Проектирование устройства передачи данных по радиоканалу (стр. 3 из 12)

SHARCEZ-KITLite состоит из небольшой демонстрационной платы на основе процессора ADSP-21061, работающего на тактовой частоте 160 МГц. Кроме процессора плата содержит 16-битный звуковой стереокодек AD1847, контроллер интерфейса RS-232 и микросхему EPROM, установленную в кроватку. Внешние порты и различные управляющие сигналы процессора не использованные на самой плате выведены на контакты разъемов расширения (сами разъемы не установлены для упрощения платы). Таким образом, плата может использоваться как прототип устройства, если подключить ее к необходимым внешним модулям. Для удобства отладки на плате установлены три кнопки — сброс, прерывание, флаг и четыре раздельно управляемых светодиода. Кодек связан с процессором через один из последовательных портов, второй порт оставлен свободным. Предусмотрен также JTEG порт, предназначенный для подключения переходника внутрисхемного эмулятора EZ-ICE. Сам эмулятор в комплект поставки не входит и может быть приобретен отдельно.

Такие устройства достаточно дорогие в финансовом плане, но там где необходима высокая точность и быстродействие, они себя окупают. Например, данное уствойство SHARCEZ-Kitстоит на фирме AnalogDevices- 220$.

1.4 Сравнительный анализ способов аппаратной реализации

В ходе анализа аппаратной реализации было рассмотренно два способа: первый без использования цифрового сигнального процессора, второй с его использованием.

Т.к. проектируемое устройство планируется использовать на судах дальнего плавания, то оно должно обладать высокой степенью точности, надежности и быстродействия. Все это можно реализовать только с использованием современных процессоров цифровой обработки сигналов. Исходя из этого, мы выбираем второй пример аппаратной реализации рассмотренный в предыдущем разделе. Конечно, наше устройство не будет похоже SHARCEZ-Kit, но принцип и технология останутся теми же.

1.5 Выводы по аналитическому обзору

После проведения аналитического обзора и сравнительного анализа было решено, что :

устройство кодирования-декодирования информации будем выполнять с использованием цифрового сигнального процессора;

весь алгоритм модуляции-демодуляции, передачи в порт ЭВМ, приёма из порта и т.п. выполняется программно под соответствующий DSP;

в качестве способа модуляции выбран метод частотной модуляции.

2. Разработка структурной схемы устройства

Составлять структурную схему устройства будем из основных функциональных блоков входящих в устройство.

Рисунок 2.1 - Структурная схема устройства

Описание структурной схемы:

Аналоговый вход

На вход устройства подается принятый по радиоканалу сигнал. Приемник сигнала из радиоканала нами рассматриваться не будет, но о наличие такового мы будем помнить. После попадания на вход устройства сигнал направляется в аналогово-цифровой кодер-декодер (кодек).

Кодек:

После фильтра низких частот сигнал поступает на кодер-декодер.

Кодек - это высокоскоростной чип, со встроенными аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователями, последовательным портом, программируемым интервальным таймером, регистрами и т.п.

Кодек имеет определенную разрядность цифровых данных передаваемых по его последовательному порту. Разрядность должна совпадать с разрядностью DSP , а также частота дискретизации по теореме Котельникова, должна быть в два раза больше частоты сигнала.

Т.к. используется частотная модуляция и частота "1" = 1615 Hzи "0" = 1785 Hz. то, вполне достаточно выбрать 16-ти разрядный кодек, с частатой дискретизации 8 kHz.

Рассмотрим принципы АЦП и ЦАП преоразования, которые также используются в кодеке.

Физические сигналы являются непрерывными функциями времени. Чтобы преобразовать непрерывный, в частности, аналоговый сигнал в цифровую форму используются аналого-цифровые пребразователи (АЦП). Процедуру аналого-цифрового преобразования сигнала обычно представляют в виде последовательности трех операций: дискретизации, квантования и кодирования. Однако, если придерживаться терминологии принятой в литературе по системам цифровой связи, то первая операция, дискретизация, соответствует модуляции сигнала, а вторая операция, квантование, есть ни что иное, как один из cпособов кодирования. Поэтому процедуру аналого-цифрового преобразования сигнала можно также представить в виде последовательности двух операций - модуляции и кодирования.

Операция дискретизации заключается в определении выборки моментов времени измерения сигнала. Операция квантования состоит в считывании значений координаты сигнала в выбранные моменты измерения с заданным уровнем точности, а операция кодирования - в преобразовании полученных измерений сигнала в соответствующие значения некоторого цифрового кода или кодовой комбинации, которые затем передаются по каналам связи.

