多点通信传输（精选7篇）
多点通信传输 篇1
一、系统模型
本方案使用的Co MP系统模型:其中基站BS1、BS2、BS3配置多根天线,各用户由于体积、功耗和硬件复杂度因素的限制,只能配置单天线。各用户先计算出单链路反馈索引矢量,根据该反馈索引矢量将对应的信息反馈给基站BS1、BS2、BS3,然后基站BS1、BS2、BS3根据接收到的反馈索引矢量对各用户进行分组调度,得到最终的待服务用户集合,接着重构出该用户集合的下行信道矩阵,以实现发射端的联合预编码。
二、实现步骤
本方案的实现步骤如下:
步骤1:
基站端和用户端预先存储着离线码本Ω={W1,…Wp,…,WN},其中Wp为码本空间Ω的第p个码字,p=1,…,N,N=16为码本大小。
步骤2:
用户i估计出所有基站到它的下行信道矢量:
其中hij为基站j到用户i的单链路信道矢量,i=1,…,U,j=1,…,B,U为用户数,B为基站数,(·)T为转置运算。
步骤3:
用户i计算出对应的单链路信道方向:
步骤4:
用户i根据最小距离准则,选择内积最大的序号作为单链路信道方向hij的码字序号:
步骤5:
步骤6:
用户i将信道质量指示γij与预设门限值γth比较,得到其下行反馈索引矢量vi,其中,预设门限值th根据系统要求的平均反馈开销设置。
步骤7:
基站根据接收到的下行反馈索引矢量vi,将满足条件vi=dk的所有用户划分到第k个子组Ek内,得到第k个子组Ek所含的用户集合:
其中,用户集合U(k)的第m个元素u(k)m满足条件:
k=1,…2B,m=1,…,Uk,dk为第k个子组Ek的索引矢量,Uk为第k个子组Ek所含用户的个数。
步骤8:
基站选取待调度子组集。
步骤(8-A):
基站剔除掉第1个子组E1的索引矢量d1;
步骤(8-B):
基站根据剩余子组E2~E2"的索引矢量d2~d2"产生正交集:
步骤(8-C):
基站从正交集G中随机选择第q个元素gq作为待调度子组集。
步骤9:
本步骤的实现如下:
步骤(9-A):
步骤(9-B):
基站对该下行信道质量指示的大小进行排序,即
步骤10:
本步骤的实现如下:
步骤(10A):
基站根据单链路信道方向和用户集合重构下行信道矩:
为最终的待服务用户总数;
步骤(10B):
其中tr为预编码矩阵的列向量,r=1,…,U,(·)-1为求逆运算;
步骤(10C):
基站对列向量tr作归一化处理得到新列向量:
从而得到最终的预编码矩阵:
三、仿真结果与分析
采用新方法,基站数B=3、用户数U=3×30=90、每个基站的发射天线数M=2、每个用户的接收天线数R=1、码本大小N=16。
(1)在信噪比SNR取0d B、5d B、10d B、15d B时,对传统信噪比方案的平均反馈负载比随预设门限值变化情况进行蒙特卡罗仿真,并与理论曲线进行对比,当信噪比从0d B变化到15d B时,信噪比越大,用户的接收功率也就越大,那么信道质量指示高于门限值的概率随之增大,从而反馈开销也增大;仿真曲线与理论曲线基本一致,该仿真验证了理论分析的正确性。
(2)当预设门限值从0d B增大到20d B,对应的平均反馈负载比从3减小到0,说明本方案能够通过提高预设门限值降低系统的平均反馈开销。此外,在预设门限值为10dB处,本方案相对于传统信噪比方案其平均反馈负载比减少了0.3。
(3)在信噪比SNR取10dB时,对本方案与传统信噪比方案的平均回程负载比随平均反馈负载比变化情况进行蒙特卡罗仿真,对于传统信噪比方案,平均回程负载比恒等于1,而对于本方案的用户分组调度方法,平均回程负载比小于或等于1,且随平均反馈负载比成线性增长,与上述理论分析完全吻合。
摘要：本文提出一种Co MP系统中的新方案,以实现在保证系统吞吐量较高的同时,进一步降低了系统的平均反馈开销和平均回程开销。基站根据接收到的反馈索引矢量对用户进行分组,在每个子组内分别进行用户调度,得到待服务用户,进而对待服务用户进行预编码。
关键词：MIMO系统,多点通信传输,改进
参考文献
[1]John G.Proakis,Digital Communications,Fifth Edition,电子工业出版社,2009.
[2]薛超,林睿,张成强.LTE-A系统中的Co MP分簇算法[J].中国科技论文在线,2010.12.
