Еще раз о пользовательских библиотеках SystemView

Эта статья продолжает описание пользовательских библиотек SystemView, начатое автором ранее [4, 5]. В данной статье дается краткое описание еще трех пользовательских библиотек программы SystemView.

Библиотека WNL_Bluetooth

Bluetooth («Голубой Зуб») — универсальная технология беспроводной связи разнотипных микропроцессорных устройств локальной сети, названная так в честь датского короля X века Гарольда II по прозвищу Голубой Зуб, прославившегося объединением датских земель. Цель создателей Bluetooth — обеспечить самым разнообразным электронным приборам (компьютерам, сотовым телефонам и другой бытовой технике) возможность обмениваться данными друг с другом без проводов на расстоянии до 100 м. Технология Bluetooth была изобретена 5 лет назад компанией Ericsson. Сегодня в состав консорциума, продвигающего на рынок данную технологию, входят компании 3Com, Agere Systems, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba.

Типичное Bluetooth-устройство представляет собой радиоприемник и радиопередатчик, работающие на частотах 2400–2483,5 МГц (ISM). Эти частоты выбраны не случайно, они являются открытыми и свободными от всякого лицензирования в большинстве стран мира. Исключение составляют Испания и Франция.

Используемые частоты определяют возможности Bluetooth по передаче данных. В технологии Bluetooth весь диапазон разбит на 78 каналов шириной 1 МГц каждый.

Для передачи данных используется гауссова фазовая модуляция (GFSK), которая предусматривает изменение частоты несущей во времени в соответствии с гауссовой кривой (индекс модуляции изменяется от 0,28 до 0,35, а девиация частоты — от 145 до 175 кГц), что позволяет ограничить спектр излучаемого сигнала.

Обмен данными осуществляется внутри временных интервалов (слотов) длиной 625 мкс. После передачи каждого слота производится переход на другой частотный канал. Если не передаются данные, то через Bluetooth-соединение можно передавать до трех аудиоканалов. Каждый из синхронных аудиоканалов имеет скорость 64 кбит/с. Кроме этого, возможна и комбинированная передача данных и голоса.

Главной особенностью является то, что различные устройства Bluetooth соединяются друг c другом автоматически. Устройства Bluetooth могут устанавливать соединения типа «точка-точка», когда имеется только два устройства, и «точка-многоточка», когда одно устройство одновременно работает с несколькими другими. При соединении одного устройства с несколькими другими устройство, которое обслуживает несколько соединений, называется master (ведущий), а подключенные устройства — slave (ведомые). Такая структура называется piconet (пикосеть). В одной пикосети может быть только одно ведущее устройство и до семи ведомых. Несколько пикосетей, объединенных таким способом, образуют scatternet (распределенную сеть).

Более того, в случае необходимости любое ведомое устройство в пикосети может стать ведущим, а ведущее — ведомым. Таким образом, в распределенную сеть может объединиться столько устройств Bluetooth, сколько необходимо, логические связи могут образовываться так, как это требуется, и могут изменяться как угодно в случае необходимости. Единственное условие: различные пикосети, входящие в одну распределенную сеть, должны работать на различных частотах. Канал связи представляет сетку частот, на каждой из которых может производиться обмен данными. Всего таких частот 79 или 23, а выбор частот для обмена производится на основе псевдослучайной последовательности.

Одной из причин смены частот является борьба с затуханием радиосигнала и интерференцией. Как уже говорилось, автоматическая установка соединения между устройствами, находящимися в пределах досягаемости, является одной из важнейших особенностей Bluetooth, поэтому первое, с чего начинается работа устройства в незнакомом окружении, — это поиск других устройств Bluetooth. Для этого посылается запрос, и ответ на него зависит не только от наличия в радиусе связи активных устройств Bluetooth, но и от режима, в котором находятся эти устройства.

После того как соединение установлено, его можно использовать для самых различных целей. Возможно это благодаря набору базовых протоколов, используемых в Bluetooth для передачи различных типов данных. Упрощенная схема их зависимости друг от друга приведена на рис. 1.

