（微电子学与固体电子学专业论文）分布式无线数字音频基站的研究.pdf

摘要 本文提出了一种基于i e e e8 0 2 1 5 4 物理层和媒体接入控制层规范的“分 布式无线数字音频基站”的研究和实现方案。首先阐述了具有p o w e r p c 、c p m 双核及优良通信性能特点的微处理器m p c 8 5 2 t 与e p 2 c 3 5f p g a 器件构成的硬 件平台，然后利用s y s t e m v i e w 和m a n a b 工具软件对整个系统展开了建模和仿 真分析设计，最后应用v e r i l o g h d l 语言进行行为描述并在a l t e r a 公司的f p g a 平台上进行了验证研究。 文中在对i e e e8 0 2 1 5 4 规范之2 。4 g h z 模式的物理层和媒体接入控制层特 性分析基础上，给出了诸如半正弦波脉冲整型、交错正交四相相移键控 ( o q p s k ) 调制解调、比特到符号映射等系统关键技术的仿真分析和设计结果 且综合仿真通过。其研究方法和设计过程充分体现了灵活便利、小型化、易于 集成等通信技术发展趋势，具有较大的实用性和科研价值。 关键词：无线数字音频基站；i e e e8 0 2 1 5 4 规范；交错正交四相相移键 控；半正弦波脉冲整型 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , 8s c h e m eo fs t u d ya n di m p l e m e n to nd i s h - i b u t e dw i r e l e s sd i g i t a l a u d i ob a s e s t a t i o nw a sp r e s e n t e d o nt h eo n eh a n d , t h e 矗e s c a l es e m i c o n d u c t o r m p c 8 5 2 tw i t ht w oc o r e sp o w e r p ca n dc p mw a sa p p l i e da n dc o n f i g e dt h ef p g a e t 2 c 3 5 t h i sc h i ph a sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n i na d d i t i o n , t h ew a yp r o c e s sa n d c o m m u n i c a t i o np a r ti np o w e ra n dc p mc a nt a k eg o o du s eo f c h i p se f f i c i e n c y s o t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h i sp a p e rh a sb e e nd e s i g n e db a s eo ni t o nt h eo t h e rh a n d ， t h ew h o l es y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gm a u a ba n ds y s t e m v i e wi ns y s t e mm o d ea n d s i m u l a t i o n , a n di sd e s c r i b e du s i n gv e r i l o gh d l a tl a s t , t h es t u d yi sv e r i f i e d0 1 1t h e a l t e rf p g ae p 2 c 3 5 p l a t f o r m w i t ht h ea n a l y s i s i n ga n ds i m u l a t i n ga b o u tt h ep h ya n dm a co fi e e e 8 0 2 1 5 4s p e c i f i c a t i o ni i i2 4 g h zm o d e , t h ef e a t u r eo fi e e e 8 0 2 1 5 4w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) w a si n t r o d u c e d i nt h i st h e s i s ，s 0 1 u ep i v o t a l t e c h n u l o g i 髓w e r ed i s c u s s e d 。s i m u l a t e d , s y n t h e s i z e da n dv e r i f i e ds u c ha sh a l f - s i n e p u l s es h a p i n g , o q p s km o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n , b i tt os y m b o lm a p p i n g , e t c t h em e t h o da n dp r o c e s sa p p l i e di nt h es t u d yi sf l e x i b l ea n dc o n v e n i e n tf o r i n t e g r a t i o n , m i n i a t u r i z a t i o na n da c c o r d i n gw 训h t h e d e v e l o p m e n to ff u t u r e c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y i th a sab r o a da p p l i c a t i o nf i e l da n dh i g h e rv a l u eo f r e s e a r c h 。 