多点通信传输 篇2
一原有模拟传输系统的状况
原有的传输系统存在这样一些问题:送江西全省有线网络的传输平台以模拟设备为主, 无法适应国家发展数字电视的要求;经过长距离传输视音频信号严重劣化, 到达用户终端时, 收听收看质量较差, 难以满足观众需求;多个频道的备份设备质量较差, 指标劣化, 传输的可靠性难以得到保障;到江西广播电视网络公司、卫星地球站的路由单一, 安全性及可靠性较差, 不能满足广电总局新出台《广播电视安全播出管理规定》的要求。
二数字传输系统的设计需求
江西电视台需要将各个频道播出的信号利用光缆传输至江西广播电视网络公司中心机房, 江西电视台播控中心机房将SDI信号作为信号源输入, 通过信号编码、复用后, 江西广播电视网络公司中心机房将接收四路ASI流信号, 两端之间距离约为2公里;
江西广播电视网络公司中心机房将CCTV-1信号采用ASI方式通过光缆传输至江西电视台播控中心机房, 由播控中心机房对信号进行解码, 输出SDI信号, 与总控系统接收的CCTV-1卫星信号一同送至2选1自动倒换器, 经自动倒换器输出至播出系统;
江西电视台新闻素材由播控中心机房利用光缆传输至江西广播电视网络公司中心机房, 最终传送至中央台, 信号传输端将两路SDI作为信号源输入, 江西广播电视网络公司中心机房接收两路SDI信号;
江西广播电视网络公司中心机房利用光缆传输两路江西全省各地市新闻信号至江西电视台播控中心, 信号传输采用SDI格式;
江西广播电视网络有限公司机房接收到江西电视台播出部传输的ASI信号后, 再通过光分配器将主、备ASI光信号传输至南昌市广播电视网络有限公司中心机房;
为配合省卫星地球站系统改造, 与省卫星地球站系统对接, 江西电视台播控中心机房传送四路ASI信号到卫星地球站, 分两路路由, 构成主备四路信号;
江西电视台播控中心机房传送四路SDI信号至发射机房;
江西电视台播控中心机房加装IPTV复用板后以IPTV格式传送所有节目至江西电视台官网网站, 用户可用机顶盒接收收看;
传输所需两路光缆经过不同的路由到省网络公司和地球站机房, 避免了外界施工和自然灾害对电视信号传输的影响, 有力地保证了信号传输的安全可靠。光缆为单模36芯, 路由为:一路走玉带河, 12芯到地球站, 24芯熔接后到省网络公司;另一路走家属区, 24芯到省网络公司, 12芯熔接后到地球站。传输系统如图1所示。
三数字传输系统的技术要求
z扩展性要求:传输设备必须可以以多种方式进行规模扩展, 扩展过程必须简单易行、平滑无缝, 不影响系统正常播出, 可满足今后传输高清信号的升级要求;
z可靠性要求:系统必须具有安全可靠的备份方案。传输设备必须有冗余备份, 备份切换过程可由系统自动完成, 并且在切换完成后, 系统能提供紧急声、光、电提示;
兼容性要求:系统设备可以兼容第三方厂商的设备。为节约空间及经费, 光端机、编码器、复用器、2×1切换器等设备可共享相同机箱。
经过技术论证和技术交流, 结合各台的实践经验, 决定选用GVG公司的编码设备和光传输设备。
编码器选用Thomson VIBE系统编码器;光传输设备选用Thomson GV 8900系列光发光收板。编码系统设备和传输系统设备均为模块化产品, 配备双电源工作, 具有很高的安全可靠性。设备均采用GVG产品, 用原厂软件即可以实现统一网管, 并且所选的传输设备与广电网络公司和卫星地球站的分配、倒换设备属同一品牌产品, 有很高的系统兼容性。
四数字传输系统的创新点
1. 采用多点多格式网络化技术架构
多点多格式传输方式可同时在多个地点之间进行信号的单、双向传输, 支持SD-SDI、HD-SDI、ASI、IPTV等多种格式的信号;各点均可同时接收光、电信号, 具有光信号分配和中继的功能, 不需要接收后再转发, 光电结合的形式构成了功能强大的信号传输、分配、中继、检测体系。目前传输系统组网点对点的传输方式较为普遍, 但是网络多点多格式信号光传输及分配系统在国内还不多见。
其系统框图如图2所示。
2. 采用高安全、具备智能化自动倒换的交叉热备份连接方式
传统的1+1热备份的连接方式基本上采用的都是链路连接方式。该方式的特点是主备路系统各自独自运行、相互独立, 当主系统出现故障时要用整个备份系统代替输出;当主、备路各有一个设备故障时, 则系统整体瘫痪。所以此连接方式存在严重的安全漏洞, 在当今对系统有高安全要求的情况下, 这种架构方式已不适用。江西台数字传输平台系统采用了交叉热备份技术方案, 在关键点使用了智能化自动倒换器, 把主备编码器输出的四路ASI信号交叉输入到两个自动倒换器中, 倒换器的两路输出输入到下一环节的主备设备中, 从而实现了系统关键环节的交叉热备份。该连接方式大大提高了系统的安全系数, 第一个优点是切换的准确性大大提高, 每一个节点都可以实现上一个节点主备切换, 从而当某一个节点故障时只需针对该节点完成切换, 避免了全系统切换带来的隐患;第二个优点是大大提高了容错率, 由于采用了交叉备份连接, 系统中的信号从原有的主备通路方式扩展到主备系统交叉连接的多种方式。其原理图如图3所示。
3. 设备监控和网络化控制
系统采用网管形式监控, 支持以太网控制、SNMP协议。网管系统能提供传输系统每个环节的性能监测与控制功能, 自动采集设备性能参数并能进行统计分析, 可提供声光告警, 告警信息精确到每一块电路插板, 便于技术人员进行故障诊断、定位、校正和排除。
五应用情况
1. 丰富的信号构成了多路备份
数字传输平台系统建成以后, 加上原有路由, 江西电视台到省卫星地球站的信号有四个路由共八路信号, 最高级别地保证了上星节目的播出安全。江西电视台到省网络公司中心机房的数字电视信号有四个路由共八路信号, 主备信号都通过了不同的路由。这种多备份构架方式避免了外界施工和自然灾害对传输信号的影响, 使得系统的可靠性得到了强有力的保障。
2. 解决了CCTV-1及新闻回传信号质量不好的问题
