于最顶端的为 u s bh o s t ( 主机端) 。从h o s t 的联机往下连接至h u b ( 集线器) ，再由集线器按阶 梯式以一层或一阶的方式往下扩展出去，连接在下一层的设备或另一个集线器上。 事实上，集线器也可视为一种设备。而其中最大阶层数为6 层( 包括计算机内部 的根集线器) 。 主机端通常指p c 主枫。因主机端具有根集线器，因此也含有集线器的功能。 而集线器是在u s b 规范中特别定义出来的外围设备，除了扩展系统的连接点外， 还负责中继上游下游的信号以及控制各个下游端口的电源管理。至于另一个设 备，即是用户常见的外围设备，在u s b 规范中，称这类设备为“功能设备” ( f u n c t i o n d e v i c e s ) ，即此设备提供了某些能力，如具有键盘鼠标等功能。不同的 外围设备可以具有不同的功能。 通过这种阶梯式星形的连接方式，最多可以同时连接1 2 7 个设备。p c 主机通 过以下方式对所有连接到主机端的外围设备加以区分并寻址： 7 图4 - 1u s b 总线的阶梯式星形结构 首先，p c 一接上电源时，所有连接上u s b 的设备与集线器都会预设为地址 0 。此时，所有的下游的连接器都处于禁用且为失效的状态。然后，p c 主机就会 1 4 第四章u s b 技术研究 向整个u s b 总线查询。若发现第一个设备，就将地址1 分配给该设各。然后再往 下寻找第二个地址，且目前仍为0 的设备或集线器。若发现新设备，则将地址2 分配给该设备，若为集线器，则激活其所扩充的第一个下游的连接器。而后再沿 此连接器一直往下寻找第三个地址，且仍为0 的设备或集线器。这样重复地寻找 与分配地址，直到适于航行的外围设备都赋予了新的地址，或已达到1 2 7 个外围 设备的极限为止。 这种过程类似于将各个设备分别加以枚举的程序，称之为设备枚举。当然， 主机在配置新地址的同时。p c 主机还要为这个新设备或集线器加载所使用的驱动 程序。 若在此时一个新的设备被接上，p c 主机就会预设此设备为地址0 ，且p c 就 会确认并加载其相应的驱动程序，并分配一个尚未使用的新地址给它。而一旦某 个设备突然被拨离后，p c 可经过d + 或d 一差动信号线的电压变化来检测到此设 备被移除掉，然后就将其地址收回，并列入可使用的地址数值中。 4 2 1u s b 数据流的模式及管道的概念 在u s b 规范标准中也定义了两种外围设备：( 1 ) 单功能设备，如鼠标等；( 2 ) 复合性设备，如数字照相机和音频处理器共享一个u s b 通信端口等。每个接口设 备都具有“端点”( e n d p o i n t ) 地址，它是由令牌包内的4 位字段( e n d p ) 所构成的。 而主机与端点的通信，是经过“虚拟管道”( v i r t u a lp i p e ) 所构成的。而一旦虚拟管 道建立好之后，每个端点就会传回描述该设备的相关信息即描述符给主机。这些 描述符包含了群组特性、传输类别、最大传输包大小与带宽等关于此设备的重要 信息。目前u s b 的数据传输类别有四种类型：控制传输、中断传输、批量传输和 同步传输。 虽然在物理结构上，u s b 总线呈现阶梯式星形的结构，设备通过h u b 连到主 机上，但在逻辑上，主机是直接与各个逻辑设备通信的，就好像它们是直接被连 到主机上一样。如图4 2 所示，即为u s b 设备的逻辑连接。而数据流的模式则是 以这些逻辑连接为基本的架构。虽然u s b 系统中的工作都是从逻辑角度来看待 的，但主机必须对物理结构有个了解。例如，在处理h u b 被移去的情况时，当一 个h u b 被移出，通过它与主机相连的设备也应一起被移去，这是由其物理结构决 定的。 电子科技大学硕士学位论文 圈4 2u s b 设备的逻辑连接 u s b 系统的物理上、逻辑上的拓扑结构反映了总线的共享性。操纵u s b 应 用设备的客户软件只关心设备上与它相关的接口，客户软件薅须通过u s b 软件编 程接口来操纵应用设备。这与另一些直接访问内存或i o 的总线( 如p c i ，e i s a ， p c m c i a 等) 不同。在运行中，客户软件必须独立于u s b 上的其它设备。这样， 设各和客户软件的设计者就可以只关心该设备及客户软件与主机硬软件的相互 作用的细节问题。图4 3 说明了在图4 - 2 的逻辑结构下，一个设备设计者看到的 客户软件与相应的u s b 功能的关系的视图。 一个u s b 逻辑设备对u s b 系统来说就是一个端点集合。端点可以根据它们 实现的接口来分类。接口即为功能的视图。u s b 系统软件通过一个缺省的控制通 道来管理设备。而客户软件通过管道束( 同端点集相关联) 来管理接口。客户软 件要求数据通过u s b 总线在主机上的一个缓冲区和u s b 设备上的一个端点之间 进行。主机控制器或u s b 设备( 取决于数据传送方向) 将数据打包后在u s b 总线 上传输。由主机控制器同时也协调何时用总线访问在u s b 总线上传递数据包。 图4 - 3 客户软件和u s b 功能的关系 1 6 第四章u s b 技术研究 一个端点是一个可唯一识别的u s b 设备的部分，它是主机与设备间通信流的 一个结束点。