k e y w o r d s ：w i r e l e s sd i g i t a la u d i ob a s e s t a t i o n ，i e e e 8 0 2 1 5 4s p e c i f i c a t i o n , o q p s k , h a l f - s i n ep u l s es h a p i n g 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：芦留馅鹰日期：渺7 ，旺衫 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许 论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库 进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文 在解密后适用本规定 学位论文作者签名：歹訇锯当 日期 翌! ：堕乡 导师签名：汹 剐掘：纳巫哆1 7 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 第1 章绪论 当前，教学资源、教学过程、教学设计及其优化与整合已经成为学校教学 的必然要求，教育者、学习者、教学资源在时间和空间上拥有更大的自由度是 人们长久以来的期望。随着r r 技术的迅猛发展和其在现代教育技术领域的广泛 应用，这种期望实现的可能性越来越大。如果能在校园网基础上实现诸如“可 移动语音呼叫”、“可实时互动音频教学讨论组”、“点对点语音通信”、“点对多 点音频数据组播”等应用，必将极大地丰富学校教学手段，提高教学效率，尤 其是满足外语实时情景语音互动学习的需要，同时也定会给现代教育带来革命 性的机遇。那么如何把短距离无线通信技术、v l s i ( 超大规模集成电路) 设计 技术、r r 技术等领域的研究成果迁移到现代教育技术领域就成为我们当前面对 的一个极大任务和挑战。本课题将结合作者的专业知识和实践技能，在这方面 作些有益的探讨和研究工作。 1 1 课题背景 “分布式无线数字音频基站的研究”就是基于上述设想而提出来的。该课 题涉及通信工程、微电子、e d a ( 电子设计自动化) 、计算机原理以及网络技 术等多学科领域的知识。它将汲取无线局域网技术、数字广播技术和v o 坤( 互 联网上语音i p 电话) 技术，综合s o p c ( 在芯片系统可编程) 硬件解决方案的 优点，在符合国家有关无线电的技术规范和相关电磁兼容标准下，就如何实现 发射功率小。覆盖范围大、设备成本低、可在校园网上灵活布设的音频互动通 信方案及核心设备展开研究。 1 1 1 短距离无线通信技术概述 随着通信和信息技术的不断发展，短距离无线通信技术的应用步伐不断加 快，正日益走向成熟。一般意义上，在额定发射功率下，通信收发双方通过无 线传输信息的距离限制在较短范围( 约几十米) ，就可称为短距离无线通信【i j 。 目前使用较广泛的近距无线通信技术有蓝牙( b l u e l o o t h ) ，无线局域网w l a n ( w i - f i ) 和红外数据传输( i r d a ) 等。同时还有一些具有发展潜力的近距无线 技术标准，它们分别是：紫蜂技术( z i g b e e ) 、超宽带( u l t r aw i d e b a n d ) 、短距 通信( n f c ) 、w i m e d i a 、g p s 、d e c t 、无线1 3 9 4 和专用无线系统等【2 1 。总之它 们各具特色，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求，或着眼于功能的可 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 扩展和兼容性等，且在各领域都有成功应用案例。目前常用的几种主要短距离 无线通信技术部分性能见表l l 。 表1 - 1 主要短距离无线通信技术比较 其中，在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础上发展起来的z i g b e e 技术由于低功耗、 低成本、网络布置灵活等优点被人们广泛地应用在w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k ) 无线个人区域网络和w s n ( w i r e l 韶ss e n s o rn e t w o r k ) 无线传感 器网络领域，成为众多厂商和科研单位的研究应用热点【3 1 。