数字传输平台系统建成之前, CCTV-1和新闻回传的信号是通过模拟传输系统来的, 所以信号质量较差, 影响了江西台的收视率。新系统建成后, CCTV-1和新闻回传信号图像质量有了较大的提升。同时为了保证转播中央台《新闻联播》和其他一些重要转播的安全, 该传输系统将由光缆送来的CCTV-1信号和卫星接收机接收的CCTV-1信号接入到2选1自动倒换器, 若某一路出现信号丢失等问题时, 系统会自动切换到另一路, 从而保障了转播重要节目的安全性。
3. 配备备份板
每个机箱中都配备一块备份板, 这块备份板接入到总控矩阵的输出, 当机箱中编码板出现故障时, 就可以通过矩阵将相应的频道的信号调入备份编码板, 从而保障播出信号的安全。
六结束语
多点通信传输 篇3
在现代无线通信中,GSM、CDMA、3G、Wi-Fi等主流技术成为无线数据传输网络的主流解决方案,通信速率高,质量可靠,但存在成本过高的缺点,广泛应用将造成了极大的资源浪费,因而在众多的小区域,低速率数据通信领域难以推广。现短距离无线通信可以采用不同的网络技术,如蓝牙、IEEE802.11、Home RF、红外线等,它与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络相比,无论在基本的结构上,还是在应用的层次上,均有很大的不同,两者在服务范围和针对的业务(数据、话音)上也有很大不同。短距离无线通信网设计的初衷是为了在移动环境下提供短距离的宽带无线接入或临时性的网络形成,是因特网在移动环境下的进一步发展。
本文给出了短距离多点无线数据采集与传输网络的信息终端(子机)和无线接收主机模块的硬件和软件设计方案,并根据该方案,构筑了一个工作于ISM(Industrial Scientific Medical)频段的低功耗、高性能的无线数据通信系统。
1 系统实现模型
系统是由一台中央监控设备CMS(Central Monitoring System)和多台远程终端设备MRTU(Multiple Remote Termial Unit)构成的点对多点多任务无线通信系统。远程终端(信息终端)实际上是多台移动站,均能够移动,并且在移动的过程中还可以进行通信。中央监控设备CMS与每一台远程终端RTU(Remote Termial Unit)都以双向通信方式进行数据传递,接下来对其信息终端(子机)和无线接入主机(控制中心)的硬件和软件的关键部分进行设计。
2 系统硬件设计
为了方便系统设计、维护和升级,单元节点硬件部分根据功能特性、电气特性的不同以模块的方式构建。基本结构由射频收发模块、控制及处理模块、通用串行接口模块、数据缓冲及存储模块和多能电源管理模块等五大模块组成。以下是各部分模块电路功能说明与实现。
2.1 射频收发模块
从发送的角度实现对处理好的数据包进行高频调制和发送给指定通信对象,在接收角度获取来自通信对象的高频信号并解调还原为调制前的原始数据包。
射频收发模块的电路主体为n RF905无线收发芯片[1],模块设计使用16MHz的晶振作为其工作频率。n RF905无线收发芯片支持采用印刷天线的形式来接收射频信号。为了提高接收灵敏度和提高抗干扰能力,射频收发模块采用外接天线并加入了滤波电路。
2.2 控制及处理模块
控制及处理模块主要由中央控制单元(MCU)和外围电路构成,有两大功能:一为用于控制和协调各大模块的工作状态;二为对从接口获取的数据进行处理和发送转发,如路由处理、数据打包、数据拆包、校验、重发请求等。
模块的核心MCU采用51系列单片机。为了工业性能的保证,在实际设计中,我们采用的是WINBOND(华邦)78LE54系列[2],具备有8-bit CMOS微控制器,兼容2.4-5.5V的宽电压供电,256Bytes的片内RAM,16KB的Flash EPROM,64KB的寻址能力,四个8Bit标准IO口,一个标准输入输出双工串口。
单片机工作晶振频率为22.1184MHz。为匹配无线收发芯片n RF905的逻辑电平,单片机采用3.3V供电。为了保证单片机运行的稳定性,对悬空的引脚均接入Vcc进行保护。
2.3 多能电源管理模块
多能电源管理模块的最大特点是兼容8V-24V的宽电压范围输入供电,为各模块提供合适和稳定的工作电源,包括CMOS电源和TTL电源等,分别为5V和3.3V。特别加入了电子开关功能,在实际应用中可以由其它上层系统控制电源的供电与否,在节省能耗方面有很大的意义。模块主要由电源转换芯片C851414和AS-1117-3.3构成。C851414先完成8V—24V到5V的电压转换,再由AS-1117-3.3进行5V到3.3V的二次转换。为优化电源的纹波特性,电路加入了适当的滤波电容和电感。
2.4 通用串行接口模块
通用串行接口模块用于连接通用终端设备,如数字信号输出设备或者是带有AD转换的模拟量采集设备。同时提供通用的RS232串行接口,为计算机终端的数据交换提供入口。硬件电路主要由RS232接口驱动芯片MAX232和RS232标准九针接口构成。
2.5 数据缓冲及储存模块
数据缓冲及存储模块主要有数据缓冲和数据存储两大功能。数据缓冲和存储任务分别由32KByte的RAM和16KByte的EEPROM担任。数据缓冲区用于临时数据的缓存,如转发数据、待传和待收队列中的数据;数据存储区用于系统一些固定信息进行的储存,如路由信息、本机名称、本机地址和断电保护还原信息等。
3 系统软件设计
系统性能的实现依赖于其有效合理的软件控制,本次软件设计则是在硬件环境的基础上开发一个具有数据转发、冲突避免、出错重传、超时重试等功能的无线网络协议,从而实现系统的设计目标。
整个网络由一台主机及多台分散的子机构成,每个子机中必须有一个无线收发节点(本系统采用n RF905单片射频收发器),整个无线网络各个节点都有唯一标识的地址,地址由具有唯一性标识的子机内容组成,可依具体情况而定。为了方便起见,实际系统中的每个子机中的无线收发节点的地址由我们自己设定(4 bytes)。
