通信08专业综合实验.doc

目 录目 录11 DSP的应用21.1 DSP概况21.2 DSP的历史21.3 DSP的现状31.4 DSP的微处理器32 嵌入式应用52.1 嵌入式系统简介52.2 实时系统的特性62.3 理解任务要求63 ZigBee应用73.1 ZigBee的技术简介73.2 ZigBee的协议的概述73.3 Zigbee技术的应用83.4 物理层服务规范8参考文献101、DSP技术应用数字信号处理是将信号以数字的方式表示并处理的理论和技术。数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过模数转换器实现的。数字信号处理的算法需要利用计算机或专用设备如数字信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）等。数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。1.1、DSP概况数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。 数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。 1.2、DSP历史世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的PD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。1.3、DSP现状在这之后，最成功的DSP芯片当数美国德州仪器公司（TexasInstruments，简称TI）的一系列产品。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列，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产品已经成为当今世界上最有影响的DSP芯片。TI公司也成为世界上最大的DSP芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近50。1.4、DSP微处理器 DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点： 1.在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 2.程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 3.片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； 4.具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； 5.快速的中断处理和硬件I/O支持； 6.具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 7.可以并行执行多个操作； 8.支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 当然，与通用微处理器相比，DSP微处理器（芯片）的其他通用功能相对较弱些。 DSP优点： 对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部参与影响小；容易实现集成；可以分时复用，共享处理器；方便调整处理器的系数实现自适应滤波；可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等；可用于频率非常低的信号。 DSP缺点： 需要模数转换；受采样频率的限制，处理频率范围有限；数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。 但是其优点远远超过缺点。 随着嵌入式实时系统复杂度的提高，设计工程师在定义和分析系统初始要求时必须认真考虑软硬件的协同关系。通常设计工程师还必须权衡系统的灵活性、速度、成本、计划和可用工具之间的关系。本文打算描述嵌入式系统和实时系统的关键特性，并探讨在选择或开发硬件和软件组件的基础上开发高效嵌入式系统的解决方案，同时详细说明嵌入式系统和实时系统开发所特有的关键工艺技术。 嵌入式系统通常是一个包含微处理器的特殊计算机系统，是一个较大系统或设备的组成部分，它在很大程度上决定了设备的功能特性。许多具备数字接口的设备如微波设备、录像机(VCR)和汽车等都会用到嵌入式系统。有些嵌入式系统需要使用操作系统，有些则用单个程序实现整个逻辑，但所有嵌入式系统提供的功能都要比通用计算系统更专业些。嵌入式系统功能包括： 1.监视环境从输入传感器读取数据,然后处理数据并显示结果。 2.控制环境产生并向激励器发送命令。 3.转换信息转换并处理收集到的数据。 虽然通过传感器和激励器完成与外部世界的交互是嵌入式系统的重要特点，但这些嵌入式系统还提供适合它们所在设备的特殊功能。嵌入式系统一般用来执行控制程序、有限状态机和信号处理算法。这些系统还必须检测内部计算环境和周围电磁系统中发生的故障并对此做出响应。 2.嵌入式应用2.1 嵌入式系统简介 嵌入式系统的设计挑战是使嵌入式系统的独特性能与设备的特殊约束条件相一致。以下是一些嵌入式系统的重要特性： 1.特殊应用系统嵌入式系统不同于通用处理器，它针对特殊应用进行了优化。 2.反应性系统反应性计算的意思是系统(主要是软件部分)根据传感器信息对环境作出响应，并利用激励器控制环境，同时系统速度能与环境速度同步。 3.分布式嵌入式系统的一般特征是多个通信进程在多个通过通信链路链接的CPU或ASIC上运行。 4.异类性不同的嵌入式系统一般具有不同的结构，以便在处理严格设计约束的嵌入式系统时能够提供更好的设计便利性。 2.2实时系统的特性 实时系统要求在外部环境指定的时间间隔内对来自环境的激励信号作出响应(包括物理时间的过渡)。从输入时间到输出时间的延迟必须足够小，以满足可以接受的时间值。通常实时系统需要对环境作出连续及时的响应。 计算的正确性不仅依赖于结果，而且取决于输出发生的时间。一个实时系统必须满足有限响应时间约束条件，否则会产生严重的后果。如果后果是性能的劣化而不是故障，那么这种系统可以看作是一个软实时系统。如果后果是系统发生故障，那么这种系统就是一种硬实时系统。 实时系统有反应式和嵌入式两种类型。反应式实时系统会与环境发生连续的互作用，而嵌入式实时系统主要用于控制大型系统中安装的特殊硬件。 嵌入式系统开发生命周期 许多系统设计工程师都会经历硬件/软件协同设计的过程(图1)，此过程中硬件与软件将同时进行开发。理解硬件与软件功能相互之间的关系及界限有助于确保设计要求得到完整正确的理解和实现。 早在设计要求的定义与分析阶段，系统开发人员就必须与设计工程师协同分配硬件或/和软件方面的要求。这种分配的依据是早期系统仿真、原型设计和行为建模结果、工程师自己的经验以及上文提及的各种因素权衡结果(图2)。一旦分配结束，就可以立即着手具体的设计和实现。