目前已经有多家公 司推出了基于此技术的商品化器件，如f r e e s e a l e 公司的m c l 3 1 9 1 2 3 芯片、 c h i p c o n 公司的c c 2 4 3 0 单芯片s o c 解决方案、e m b e r 公司的e m 2 5 0 z i g b e e 系 统晶片及e m 2 6 0 网络处理器、j e n n i e 的公司的j n 5 1 2 1 单芯片z i g b e e 解决方案 等。同时基于f p g a 的z i g b 技术研究与实现也层出不穷【4 】1 5 j 。可以预测，基 于i e e e8 0 2 1 5 4 的低成本，高性能芯片在未来几年必将大量涌现。因此，结合 上述课题调研情况，本研究采用i e e e8 0 2 1 5 4 规范作为系统的物理层设计参考 将会有巨大的技术和市场支持。 1 1 。2 数宇音频信号处理技术简介 语音通信在现代通信中占有重要位簧，随着信息社会和通信技术的高速发 展，特别是近1 0 年来固定电话和移动通信高速发展，频率资源变得愈加宝贵， 信道利用率成为一项关键因素。因此，压缩语音信号的传输带宽或降低信道的 传输码率，用尽可能低的比特率来获得尽可能高的合成语音质量成为人们追求 的目标。 语音压缩编码通常分为3 类：波形编码( w a v e c o d e r ) ，参数编码( p ar a m e t r i c c o d e r ) 与混合编码( h y b r i dc o d e r ) 6 1 。波形编码与参数编码的重要区别在于 重建的语音时域信号是否在波形上尽量与原始信号波形一致。波形编码力图使 2 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 重建后的语音时域信号的波形与原始信号波形一致，它具有适应能力强，语音 质量好等优点，但编码速率高，其典型代表有：脉冲编码调制( p c m ) 、自适 应p c m ( a p c m ) 、自适应预测编码( a p o ) 、自适应增量调制( a d m ) 、自适 应差分脉冲编码调制( a d p c m ) 和子带编码( s b c ) 等；参数编码在人耳足够 可懂度的原则上重建语音信号。其优点是编码速率低，可以低到2 4 k b p s 甚至 以下，但其合成语音质量差，自然废低，其典型代表有线形预测( l p c l i n e a r p r e d i t ：t i o nc o d i n g ) 编码器、l p c 1 0 编码器、增强型l p c 1 0 e 编码器等。混合 编码是结合以上两类编码方法发展起来的，其典型的代表有码本激励线性预测 编码( c e l p - c o d ee x c i t e dp r e d i c t i v ec o d i n g ) 、矢量和激励线性预测编码 ( v s e c l p - v e c t o rs t u ne x c i t e dp r e d i c t i v e c o d i n g ) 、多带激励编码 t m a e m u l t i b a n de x c i t a t i o n ) 等啊。 1 9 8 2 年，美国国家安全局( n s a ) 公布了2 4 k b p s 的l p c - i o 声码器标准 ( f s 1 0 1 5 ) ：1 9 8 5 年，美国国防部公布了4 8 k b p sc e l p 联邦标准( f s 1 0 1 6 ) ； 1 9 9 2 年，c c i t t 公布了g 7 2 8 的1 6 k b p s 短时延码激励线性预测语音编码 ( l d - c e l p ) 方案；1 9 9 5 年公布了g 7 2 3 的5 3 k b p s 6 3 k b p s a c e l p m l q 双速 率多媒体语音编码标准。1 9 9 6 年公布了g 7 2 98 k b p s 的c s a c e l p 共扼结构一 代数激励编码线性预测编码标准嘲。它 f j 各自性能参数如表1 2 所示。 表1 - 2 几种主要语音编码标准的性能参数 其中i t u - t g 7 2 9 a 标准被广泛地应用于数据通信的各个领域，尤其是在基 于互联网的分组数字语音通信应用中。经调研，目前除了已经成熟的a s i c 和 d s p 商品化器件之外，各种语音处理优化算法和基于f p g a 的i p 核也有大量 应用。因此，系统关于分组数字音频处理部分应该与之兼容。 1 1 3 国内外研究现状分析 经调研，与该研究中涉及基站功能的相关技术、短距离无线通信技术和语 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 音编解码技术等，在众多领域已经得到广泛应用。比如移动通信基站、小灵通 手机基站、联通c d m a 基站、无线接入a p 等都是基站技术应用的成功案例。 无线数据传输关键技术如调频、调幅、调相、调角、幅度键控( a s k ) 、移相键 控( p s k ) 和移频键控( f s k ) 、正交相移键控( q p s k ) 、正交调幅( q a m ) 和最小移频键控( m s k ) 、高斯最小移频键控( g m s k ) 等调制技术很多年前 就已被广泛应用。目前关于o f d m ，m i m o 以及智能天线技术等在无线数据传 输方面的应用也有大量研究和应用。