为了提高系统的可靠性,协议设计为停--等型,从数据链路层的角度来看,发送过程大致为:数据源方首先向数据目标方请求建立连接,在得到目标方的回应后才开始发送数据,并在每次数据发送结束后等候目标方的应答,在接收到正确的应答后,继续发送下一组数据,直到所有数据发送完毕后,数据源方则请求拆除连接以释放信道资源,在收到目标方的应答后结束一次发送过程;接收过程大致为:在收到建立连接请求后,给出一个回应后开始接收数据,并在每接收完一次数据后给出一个有效的或无效的应答,直到接收到一个拆除连接请求,这时,把接收到的数据保存起来并给出一个应答后结束一次接收过程。
4 系统测试
任选两个节点之间的通信都可以以点对点之间的通信为模型进行测试。在稳定性测试中,我们对系统进行为期一周的不间断随机收发运行试验,未出现死机和丢包、错包现象。
在误码率测试中,由于系统加入了完善的校验和错误重传机制,在长达一周的稳定性、可靠性测试中,尚未发现有误码情况。在系统最大的工作负荷下,通过对示波器所侦测的多个数据帧进行如下的分析计算:速率=有效数据/传输时间,测得无线收发的数据传输速率为16kbps。
5 结束语
本文开发了基于n RF905无线收发芯片和51系列单片机为硬件核心的低功耗、高性能的无线数据通信系统,为在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种实时性较高、数据量较小的无线数据通信的理想解决方案。可广泛应用在各类数据无线通信、环境监测、安防系统等多个领域。我们相信只要通过对软件的进一步细化和完善,便可在该系统上实现更加完整智能化的通信协议。
参考文献
[1]Nordic VLSI.Data sheets for nRF905 Multiband Transceiver.2005.
[2]http://batescomponents.com/catalog/parts/78LE54-24.html.
[3]徐爱均,彭秀华编著.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程应用实践.北京:电子工业出版社,2000.
多点协作通信系统关键技术分析 篇4
一、多点协作通信系统的技术运行
多点协作通信系统内, 上行信道模型与下行信道模型, 属于两个主体的模型, 与MIMO系统技术类似, 表现出多址接入信道的特征。多点协作通信系统运行时, 很容易在不同用户群体的单一天线内引起对偶性问题, 或者在发射端、接收端设计多副天线, 会有对偶性问题, 如:多点协作通信系统的发射端和接收端, 均配置一根独立运行的天线, 此时通信作业就存在对偶性的问题, 导致通信系统处于高风险的状态[1]。目前多点协作通信系统内的用户群体越来越多, 应该在基础上实行安全控制, 积极转化多点协作通信网络, 以便获得上线的容量, 保障多点协作通信系统的稳定与安全, 所以多点协作通信系统比较注重关键技术的运用, 用于强化多点协作通信系统的安全控制力度, 改善通信系统的运行环境。
二、多点协作通信系统的关键技术
1、OFDM-MIMO技术。
OFDM技术, 是正交频分复用技术, MIMO技术是指在多点协作通信系统的发射端和接收端, 分别采用多个发射和接收天线, 改善通信的质量。OFDM-MIMO技术的结合应用, 解决了多径衰落的问题, 直接降低了衰落的机率, 在多点协作通信系统的频域中, 把多径衰落信号改为平坦信道, 实现频率上的转化, 以此来提高通信数据的传输效率[2]。OFDM与MIMO技术, 同属于窄带技术, 应用到多点协作通信系统中, OFDM技术可以分配并调度多点协作通信系统中的资源, 配置链路试配技术, 结合信道频率, 积极提升通信的效率, MIMO技术, 以OFDM技术为基础, 使用信道空间选择, 保障系统宽带宽度的稳定, 消除潜在的干扰、冲击等风险, 促使频率得到有效的提升。
2、MIMO中继技术。
MIMO中继技术, 属于MIMO与中继技术的结合。中继技术用于处理电波衰减的问题, 维护发射端功率的稳定性, 提高多点协作通信系统的数据速率, 维持通信质量[3]。MIMO中继技术的应用, 作用在多点协作通信系统的源节点、目的节点中, 以便获取分集的增益效果。多点协作通信系统的中继节点位置, 使用MIMO节点设计, 致力于在源节点、中继节点处构成多跳节点系统。MIMO中继技术, 提高通信用户的服务水平, 减少信道衰落的发生次数, 因为此项技术涉及到多套射频设备, 所以增加的硬件会产生过多的干扰, 此时应该采用中继/天线选择技术, 保护好多点协作通信系统的运行资源, 有效规避系统干扰, 保护通信系统的运行环境。
3、干扰协调技术。
干扰协调技术在多点协作通信系统中的应用, 提高了系统自身的安全性, 排除干扰对系统安全的影响。干扰协作技术采用系统模型设计的方法, 确保其符合多点协作通信的基本需求。系统模型能够确定多点协作通信系统的状态, 分析线性及非线性的状态, 把控好系统资源的分配, 在接收端采取防干扰处理, 同样将干扰协调技术应用到后续检测内, 比对基础的信息资源, 支持通信系统的安全运行。干扰协调技术要控制好矩阵资源, 增强不同形态的矩阵编码排列, 按照排列顺序, 有效规划信息资源, 促使多点协作通信系统, 能够处于高质量的运行状态。干扰协调技术, 能够灵活的运用到多点协作通信的基础性资源管理内, 预防后续运行中出现干扰因素。
4、蜂窝系统应用技术。
蜂窝系统应用技术, 控制了多点协作通信系统的资源分布, 促使信息资源能够按照运行模式进行分布, 保障信息基础稳定性。蜂窝系统应用系统, 利用仿真试验的方法, 量化多点协作通信系统中的信息元素, 实现高质量的资源构成, 也可以应用到信息基站的处理方面[4]。例如:蜂窝系统应用技术, 根据多点协作通信系统基站的运行情况, 完善基站运行时的合作机制, 转变基站中的系统资源, 缓解通信系统的风险压力, 保证基站能够准确的指导通信系统运行, 站在实际情况的环境下, 实现基站对多点协作通信系统的资源协调与处理, 增强系统的运行性能。
结束语:多点协作通信系统的关键技术, 改善了通信运行的环境, 表现出实践性的优势, 能够在根本上完善通信系统的性能, 杜绝发生安全问题。多点协作通信系统运行中, 按照具体要求规划关键技术, 维持多点协作通信系统处于高性能、高速率的运行状态。
参考文献
[1]王辉.协作通信关键技术[D].北京邮电大学, 2015.