Процедуру восстановления непрерывного сигнала из цифрового представления также можно представить в виде двух операций: декодирования и демодуляции. Операция декодирования выполняет операцию обратную операции кодирования, т.е. преобразует последовательность заданных значений кодовой комбинации (кодовых слов) в последовательность измерений, следующих друг за другом через заданные интервалы времени дискретизации. Операция демодуляции выполняет интерполяцию или восстановление непрерывного сигнала по его измерениям. Преобразование сигнала из цифровой формы в непрерывный сигнал осуществляется цифро-аналоговыми пребразователями (ЦАП).

Итак, после поступления аналогового сигнала , кодек преобразует его в цифровой код, который по последовательному порту передается в цифровой сигнальный процессор (DSP), где по определенному алгоритму преобразуется и передается в ЭВМ.

При приеме цифрового кода от DSP, по своему последовательному порту, кодек преобразует его в аналоговый сигнал и передает на выход, где сигнал поступает на передатчик по радиоканалу (который не входит в наше устройство) и передается на другое такое же устройство.

Инициализация и настройка работы кодека, также как в DSP, осуществляется программно, что намного упрощает его точную настройку.

Цифровой сигнальный процессор (ЦСП или DSP):

Главной частью нашего устройства кодирования - декодирования информации является цифровой сигнальный процессор ( digitalsignalprocessor , DSP).

Цифровые сигнальные процессоры обладают огромными возможностями по цифровой обработке сигналов : спектральный анализ, цифровая фильтрация, преобразование частоты дискретизации, подстройка в реальном времени скорости воспроизведения и т.п.

3. Разработка схемы электрической принципиальной

3.1 Выбор цифрового сигнального процессора

Цифровой сигнальный процессор (DSP) - является основой нашего устройства. Алгоритм кодирования - декодирования информации, прием и передача сигнала из ЭВМ и обратно, выполняются с помощью DSP.

Существует много различных фирм - производителей DSP: TexasInstruments, AnalogDevices, Motorola , Philipsи т.п. Реализацию нашего устройства можно выполнить практически с помощью DSPлюбой из перечисленных фирм. Рассмотрим цифровые сигнальные процессоры фирмы AnalogDevices, и в частности сигнальный процессор ADSP - 2181.

Процессор ADSP-2181, является развитием семейства ADSP-21xx, 16-разрядных сигнальных процессоров DSP фирмы AnalogDevicesс фикси-рованной точкой. В ADSP-2181 используется базовая архитектура ядра этого семейства. ADSP-2181 обладает полным объемом внутренней памяти адресуемой на кристалле, расширенным набором внутренних периферийных устройств, высокой производительностью.

Краткая характеристика ADSP - 2181:

• 16 К x 24 бит внутренней памяти программ PM (ProgramMemory)

• 16 К x 16 бит внутренней памяти данных DM (DataMemory)

• 2 программируемых скоростных последовательных порта

• интервальный таймер

• 16-битный порт прямого доступа к внутренней памяти IDMA (InternalDirectMemoryAccess)

• 8-битный порт прямого доступа к внешней байтовой памяти BDMA (ByteDirectMemoryAccess) объемом до 4 Мбайт

• адресное пространство устройств ввода/вывода (2048 адресов)

• 4 сегмента по 8 К слов внешней оверлейной памяти

• внешние прерывания и программируемые выводы флагов

• режим пониженного энергопотребления (Pпот.< 1 мВт)

• расширенный набор инструкций

• производительность - 33.33 MIPS

• отдельный порт внутрисхемной эмуляции

Рис. 3.1.1. Графическое изображение цифрового сигнального процессора ADSP - 2181

Дополнительные сведения о процессоре ADSP - 2181.

Тип обратываемых данных - с фиксированной точкой.

Тактовая частота - 16,67 MHz.

Время одного командного цикла - 30 nS.

Последовательный порт - 2

Параллельный порт - 2 ( 1(IDMA) - 8-битный или 16-битный, 1 - 24-битный)

Напряжение питания - 3V, 5V.

Рассмотрим назначение выводов и принцип работы процессора:

D0 ... D23 - 24-разрядная шина данных. Используется совместно с

шиной адреса для загрузки программы из внешней памяти в DSP.

A0 ... A13 - 14-разрядная шина адреса.

Память программ : ADSP-2181 содержит 16Kx24 ОЗУ программ на кристалле. Память программ позволяет выполнять до двух обращений в каждом цикле, тогда все операции могут завершаться за один цикл.

Память данных : ADSP-2181 имеет 16,352 16-разрядных слова внутренней памяти данных.

Пространство байтовой памяти - двунаправленное, 8-разрядное, внешнее пространство памяти, используемое для хранения программ и данных. Доступ к байтовой памяти осуществляется через BDMA. Пространство байтовой памяти состоит из 256 страниц, каждая из которых имеет размер 16К x 8.Это позволяет использовать до 4М x 8 (32 мегабит) ПЗУ или ОЗУ без дополнительной логики. Все обращения к байтовой памяти имеют временные параметры, определяемые регистром BMWAIT.