但是在校园网基础上，把分布式基站技术 与无线数字音频技术相结合并应用在实时互动语音教学产品上的研究，尤其是 在低成本、小功率覆盖下如何保证音频通信质量以及实现密集点对多点组播方 面的研究鲜有报道。 总之，鉴于z i g a e e 技术的应用趋势和其自身的强大优势，结合语音编码技 术的发展，尤其是1 1 r u t g 7 2 9 a8 k b p s i 吾音编解码技术的改进，利用强大的e d a 工具，在f p g a 上进行“分布式无线数字音频基站”的s o p c 设计已经成为可 能。随着基站技术和无线数字音频技术以及网络技术的继续发展，关于课题的 主要研究成果必将有较大的科研价值和巨大的实用性。 l 。2 论文研究的主要内容及关键技术 本课题的主要研究思想是鉴于高质量低速率分组数字语音技术的成熟和短 距离无线通信技术日益进步，拟以i e e e8 0 2 1 5 a 标准的p h y 和m a c 规范为 基本构架，在i s m 的2 a g h z 频段2 5 0 k b p s 传输模式下，采用m p c 8 5 2 t 为主 控m p u ，通过c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 3 5f p g a 芯片实现以现有校园网为骨干 网络的分布式无线数字音频基站设计。为将来大量以z i g b e e 技术为基础的低成 本校园无线网络终端提供服务，实现校园园区内无线数字分组音频数据的点对 点通信和组播功能。 因此，本文的主要研究内容涵盏：系统功能设计及工作原理分析、l e e e 8 0 2 1 5 a 协议栈分析与实践、系统基带关键技术的功能分析及仿真设计、系统 基带部分硬件电路的f p g a 实现等。其中i e e e8 0 2 1 5 4 规范中o q p s k ( 交错 正交移相键控) 调制解调仿真及设计、系统2 4 g h z 模式下的基带f p g a 硬件 描述语言的实现是该课题的关键技术。 1 3 本文工作及论文组织结构 本文在调研和分析基于i e e e 8 0 2 1 5 4 规范的“分布式无线数字音频基站” 的可行性方案基础上，着重对系统实现的关键进行理论分析和仿真设计，最后 4 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 在e d a 开发环境下，实现对所讨论的关键技术进行h d l 行为描述和功能验证。 文章其他部分结构如下： 第2 章主要研究和分析系统的功能设计和主要工作原理，为针对系统研究 工作的深入把握方向，明确研究工作的任务和重点。首先对系统实践应用的组 网环境分析，在此基础上确定系统工作的信道参数和基本物理技术指标，虚拟 系统未来应用实践进行组网方案规划；其次对系统的功能组成和硬件资源迸行 探讨，完成系统功能定型和硬件开发平台的构建；最后对系统涉及的相关硬件 工作原理和开发工具作简要分析。 第3 章首先对i e e e8 0 2 。1 5 4 协议栈进行调研，对其功能特点、关键技术规 范及应用领域作相关讨论；然后对该标准的构架、技术组成作深入分析；最后 提出了i e e e8 0 2 1 5 4 应用在本系统中应该注意的事项和某些具体解决措施。 第4 章主要是应用s y s t e m v i e w 和m a t l a b 工具软件对该标准的o q p s i 调 制解调技术、扩频技术、脉冲波形整型技术进行仿真分析设计，以期为系统的 进一步研究实现提供理论和实践指导。 第5 章主要论述如何采用v e r i l o g 语言在q u a r t u si i 开发环境下完成系统各 功能模块的硬件设计，提供了应用a c t i v e - h d l 、m o d e l s i m 等工具对系统进行 行为仿真、综合验证的测试结果。 第六章是对本文工作总结和下一步研究工作展望。 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 第2 章系统功能设计及工作原理分析 分布式无线数字音频基站主要是针对校园网用户的无线数字分组音频信息 服务而设计的。符合e m c 规范、成本低、功耗小、架设灵活、能基于现有有 线网络系统扩展无线覆盖范围并能为终端用户节约设备成本是其必需具有的特 色。因此，适合的技术规范选择、合理的频道划分及无线区域覆盖、高性价比 的核心器件、可升级的设计方法是实现系统功能和硬件设计的研究基础。 2 1 系统功能设计 系统的主要功能是以校园网既有的光纤和5 类双绞线等有线资源为骨干网 络，为符合基于i e e e8 0 2 1 5 a 规范的无线终端用户提供音频组搔和数据中继及 交换服务。它的目标是实现i n t e r a c t ( 互联网) 到w p a n ( 无线个域网) 的桥接、 路由和数据交换功能，并完成无线数字分组语音的点对点，点对多点传送任务。 所以系统的应用环境、服务对象、系统成本和技术支持等要素对系统功能和关 键技术方案的确定起决定作用。 2 1 1 系统功能组成 为完成上述功能，要求系统既要具有与以太网交互通信的能力，又要求能 完成本地无线收发任务。经技术调研，本系统拟采用的功能组成见图2 一1 1 9 】。 图2 - 1 系统功能组成 框图中以m p c 8 5 2 t 为核心的部分主要完成对系统的配置和管理、承担与 互联网的通信、分组数字音频的处理等功能：以f p g a 为核心器件的部分主要 完成无线数字基带部分的处理以及并行多路信号处理等功能。 