[2]丁铭.多点协作通信系统的关键技术研究[D].上海交通大学, 2011.
[3]庄翔.多点协作通信系统的关键技术研究[J].科技创新与应用, 2016, 12:87.
多点通信传输 篇5
全数字语言学习系统 (语音教室) 在本专院校培养外语人才中广泛运用。本文主要设计了数字语言学习系统的语音通信过程, 实现了教师端和某个学生端、教师端对一组学生端、分组的多个学生端、单个和单个学生端间的实时交流通话。
随着计算机技术、网络通信技术、多媒体技术的发展和普及, 语音通信系统也从传统的模拟电路产品发展成为全数字化产品, 改进了传统语言学习系统的不足。在结构设计上, 本系统的数据传输是建立在计算机网络的IT技术之上, 结构由复杂变得简单, 功能由单一变得齐全, 更重要的是在语音通信中不仅保证传输的实时性, 而且抗干扰能力强、失真小、清晰、音质音色好。该系统的设计主要结合现代高端DSP技术, 保证系统的稳定和通信的实时可靠。
1数字语言学习系统的设计
1.1 系统功能
数字语言学习系统所应有的功能如下:一是能对教师端或学生端发出的语音信号进行采集和播放;二是该系统具备数字录音和点播重放的功能, 需要对语音信号进行存储, 由外设的FLASH存储器来完成;三是在整个教室的局域网系统中, 语音的传输要通过DSP的ISA总线平台来进行网络化的传输。
为了实现上述功能, 在技术上必须实现语音信息的数字化和数字通信网络[1], 语音的数字化指对从麦克风发出的语音信号进行放大、滤波后通过ADC采样转化成数字信号, 然后由DSP芯片对数字信号进行纠错、压缩成语音压缩包, 按照MPEG标准对语音进行编码, 最后通过解码, 解压缩, DAC转换成模拟语音信号, 通过功放放大后输出给终端的接收部分。数字通信的网络化是指局域网中的多台学生计算机通过计算机网络技术, 将传统语音通信中的控制线路和模拟线路改进为单一的数字线路。在这个网络语音通信中, 学生机也采用PC机的声卡和网卡, 基于DSP的ISA总线平台, 通过网卡直接编程实现DSP与声卡、网卡的接口连接, 构建了DSP的以太网, 通过DSP接收和发送以太网的数据, 通过标准的网络协议实现网络数据的交换。
1.2 数字语言学习系统的结构图
系统硬件主要包括网络交换机、教师机、服务器、语音控制器、学生终端[2], 系统结构框图如图1所示。中央控制器是插在计算机里的一块 ISA总线适配卡, 它是这个系统的核心, 它与交换机和语音控制器相连接, 采用时分多址的策略对整个网络进行管理, 同时控制所有语音信息通信的切换和处理。一方面中央控制器将PC机发出的语音和控制信号通过以太网传传递给学生端, 另一方面又对学生端发出的信号进行分析处理, 然后发终端信号给PC机, 在该系统中以太网数据包中包含有源地址和目的地址, 每个学生端网卡的IP地址是惟一的, 方便教师端对学生端的控制。
2数字语音通信的DSP平台设计
2.1 数字语言通信的DSP平台硬件图
该数字语音学习系统的语音通信平台由数字处理器DSP作为核心部分, 通过语音采集与编解码模块TLV320AIC23实现语音的采集与传输, 由以太网控制器实现该系统通过网卡、声卡在网络上传输语音数据, 由DMA控制器直接读取硬盘数据, 其硬件结构图如图2所示。
2.2 数字信号处理器TMS320VC5416
DSP作为一种专用的数字信号处理器[3], 是一种可编程的微处理器, 对语言和图像有强大的处理功能, 运算速度快, 接口灵活, 能实时、快速实现各种数字信号处理算法。在数字语言学习系统中DSP选用TI公司TMS320VC5416芯片, 对语音压缩编码运算能力达到50 MIPS, 数据、程序的存储空间大, 对语音输入/输出、信码输入/输出提供双向串口。为保证语音质量, 语音压缩编码技术采用ITU-T制定为低速率编解码算法G.729标准, 即CS-ACELP 算法。它实现了8 Kb/s的码率, 能实现DSP对编解码的处理。
2.3 语音采集与编解码 (CODEC) 模块TLV320AIC23
音频芯片采用一块可编程的芯片TLV320AIC23[4], AIC23是通过数字控制口将芯片的控制字写入AIC23内部的寄存器。音频控制口与DSP的通信主要由多通道缓冲串行口McBSP1来实现, 支持立体声或MIC两输入方式和立体声输出。TLV320AIC23的模数转换 (ADCs) 和数模转换 (DACs) 部件高度集成在芯片内部, 采用了先进的Sigma-Delta过采样技术, 可以在8～96 kHz的频率范围内提供16 b, 20 b, 24 b和32 b的采样。语音控制器的控制接口为标准的RS 232接口, TLV320AIC23与TMS320VC5416的接口电路图如图3所示。
2.4 DMA控制器, HPI的配置
在数字语言学习系统中, DMA[5]在对声卡进行控制和访问时, 需要实现DSP对DMA功能的扩展, 通过ISA总线兼容声卡、网卡的硬件结构, 为了有效地采集信号、播放语音, 对声卡、语音网卡采用中断和DMA控制方式, 结合DSP使用HOLD操作进行, 直接读取硬盘数据, DMA控制器可以不需要CPU介入而直接在内部存储器, 外部存储器和芯片上外设之间传递数据, 当操作完成后, DMA控制器可以向CPU发出中断, 同时DMA有一个辅助端口用于HPI 和存储器间传递数据。
2.5 以太网控制器
该系统的交换机采用先进的芯片作为以太网控制器[6], 简化了系统的线缆连接, 解决了语音通信的堵塞问题, 以太网控制器采用台湾Realtek生产的RTL8019AS, 内置16 KB的SRAM, 用于收发缓冲、半双工通信, 达到10 Mb/s, 与主机采用PnP接口模式。在DSP接收和发送以太网数据时, 选择联合体作为DSP接收和发送以太网数据包的缓冲区, 使得在各层协议间的数据传输, 实质上是数据指针在传递而不是数据拷贝传递。该控制器实现该系统通过网卡、声卡在网络上传输语音数据, 通过DSP对声卡直接操作实现语音的录放控制。