实时系统开发中软硬件的并行设计会使用到各种分析技术，包括： 1. 硬件与软件仿真； 2.硬件/软件协同仿真； 3.可调度的建模技术，如速率恒定分析； 4.原型设计和渐进式开发。 可以在各种抽象层次使用的仿真技术主要用于开展早期的性能评估。低层仿真可以用来为总线宽度和数据流程建模，这对性能评估是非常有用的。高层仿真可以满足功能的交互，并促成硬件/软件权衡研究及有效性设计。利用仿真可以将一个复杂的系统向下抽象成基础组件和行为。仿真还助于解决功能性问题(数据与算法)、行为(进程排序)或性能问题(资源利用、吞吐量和时序)。 2.3理解设计要求 在作执行任何类型的处理器评估时，首先要详细理解用户的功能和非功能性要求。功能性要求通常比较容易获得，而非功能性要求较难定量测量。但对于实时系统来说，定义响应时间这样的要求是非常重要的。实时要求可以有以下几种： 1.激励激励(S-S)：到系统去的两个激励之间的实时关系； 2.激励-响应(S-R)：一个激励与来自系统的一个后序响应之间的实时关系； 3.响应-激励(R-S)：一个响应与到系统去的一个后序激励之间的实时关系； 4.响应-响应(R-R)：来自系统的两个响应之间的实时关系。 S-R和R-R关系定义了对指定系统的时序要求。这种情况下所实现的功能必须足够快(或足够慢)才能满足时序要求。S-S和R-S约束暗示系统必须能够从环境(可能是一个用户或另外一个系统)中检测出特定时序约束的破坏。3 .ZigBee技术3.1 ZigBee技术简介ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。3.2 ZigBee协议的概述ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。与其它无线通信协议相比，ZigBee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点：低功耗：这是ZigBee的一个显著特点。由于工作周期短、收发信息功耗较低、以及采用了休眠机制，ZigBee终端仅需要两节普通的五号干电池就可以工作六个月到两年。低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且ZigBee协议是免专利费的。时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。传输范围小：在不使用功率放大器的前提下，ZigBee节点的有效传输范围一般为10至75m，能覆盖普通的家庭和办公场所。数据传输速率低：2.4 GHz频段为250 kb/s，915MHz频段为40kb/s，868MHz频段只有20kb/s。数据传输可靠：由于ZigBee采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，从而避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，保证了节点之间传输信息的高可靠性。3.3 zigbee的应用ZigBee的出现将给人们的工作和生活带来极大的方便和快捷，它以其低功耗、低速率、低成本的技术优势，适合的应用领域主要有：家庭和建筑物的自动化控制：照明、空调、窗帘等家具设备的远程控制以使其更加节能、便利，烟尘、有毒气体探测器等可自动监测异常事件以提高安全性；消费性电子设备：电视、DVD、CD机等电器的远程遥控（含ZigBee功能的手机就可以支持主要遥控器功能）。PC外设：无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等；工业控制：利用传感器和ZigBee网络使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易；医疗设备控制：医疗传感器、病人的紧急呼叫按钮等；3.4 物理层服务规范物理层通过射频固件和硬件提供给MAC层与物理无线信道之间的接口。物理层还包括物理层管理实体（PLME）,以提供调用物理层管理功能的管理服务接口，同时PLME还负责维护物理层PAN信息库（PHY PIB）。物理层通过物理层数据服务访问点（PD-SAP）提供物理层数据服务；通过物理层管理实体服务访问点（PLME-SAP）提供物理层管理服务。PD-SAP支持两个对等的MAC层实体之间传输MAC协议数据单元（MPDU）。PD-SAP支持的原语一共有三种：PD-DATA.request 、PD-DATA.confirm 和PD-DATA.indication。（1）PD-DATA.request原语由MAC层发送给本地物理层，请求发送MPDU（即物理层服务数据单元（PSDU）。物理层收到PD-DATA.request原语之后，如果设备处于发射使能状态（TX_ON），则物理层先把请求原语提供的PSDU封装成物理层协议数据单元（PPDU），然后开始发送。数据发送成功后，物理层就向MAC层发出状态为SUCCESS的证实原语PD-DATA.confirm。如果设备处于接收使能状态（RX_ON）或者处于发送关闭状态（TRX_OFF），则物理层向MAC层发送状态为RX_ON或TRX_OFF的证实原语PD-DATA.confirm。（2）PD-DATA.confirm原语由物理层发送给MAC层，作为对PD-DATA.request原语的响应。（3）PD-DATA.indication原语指示一个MPDU从物理层传送到本地MAC层实体。此原语由物理层产生并发送给MAC层以提交接收到的PSDU。如果接收到的psduLength字段为0或者大于内部常数aMaxPHYPacketSize，则物理层不产生原语服务。PLME-SAP允许在MLME和PLME之间传送管理命令。PLME-SAP支持的原语有PLME-CCA、PLME-ED、PLME-GET、PLME-SET-TRX-STATE和PLME-SET。（1）PLME-CCA.request原语请求PLME执行空闲信道评估（CCA）。收到PLME-CCA.request原语后，如果设备处于接收使能状态，PLME就指示物理层进行信道评估。物理层完成CCA后，PLME就向MLME发送PLME-CCA.confirm原语，根据CCA结果提供信道状态信息（BUSYIDLE）。如果设备处于关闭状态（TRX_OFF）或者发送使能状态（TX_ON），则无法进行信道评估，此时PLME向MLME发送PLME-CCA.confirm原语，指示CCA失败的原因（TRX_OFF或者TX_ON）。（2）PLME-ED.request原语请求PLME执行能量检测（ED）。收到PLME-ED.request原语后，如果设备处于接收使能状态，PLME就指示物理层进行能量检测。物理层完成ED后，PLME就向MLME发送PLME-ED.confirm原语，报告能量检测成功（SUCCESS）和测得的能量信道等级。如果设备处于关闭状态（TRX_OFF）或者发送使能状态（TX_ON），则无法进行能量检测，此时PLME向MLME发送PLME-ED.confirm原语，指示ED失败的原因（TRX_OFF或者TX_ON）。（3