6 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 2 1 2 系统频道及组网规划 为使服务区达到无缝覆盖，提高系统的容量，需要采用多个基站来覆盖给 定区域( 每个基站的覆盖区称为一个小区) 。理论上讲，可以给每个小区分配不 同的频率，但这样需要大量的频率资源，且频谱利用率低。为减少对频率资源 的需求和提高频谱利用率，需将相同的频率在相隔一定距离的小区中重复利用， 只要使用相同频率的小区( 同频小区) 之间干扰足够小即可。本课题的“分布 式无线数字音频基站”设计覆盖范围室外约1 0 0 m ，采用基站设在小区的中央 的中心激励方式，用全向天线形成圆形覆盖区，设计方案见图2 - 2 。 1 0 l 图2 - 2 中心激励全向天线覆盖区 因为本系统将工作于i s m 的2 4 g h z 频段，考察本频段现有无线产品的频 谱占用情况，对比分析见图2 3 ，所以为了尽量避免有可能的电磁干扰，我们 应该使用未被8 0 2 1 i b 覆盖的频段作为每个“无线数字音频基站”的小区组播 频段，即取8 0 2 1 5 4 的1 5 、2 0 、2 5 频道，而其它频段作为点对点通信或备用广 播频段。为灵活配置既有资源并考虑网络的鲁棒性【】，系统在园区的模拟应用 采用分布式配置【”】，网络规划示意见图2 _ 4 。 ；| i l 精翻l | 蕊藤j 髓翻戮蹶糯1 1 l 翮黼0 嘲l j 嘲黼潮 i 5 m i u t l 卜一 l 1 21 31451 61781 - 9 翻 ia 仄? 辱勰 nnnr 、i 爪nn 八厂、f ， 月 , 4 - ，2 5 h z - = = 、1 仑、 3 瓤 一、 c h a n r t d l l、 k 一2 2 m h z 一l 一一 j一 图2 - 32 4 g h z 频段各产品信道占用情况分析 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 图2 - 4 分布式无线数字音频基站应用想象图 该系统是作为有线以太网、无线局域网的补充或特殊应用) 而设计的，要 具有移动范围较大、可多节点并发分组音频组播、音频互动通信、快速入网、 实现成本低、可实现a d - h o e 自组织网络应用等特点【1 3 】。它可以避免无线局域 网难以同时容纳大量( 超过3 2 个) 节点应用的缺点，应该利于实现诸如在校园 进行不同课程的音频广播教学，或开展音频讨论组的实时分组数字语音通信功 能。 2 2 系统基本工作原理 系统硬件由m p c 8 5 2 t 作为主m p u 负责对f p g a 的配置、分布式网络均衡 管理和与以太网通信，完成语音数据的提取及封包、转发、中继、组播等功能。 该模块通过接1 2 1 模块与以e p 2 c 3 5 芯片为核心的基带数据处理模块进行双工通 信。其处数据包主要实现系统的基带数据处理功能。 2 2 im p c 8 5 2 t 结构及工作原理 m p c 8 5 2 t 微处理器是一款0 1 8 t i m 工艺的多用途通用芯片，属于f r e c s c a l e s e m i c o n d u c t o r 公司的p o w e r q u i c c ( q u a di n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l l e r ) 系列。其内部集成了两个处理模块，一个是工作频率可达1 0 0m h z 的嵌入式 p o w e r p c 核，3 2 位地址，3 2 位可配置数据总线宽度，4 k b 的数据c a c h e 和4 k b 指令c a c h e ；另一个是通信处理模块c p m ( c o m m u n i c a t i o n p r o c e s s o r m o d u l e ) ， 含嵌入式3 2 位r i s c 核、f e c ( f a s t e t h e r n e t c o n t r o l l e r ) 1 0 1 0 0 b a s e - t 快速以 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 太网接口等。另外系统还集成有总线监视器、中断监视器、软件看门狗、中断 定时器、时钟合成器、p o w e r p c 减量器、复位控制器及j t a g l1 4 9 1 测试口等功 能单元。其结构功能如图2 5 所示l 。由于c p m 分担了嵌入式p o w e c p c 核的 外围工作任务，这种双处理器体系结构功耗要低于传统的体系结构的处理器， 使其特别适合于各种工业控制、以太网路由以及无线接入等设计应用。因此。 本系统中的分组数字音频处理工作很容易由该芯片完成( 或者由嵌入式口核、 d s p 等实现) 【1 5 】，后面的讨论因课题研究重点问题，不再涉及该项技术内容。 e m b “i 倒 懈c 8 t i 尸，0 o r c m i n 蚓b 嚣l b _ 呐 n c m _ 薪 3 2 日i | y m j li 勰jii d 自” i u e 哪口n 罩 s 1 ，_ h 带钿捆r l t 触 s 饨j m 椰o wc o n 扫o h r 。1 。- 。