2.6 DSP的存储器扩展
为了防止TMS320C5416在断电程序和数据的丢失, 需要用配置容量为 (512K×16) b FLASH和 (256K×16) b SRAM将程序和数据存储起来, 在系统恢复电位后, 将外部FLASH中的程序搬移到DSP内部的程序存储空间中, 同时也通过 FLASH存储器[7]进行语音数据的存储。
3语音的网络传输
3.1 传输方式
传输控制协议TCP[8]和用户数据报协议UDP这两种传输协议都是在IP协议上完成的。TCP协议需要在教师端和学生端间建立直接的通信通道, 采用存储转发式的非实时方式。而语言学习系统的语音通信要求实时性强, UDP作为一种底层的传输协议, 是无连接的数据报传输, 不需要建立通信通道, 直接把数据送到接收端, 且提供复用机制的能力, 可以迅速地实现该系统的实时通信。
3.2 传输协议
RTP/RTCP协议, 是由实时传输协议 (RTP) 及其控制协议 (RTCP) 组成, 控制数据的拥塞和流量。在数字语言学习系统中, RTP和RTCP配合使传输效率最佳化。实时传输协议是一种应用型的传输层协议, 通过UDP协议对语音数据进行单播或者多播, 实现通过学习系统的语音间通信。
3.3 IP组播
IP组播 (IP Multicast) [9]是一种点到多点的通信方式, 包括3种IP数据通信方式:点对点通信、全网广播和居于以上两者之间IP多播。能实现源IP主机教师端向指定IP的某个学生端间进行通信;源IP主机教师端向一个网络段中所有IP的学生机组间进行通信;更重要的是IP多播通过使用一个特殊的IP地址组作为组播地址, 并对这个组进行命名, 这个地址也同时惟一地表示了一个多点广播组, 在这里, 源主机能够向 IP 网络上的任何一组IP地址组发送IP信息包, 实现了IP分组语音通信[9]。
4结语
通过先进的数字信号处理器结合现代通信基本协议实现了数字语言学习系统的语音传输的实时性, 采取DMA读取硬盘的方式, 实现了多点语音传输和分组语音传输, 满足了现代教学的需要, 解决了在通信中语音信息数字化和数字通信网络化, 使得该系统有效运行。
参考文献
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多点通信传输 篇6
目前对于传感器网络节点的要求一般是结构简单,成本低廉,能够长时间地工作。 因此目前较为常见的解决方案一般会选用Zig Bee协议作为传感器网络或是物联网的通信协议。 Zig Bee协议与传统的Wi Fi、蓝牙等通信协议相比, 拥有较低的功耗, 并能实现多跳传输的功能, 但相应的传输速率也较低, 适合传感器网络这类数据量不会很大,但节点规模可能非常大的网络应用。
目前Zig Bee网络节点大多数是基于TI的CC系列芯片和Ztack协议栈, 这类基于C语言的协议栈往往存在着开发困难、 编程复杂等缺点, 无法帮助开发人员迅速地搭建基于Zig Bee网络的传感器网络应用[2]。
本文提出了一种基于SNAP OS和UART的异系统通信架构,SNAP OS本身就是兼容Zig Bee通信标准的嵌入式操作系统,能够很好地实现多跳和多点通信。 在此基础上, 利用工作在透传模式下的SNAP OS, 提供给用户一组基于串口的通信协议,使得用户只需懂得简单的串口编程,即能实现多点对多点的传感器网络应用的设计,极大地提升了传感器网络的开发效率。
1 SNAP OS及相关硬件的介绍
SNAP OS是由美国Synapse公司发布的一套能运行在各类计算平台上的网络操作系统,该系统的总体框图如图1 所示。 SNAP OS能够兼容目前所有主流的通信协议,并进行异系统之间的数据路由传输。 而该操作系统的另一大特色就是其专门为嵌入式平台所开发的SNAPpy虚拟机系统, 能够利用一种与python语法兼容的脚本语言进行编程, 并且由于其解释执行的特点,能够在系统运行的状态下进行应用编程,极大地提高了系统开发的灵活度和便利度。
由于SNPA OS目前还不是开源的操作系统,因此它只能运行在由Synapse公司或其合作伙伴所开发的硬件平台上。 本文在设计异系统多点通信架构时,选用了目前国内唯一能获得的ZIC2410 模块作为系统的主要无线通信模块。 该无线通信模块结构如图2 所示。 模块的整体尺寸十分小巧,并且已经集成了射频收发的硬件电路和PCB印刷天线及射频端子, 对于需要二次开发的用户而言, 只需设计底板即可, 大大提高了系统的开发效率。 而ZIC2410 芯片则是一块以8051 作为内核、集成了基带Modem收发器的So C,同时它还拥有丰富的常规外设,基本能满足用户日常开发所需。
2 Zig Bee网络节点硬件设计
本文所采用的ZIC2410 模块的最小系统如图3 所示,其在运行SNPA OS之后, 原生支持Zig Bee网络的多跳、节点中继等特性,并且由于其利用SNAPpy编程语言进行开发,因此用户只需几行代码即能使其运行在串口透传模式下, 并实现多点通信的功能。 但由于ZIC2410采用的是8051 内核,其运行效率并不是很高,当工作在透传模式下时,操作系统的大部分运行时间将被透传任务所占据,系统对于需要高运算负荷任务的处理效率大大降低[3]。
为了使本文所设计的异系统多点通信架构能够满足各种不同应用场合对于系统性能的要求, 设计的ZigBee节点采用双处理器的架构, 由ZIC2410 芯片专门负责无线数据的收发和Zig Bee协议栈的实现,而利用基于Cortex M3 内核的LPC1754 芯片来负责高运算负荷的任务, 并利用其极为丰富的外设, 极大地丰富了Zig Bee节点的应用场合。