一系列相互独立的端点在一起构成了u s b 逻辑设备。每个逻辑设备 有一个唯一的地址，这个地址是在设备连上主机时，由主机分配的，而设备中的 每个端点在设备内部有唯一的端点号。这个端点号是在设备设计时被给定的。每 个端点都是一个简单的连接点，或者支持数据流进设各，或者支持其流出设备， 两者不可兼得。 一个端点的特性决定了它与客户软件进行的传送的类型。一个端点有以下特 性：总线访问频率要求、总线延迟要求、带宽要求、端点号、对错误处理的要求、 能接收或发送的包的最大长度、传送类型、端点与主机的数据传送方向。 端点号不为0 的端点在被设置前处于未知状态，是不能被主机访问的。所有 u s b 设备都需要实现一个缺省的控制方法。这种方法将端点o 作为输入端点，同 时也将端点o 作为输出端点。当u s b 设备接入p c 系统时，u s b 系统用这个缺省 方法初始化设备及以后一般地使用该逻辑设备。 一个u s b 管道是设备上的一个端点和主机上软件之间的联系。体现了主机上 缓存和端点间传送数据的能力。由两个0 号端点组成的通道叫缺省控制管道，一 旦设备加电并复位后，此管道即可使用。其它端点对应的管道只在设备被设置后 才存在。u s b 系统软件在决定设备身份、设置要求和设置设备时使用缺省控制管 道。当设备被设置后，这个设备的特定软件还可使用该管道。u s b 系统软件保留 缺省控制管道的拥有权，协调其它客户软件对管道的使用。由于在令牌封包内， 包含了4 个位的端点地址( e n d p ) 以及一个位于端点描述符中的输入，输出方向 位，所以在一个单独的u s b 设备中最多可对1 6 个输入输出端点寻址，即最多可 有3 2 个端点，相应地也就最多有3 2 个管道。 4 2 2u s b 接口的电气特性 u s b 总线最多可支持1 2 7 个u s b 外设连接到计算机系统。u s b 的拓扑是树 形结构，有1 个u s b 根集线器( r o o th u b ) ，下面还可有若干集线器。1 个集线器 下面可接若于u s b 接口u s b 线缆包括4 条线：v b u s ( u s b 电源) 、d + ( 数据) 、 d ( 数据) 和o n d ( u s b 地) 。线缆最大长度不超过5 m 。u s b i 1 的传输速率最高 为1 2 m b s ( 低速外设的标准速率为1 5 m b s ，高速外设的标准速率为1 2 m b s ) 。 u s b 2 0 的高速设备模式( h i 曲一s p e e dd e v i c e s ) 可以支持最高为4 8 0 m b p s 的传输速 度。图4 - 4 是u s b 电缆结构图。u s b 外设可以采用计算机里的电源( + 5 v ，5 0 0 m a ) ， 也可外接u s b 电源。在所有的u s b 信道之间动态地分配带宽是u s b 总线的特征 7 电子科技大学硕士学位论文 之一，这大大地提高了u s b 带宽的利用率。当一台u s b 外设长时间( 3 m s 以上) 不使用时，就处于挂起状态，这时只消耗o 5 m a 电流。 v b i 珲 d + g n d v 翻，g d + m g n d 图4 = 4u s b 电缆 整个p c 主机与设备之间的电气特性是如何操作的昵? 首选，在设备示连接 至p c 主机的根集线器或集线器的连接端口时，由于d + 与d 两条信号线因为下 拉电阻关系( 见图4 5 ) ，几乎都视为接地，但是若有一个设备刚连接上时，由于 上拉电阻( 1 5 q ) 与下拉电阻( 1 5 0 ) 形成了一个分压器；因此其中有一条数据信号 线( d + 或d 一) 的电位被提升至电压v d 。的9 0 左右。此时，当集线器检测到其中的 一条数据线信号趋近3 v 。时，而另外一条仍维持接地状态时就可确定有一设备已 连接上。p c 主机会不断的每隔一段时间来查询根集线器，检查d + 与d 的电位变 化，以了解设备的连接状态。 忑翮d +羼蔽双绞线噬n f u s b 栽。 刊p j 。 u s b 收发器 1d _ 鼹长5 m 收发器 1- ：g t 或z o - - - 9 0 ( 1 o 1 5 ) oh u b ：碲u 0 或 。u b 端口 全i 外设 图4 - 5 高速u s b 电缆与电阻的示意图 4 2 3u s b 的电源管理 根据供电方式的不同，u s b 设备可分为下列几个类型： 1 总线供电集线器 所有的电源均由上游连接端口来供应，但至多只能从上游端口消耗5 0 0 m a 。 而对于一个有4 个连接端口的集线器来说，每个下游端口最多只能消耗1 0 0 m a ， 因此4 个连接端口其消耗4 0 0 m a 。而集线器本身的控制器与其外围电路可再消耗 l0 0 m a ，因此整个集线器共可消耗5 0 0 m a 。 2 自我供电集线器 第四章u s b 技术研究 集线器本身拥有自己的电源供应器，可以提供给本身的控制器以及所有的下 游端口来使用。而对于每个下游端口，可以供给至少5 0 0 m a 的电流，而此时集线 器最多可从上游端口消