一 婚_ ie o m h 嘲l 峙珏h 播l 喇l ，翻 l - - - - - - - - - - - - - - i - - - - - - - - - - - - 一 $ 1 r d m m 冗k 自嘲 懒- a t a h - 嘛 黼若节 g k 旧t 孵广 一二；：= 一 lt w n 廿s l 。 3 c c 3 i s c c 4 ls 端ls 一 图2 - 5 娥8 5 2 t 结构功能框图 2 2 2e p 2 c 3 5f p g a 芯片简介 a l t e r a 推出的c y c l o n e l l 系列f p g a 是以低成本为基础而设计的高密度产 品，采用台积电9 0 r i m 、低k 值电介质工艺，基于3 0 0 m m 品圆制造，可以在单 芯片上支持复杂的数字系统设计，而在成本上则可以和a s i c 竞争。其较同类 产品具有性能领先、功耗低、密度大等优势。它内部最多达6 84 1 6 个逻辑单元 ( l e ) 和1 i m b i t 的嵌入式存储器。大量的嵌入式乘法器也为该器件应用领域 的拓展提供了可能【l “。c y c l o n e l l 器件主要参数见表2 1 。综合考虑，该系列器 件更能胜任通信领域的低成本s d r ( 软件无线电) 设计，为日新月异的通信技 9 型般 缴匡 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 术节约开发和生产成本，提高设计效率。 表2 - 1c y c l o n e i i 器件主要参数 项目 e p 2 c 5e p 2 c 8e p 2 c 2 0e p 2 c 3 5e p 2 c 5 0e p 2 c 7 0 逻辑单元46 0 8 8 2 5 61 87 5 23 32 1 65 05 2 86 8 4 1 6 总r a m 容量 1 1 9 8 0 81 6 88 8 82 3 9 6 1 64 8 38 4 0 嵌入式乘法嚣1 3 1 82 63 5 p u 2244 最大i ，o 端口 1 4 21 8 23 1 54 7 5 5 9 4 4 3 2 b 6 4 4 5 0 i1 5 2 咖 1 5 0 4 6 2 2 本系统基于c y c l o n e l l 系列的e p 2 c 3 5 器件展开研究和设计，它为系统的最 终实现和功能扩展提供了较大空间其内部平面结构见图2 6 ；其内部路基单 元构架见图2 7 ；其p l l 功能结构见图2 - 8 。 图2 - 6e p 2 c 3 5 器件内部平面图 图2 - 7e p 2 c 3 5 器件内部逻辑单元 o 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 r e f e r e r 嵋e c l o c k 图2 - 8e p 2 c 3 5 器件内部p l l 单元功能结构 2 2 3m p c 8 5 2 t 对即g a 的配置 采用通用m p u 来配置f p g a ，由于省去专用e p r o m 而大大降低了系统成 本。本系统中因为m p c 8 5 2 t 担负着互联网数据传输与系统分布式均衡与控制 工作是必不可少的核心器件，使用它来启动与配置f p g a 后不仅可以实现资源 共享，而且启动后又不影响其它工作。所以启动配雹时要考虑c p u 的启动必须 不依赖于f p g a ，即c p u 予系统应在f p g a 被配置前可独立运行并访问所需资 源( 主要是对r a m 和b o o t r o m ) 的独立操作。而f p g a 所控制的设备也应处 于非工作态或不影响其他设备工作的稳定性。为了实现f p g a 的在线升级，存 放f p g a 配置数据的区域必须是m p u 可重写的。 a l t e r a 对的f p g a 配置一般有专用的e p r o m 配置( c o n f i g u r a t i o n e p r o m ) 、p s 无源串行配置( p a s s i v es e r i a l ) 、p p s 无源同步并行配置( p a s s i v e p a r a l l e ls y n c h r o n o u s ) 、p p a 无源异步并行配置( p a s s i v ep a r a l l e la s y n c h r o n o u s ) 、 j t a g 配置( 不是所有器件都支持) 等4 种方式【1 7 1 。因为p s 配置方式虽然启动 时自j 稍长，但有连线简单、与c o n f i g u r a t i o ne p r o m 方式兼容、误操作的几率 小等特点，所以本设计采用p s 模式，利用板上现有c p u 子系统中空闲的r o m 空间存放f p g a 的配置数据，并由m p u 模拟专用e p r o m 对f p g a 进行配置。 由于e p 2 c 3 5 系列f p g a 是基于r a m 的s r a m 工艺，掉电后数据会消失。 因此，每次系统上电后，均需对f p g a 进行配置。本研究以m p c 8 5 2 t 核心板 为例，其对f p g a 的p s 配置模式的引脚信号定义见表2 2 ，配置连接见图2 - 9 ， p s 模式配置时序见图2 1 0 。配置数据一般可以安排在b o o t r o m 的 o x 7 0 0 0 0 0 ) 【7 f f f f 区问内。