本文所设计的双处理器Zig Bee节点系统框图如图4所示,LPC1754 和ZIC2410 芯片采用串口进行通信。 同时, 利用LPC172 自带的全速USB2.0 接口和UART接口,拓展了USB CDC总线和485 总线接口[4]。
3 Zig Bee + UART异系统架构及通信协议的实现
3 . 1 系统架构
Zig Bee + UART异系统架构的框图如图5 所示, 系统共分为3 个平面,其中Zig Bee平面负责无线数据的收发和网状网络拓扑的构建, 并实现Zig Bee协议中的多跳、节点中继等功能。 UART平面负责对用户平面的数据进行打包和拆包的过程, 并确保用户数据传输的可靠性。而用户平面则使用统一的数据包格式对数据进行封装,并利用UART平面所提供的串行通信接口实现不同用户之间的通信[5]。
3 . 2 通信数据包格式
用户平面的通信数据包如图6 所示, 其中接收者地址和发送者地址可以是承载用户平面通信的Zig Bee节点在系统中的节点编号,也可以是用户平面本身所指定的一些地址信息。 由于UART平面和Zig Bee平面将广播所收到的所有用户平面数据包,对于用户平面来说完全透明,因此该地址无需和Zig Bee节点地址一一对应。 此外,该数据包格式还对链路层的信息进行了额外的打包过程, 将链路层信息中每7 B数据的最高位提取出来,形成一个新的字节, 放在这7 B的末尾, 并将这8 B的最高位置0。 这样做的好处是可以把帧起始符和结束符的最高位置1,从而使得最终在无线链路上传输的数据除了起始符和结束符以外的所有字节最高位都是0, 不会造成帧起始符和结束符的误判[6,7]。
3 . 3 通信协议
首先, 位于UART平面的LPC1754 将工作在透明传输或ACK传输模式下。
( 1 ) 透明传输: LPC1754 不负责任何对于3 . 2 中通信数据包的校验,只负责将从用户平面收到的数据转发出去,所有数据包的解析与校验均在用户平面完成。 其优点是用户平面直接透明传输, 编程和协议均较为简单。而缺点则是由于无线链路的不确定性,使得系统整体的通信速率较低,可能会出现较大的重传概率。
( 2 ) ACK传输模式: LPC1754 负责用户平面下发的数据包的校验和重传确认。 具体实现方式如下:LPC1754不再透明传输从用户层传下来的数据,而是将用户层传输过来的数据存储在缓存中,并负责对用户平面的数据进行校验, 如果校验不通过, 则直接向用户平面发起重传请求。 其优点是有效降低了通信的延时,并提高了通信链路的可靠性; 而缺点则是编程较为复杂, 节点模块的程序需要根据具体应用调整参数。
其次, 位于Zig Bee平面的ZIC2410 也将工作在两种模式下。
( 1 ) 串口广播模式: ZIC2410 将收到的数据广播给某一分组的所有节点。 这样做的优点是ZIC2410 将收到的数据包直接广播出去, 无需与UART平面有ACK过程,简化了UART平面编程的难度并降低了运行负荷。 而这样做的缺点也十分明显, 由于ZIC2410 将数据直接广播出去, 因此当用户平面下发的数据较大的情况下, 无线链路上所承载的数据负荷将成倍增加,从而造成了ZigBee平面通信效率的下降。
( 2 ) 串口点对点模式: UART平面在将数据下发给Zig Bee平面之前, 先对ZIC2410 下一次无线传输的接收节点的地址进行配置,ZIC2410 将根据这一地址来进行后续数据包的点对点无线传输。 这样做的优点十分明显,由于ZIC2410 工作在点对点模式下, 因此无线链路传输的效率和可靠性将大大增加, 但由此也会造成UART平面的传输效率降低,需要额外的REQ-ACK过程。
多点通信传输 篇7
关键词：CAN总线,CAN协议,多点实时数据通信,C8051F040
现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络,是现场通信、计算机技术和控制系统的集成。它在生产现场的测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信、完成测量控制任务;是一种开放型的网络,使测控装置随现场设备分散化,被誉为自控领域的局域网。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等处的自动化系统中具有广泛的应用前景[1]。
CAN是Controller Area Net的缩写,即控制网络局部网,是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网路。CAN是德国Bosh公司为汽车的检测、控制系统而设计的。由于CAN具有卓越的特性和较高的可靠性,因而非常适合工业过程监控设备互连。CAN已经成为一种国际标准(ISO-11898),是最具前途的现场总线之一[1]。
1 控制器局域网(CAN)
1.1 CAN总线的特点
(1)CAN总线以多主方式工作,网络上任意节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活,且无需考虑接收者地址的优先级。
(2)CAN网络上的节点信息分不同的优先级,可满足不同的实时要求,高优先级的数据最多可在134 μs内得到传输。
(3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向总线发送信息时,优先级比较低的节点会主动退出发送,而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据,从而大大节省了总线冲突仲裁时间。
(4)CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据,无需专门的“调度”。
(5)CAN的直接通信距离最远可达10 km,此时速率5 kbit·s-1;通信速率最高可达1 Mbit·s-1,此时通信距离最长为40 m。
(6)CAN的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达110个;报文标识符可达2 032种(CAN2.0A);而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符几乎不受限制。
(7)采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低,具有良好的检错效果。
(8)CAN的每帧信息都有CRC[1]校验及其他检错措施,保证了数据出错率极低。
(9)CAN的通信介质可为双绞线,同轴电缆或光纤,选择灵活。
(10)CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能,这是总线上其他节点的操作不受影响。
正因为CAN总线具有以上这些特点,所以能较好地满足多点实时数据通信平台的要求。
1.2 CAN总线协议
CAN的协议结构划分为两层:数据链路层和物理层。数据链路层又划分为逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。物理层可分为物理信号层PLS、物理介质连接PMA和介质相关接口MDI。CAN的ISO/OSI参考分层结构如图1所示。
数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。LLC子层的主要功能是:为数据转送和远程数据请求提供服务,确认由LLC子层接收的报文是否已被接收,并为恢复管理和通知超载提供信息。MAC子层的功能主要是传送规则,亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。MAC子层也要确定何时开始一次新的发送,总线是否开放或者是否马上开始接收。定位时特性也是MAC子层的一部分。
物理层定义了信号怎样进行发送,因而涉及位定时、位编码和同步的描述。详细层的功能参阅文献[1]。
1.3 CAN多点实时通信
CAN是有效支持分布式(多点)实时控制的串行通信网络,在实际的系统设计中,用户可以根据振荡器时钟频率、总线波特率以及总线的最大传输距离等因素,对CAN控制器的位定时参数进行优化设置,协调影响位定时设置的两个主要因素:振荡器容差和最大总线长度,合理安排位周期中采样点的位置和采样次数,保证总线上位流的有效同步的同时,优化系统的通信性能,进一步推进CAN总线的应用。
2 C8051F040单片机
Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机,在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟、数字外设以及其他功能部件,代表了目前8位单片机控制系统的发展方向。芯片上有1个12位多通道ADC,2个12位DAC,2个电压比较器,1个电压基准,1个32 kB的Flash存储器,与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核,峰值速度可达25 MI·s-1,并且还有硬件实现的UART串行接口、完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器。
3 CAN多点实时数据通信系统设计
3.1 CAN多点实时数据通信系统硬件结构
设计的CAN多点实时数据通信系统由一台电脑,两块基于C8051F040单片机开发板组成。结构框图如图2所示。
在这个系统中,电脑作为主机,通过USB/CAN转换器与CAN总线相连,使用软件工具CANTools-V6.2进行数据地发送、接收以及显示。系统中两个CAN节点分别为开发板1和开发板2,通过编译相应的程序,使得CAN节点能实时把数据发送到主机,主机可根据接收到的数据向CAN节点发出控制信号来改变CAN节点回发的数据,以此达到实时通信控制的目的。同时两个CAN节点之间也能互相进行数据通信,并把所接收到的数据显示在开发板的LCD屏上。
3.2 软件设计
软件设计分为两大部分:(1)主程序的设计。(2)CAN通信库函数程序的编写。
主程序主要涉及的是程序流程,包括调用初始化函数,打开中断,根据与主机通信还是与其他节点通信调用CAN通信库函数编写出相应的通信流程,流程图如图3所示。
CAN通信库函数主要包括:系统初始化函数、CAN初始化函数、CAN中断服务函数、CAN接收数据函数和CAN发送数据函数。
这里详细讲述CAN通信库函数中,CAN接收数据函数、CAN发送数据函数和CAN中断服务函数。
CAN接收数据函数和发送数据函数的流程图,如图4所示。
CAN中断服务函数程序流程图,如图5所示。
4 结束语
系统可以完成各个节点之间以及节点与主机之间的实时数据收发,基本完成了多点实时数据通信任务,能做到速度快、延迟低、错误率低、稳定性高,并且能够在电脑上直观地看到实验结果。通过示波器测得该系统完成一次通信需要10.8 μs,能满足工业上实时监控的要求,这说明基于C8051F040的CAN多点实时数据通信的可能性,且因为其多节点设备接入简易,使其在远程工业实时监控上有较好的前景。缺点在于节点的数量不够多,节点之间的距离不够远,没有测试出多点通信的节点数量上限和实时通信距离上限。
参考文献
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