第一次的配置数据可利用编程器将r b f 文件当作二 迸制文件写到b o o t r o m 的起始地址为0 x 7 0 0 0 0 的区域，也可以通过m p c 8 5 2 t 仿真器把数据写到指定位置，由于不同型号的f p g a 需要不同种类的下载电缆 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 与之相适配，否则会因电压或接口问题把器件烧毁。 表2 - 2p s 模式配置信号定义 m p c 8 5 2 t 对f p g a 的配置过程如下：首先令n c o n f i g = - “0 ”、d c l k 一0 ”。 保持2 i t s 以上：然后检测n s t a t u s ，如果为“0 ”，表明f p g a 已响应配置要求， 可开始进行配置，否则报错。正常情况下，n c o n f i g 一- “0 ”后l p t s 内n s t a t u s 将为“0 ”；当n c o n f i g = - “1 ”并等待5 i t s 后，d a t a 上放最数据( l s b ) ，延 时到d c l k = “l ”，传输连接数据：如果d c l k = ”0 ”，则检测n s t a t u s ，若为 。o ”就报错并重新开始。当所有数据送出后。c o n fd o n e 应变成“l ”，表明f p g a 的配置已完成。如果所有数据送出后，c o n f 不为“l”，必须重新配置done 其启动配置源程序见附录i 。 图2 - 9m p c 8 5 2 t 在p s 模式下对f p g a 配置连接框图 1 2 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 0 船工g n s i 椰s c 0 耶砸 d c ：l 墨 d t 圈2 - 1 0p s 模式配置时序 1 3 m 广 一- 1nn j ) 一 “) ( 卜一 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 第3 章i e e e8 0 2 。15 。4 协议栈标准及关键技术分析 i e e e8 0 2 1 5 4 规范由2 0 0 3 版升级到2 0 0 6 版，极大促进了低功耗、低成本 无线通信技术的发展。它通过使用低的占空比( d u t y c y c l e ) 、特定的调制解调 技术、直接扩频( d s s s ) 技术、低传输速率等来实现低功耗、低成本、高的服 务质量要求( q o s ) 的目标。另外它还具有安全、易于布置、有巨大的节点接 入容量等特色。因此基于该规范的应用方案和产品只益增多。本章将就其协议 栈的组成及实现展开分析和讨论，为课题的研究提供理论基础和技术支持。 3 1i e e e8 0 2 1 5 4 概述 i e e e8 0 2 1 5 a 规范是针对于个人无线局域网( w p a n ) 的应用提出来的。 其上发展的应用技术主要有z i g b e e ( 紫蜂技术) 和i p 6 l o w a n ( i p v 6o v e rl o w e r p o w e rw p a n ) 。其中z i g b 技术目前较为成熟，有大量应用且有成熟的单芯 片解决方案，尤其在无线传感器网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 中更是 有巨大市场。下面就8 0 2 1 5 4 的基本构架、主要功能、p h y 和m a c 的关键技 术展开分析。 3 1 1 e e e8 0 2 1 5 4 基本构架 i e e e8 0 2 1 5 4 符合国际标准组织( i s o ) 开放系统互连( o s d 参考模式。 它定义了单一的m a c 层和多样的物理层，其基本构架见图3 一l 。z i g b e e 联盟制 定了m a c 层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、 数据链路层和物理层组成。 图3 - 1i e e e8 0 2 1 5 4 规范基本构架 1 4 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 3 1 2i e e e8 0 2 1 5 0 主要特点 i e e e8 0 2 1 5 4 无线空中接口可以提供2 5 0 k b p s ( 2 4 g h z 模式) 、1 0 0 k b p s 、 4 0 k b p s ，2 0 k b p s ( 8 6 8 9 1 5 模式) 的数据传输速率；组网灵活，可配置成星形( s t a r ) 网络、对等网( p e e r - t o - p e e r ) 或者簇树状网( c l u s t e r t r e e ) 和网格网( m e s h ) 。 入网的设备可配置成短地址格式1 6 位或长地址格式6 4 位。信道可采用载波侦 听多址接入碰撞避免c s m a c a ( c a r d e rs 9 1 蛤0m u l t i p l ea o 嘲sw i t he o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 机制，有较大的网络节点接入容量和低的功耗。 3 2i e e e8 0 2 1 5 4p h y 层规范 物理层定义了物理无线信道和m a c 子层之间的接口，提供物理层数据和 管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护 一个由物理层相关数据组成的数据库。其主要完成：激活和体眠射频收发器； 信道能量检测( e n e r g yd e t e c t ) ；检测接收数据包的链路质量指示( 1 i n kq u a l i t y i n d i c a f i o n ，l q i ) ；空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t , c c a ) ；收发数据 等功能。其中信道能量检测为网络层提供信道选择依据，它主要测量目标信道 中接收信号的功率强度，该过程不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功 率和噪声信号功率之和。链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无 线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码， 生成的是一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层 处理。空闱信道评估判断信道是否空闲。i e e e8 0 2 1 5 4 定义了3 种空闲信道评 估模式：一种是简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为 信道空闲；另一种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两方面，即 扩频信号特征和载波频率；最后一种模式是前两种模式的综合，同时检测信号 强度和信号特征，给出信道空闲判断【l 川。 3 2 1 频谱及信道资源分配 p h y 层定义了三个载波频段用于收发数据。在这三个频段上发送数据使用 的速率、信号处理过程以及调制方式等方面存在一些差异。三个频段总共提供 了2 7 个信道( c h a n n d ) ：8 6 8 m h z 频段1 个信道，9 1 5 m h z 频段t 0 个信道， 2 4 5 0 m h z 频段1 6 个信道。具体信道分配见图3 2 ，各频段的技术特色见表3 一l 。 每个频段的中心频率描述为：8 6 8m h z 频段，凡= 8 6 8 3 m h z ，k = 0 ： 9 1 5 m h z 频段，凡= 9 0 6 + 2 仉一1 ) m h z ，k = l ，2 ，l o ； 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 2 4 g h z 频段，f c = 2 4 0 5 + 5 往一1 1 ) m h z , 七= l l ，1 2 ，2 6 ；k 是信道 数。i e e e8 0 2 1 5 4 在发射功率l m w 的情况下，可以承受的频偏为_ + 4 0 p p m ， 2 4 g h z 模式时的接收灵敏度为8 5 d b m ，8 6 8 9 1 5 模式时的接收灵敏度为 - 9 2 d b m 。p s d u 为2 0 1 3 时的封包错误率p e r ( p a k e te r r o rr a t e ) 要求小于l 。 。土 一山山山l 篙如n e 】s l l - 2 6 一t * ：溉- - - - - - - - - - - - - - - - - 卜 2 4 0 0 0 图3 - 2i e e e8 0 2 1 5 4 规范信道规划 表3 - 1i e e e8 0 2 1 5 4 各频段技术参数 8 6 8 8 6 8 63 0 0b p s k2 02 0 b i n a r y 8 6 8 9 1 5 9 0 2 9 2 8 8 6 8 - 8 6 8 6 默湛9 1 5 9 0 2 9 2 8 8 6 8 8 6 8 6 8 醯，9 1 5 9 0 2 9 ：嚣 6 0 0 b p s k4 0 4 0 0a s k2 5 0 1 6 0 0a s k1 0 0 4 0 0 o q p s k 2 5 0 1 0 0 0 o q p s k2 5 0 2 4 5 02 4 0 0 2 4 8 3 52 0 0 0 o o p s k 2 5 0 4 0 b i n a r y 1 2 52 0 - b i t 5 05 m t 2 5 1 6 - a r y 6 2 5 正交 6 2 5 1 止6 - 交a r y 3 2 2 物理层p p d u 帧格式 i e e e8 0 2 1 5 4 的物理层帧结构见表3 2 ，物理帧第一个字段是4 个字节的 前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符 号同步。帧起始分隔符s f d ( s t a r t o f - f r a m ed e l i m i t e r ) 字段长度为1 个字节，其 值固定为0 x a 7 ，标识一个物理帧的开姘。9 】。收发器接收完前导码后只能做到 数据的位同步，通过搜索s f d 字段的值0 x a 7 才能同步到字节上。帧长度( f r a m e l e n g t h ) 由一个字节的低7 位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负 载的长度不会超过