Рис. 1. Базовые протоколы, используемые в Bluetooth

В основе всего, как видно из схемы, лежит Baseband protocol. Baseband protocol определяется физическими характеристиками радиоканала. Logical Link Control & Adaptation Layer Protocol (L2CAP) является базовым протоколом передачи данных для Bluetooth. Baseband protocol позволяет устанавливать синхронные Synchronous Connection-Oriented (SCO) и асинхронные Asynchronous Connection-Less (ACL) соединения. L2CAP, как видно из схемы, работает только с асинхронными соединениями. Также из схемы видно, что многие протоколы и службы более высокого уровня используют

L2CAP как транспортный протокол. В полном соответствии с идеологией Bluetooth L2CAP является простым протоколом, который предъявляет минимум требований к вычислительным мощностям и размеру оперативной памяти устройств, которые его используют.

Пакет состоит из трех полей: кода доступа (access code), заголовка (header) и данных (payload). Размер первых двух полей фиксирован и составляет 72 или 68 бит и 54 бита соответственно. Информация в коде доступа имеет двойную защиту: во-первых, применяется код Хемминга, а во-вторых, проделывается процедура коррекции ошибок с опережением (FEC).

Библиотека WNL_Bluetooth содержит всесторонний набор инструментальных средств, помогающих в проектировании и моделировании устройств, обеспечивающих беспроводную связь самым разнообразным элек- тронным приборам. Диалоговое окно библиотеки WNL Bluetooth приведено на рис. 2.

Рис. 2. Диалоговое окно библиотеки WNL_Bluetooth

Описание функциональных элементов библиотеки WNL_Bluetooth

Fh — генератор со скачкообразной перестройкой частоты Bluetooth.

Параметры генератора со скачкообразной перестройкой частоты приведены в таблице 1 (см. файл примера Bluetooth Frec Hop Gen.svu).

Таблица 1. Параметры генератора со скачкообразной перестройкой частоты

Генератор со скачкообразной перестройкой частоты имеет один вход-синхронизатор Bluetooth и 15 выходов: X, A, Add1, B, XOR1, C, Y1, XOR2, D, PERM5, E, F, Y2, ADDR2 и Fhop.

Clock_N — собственный синхронизатор Bluetooth управляется последовательностью импульсов 3200 Гц. Этот синхронизатор выполняет размыкание обратной связи и является неустанавливаемым.

Параметры синхронизатора приведены в таблице 2 (см. файл примера Bluetooth ClockN.svu).

Таблица 2. Параметры синхронизатора

Синхронизатор имеет один вход-последовательность импульсов с частотой 3200 Гц и 5 выходов: CLKN, CLK0, CLK1, CLK2 и CLK12.

ACC_Corr — коррелятор кода доступа Bluetooth. Выполняет скользящую корреляцию входного сигнала. Если число ошибок в корреляции ниже порога, пакет предназначен/адресован для этого устройства.

Параметры коррелятора приведены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры коррелятора

Коррелятор имеет один вход — демодулированный сигнал и два выхода: пакет и флаг кода доступа.

Trans — блок передатчика Bluetooth.

Передатчик Bluetooth выполняет следующие функции:

• исправляет ошибки и детектирует со скоростью 1/3;
• исправляет ошибки и детектирует со скоростью 2/3;
• проверяет ошибки, используя CRC, добавляя биты проверки на четность к выходным данным;
• проверяет ошибки на всех заголовках пакета и соединениях ACL для подтверждения целостности полученных данных;
• шифрует — смешивает PN (псевдослучайную) последовательность с данными;
• генератор кода доступа (Access Code Generator) создает код доступа, который размещается в начале пакета. Код доступа имеет длину 68 или 72 бита. Он используется для синхронизации, идентификации, поисковой связи и процедур запроса;
• заголовок пакета состоит из 10 битов перед HEC. Пакет затем пропускают через FEC для получения 54 битов;
• мультиплексирует код доступа, заголовок и полезную нагрузку, чтобы создать пакет.

Типы поддерживаемых пакетов приведены в таблице 4.

Таблица 4. Типы поддерживаемых пакетов

Таблица 5. Параметры передатчика

Блок передатчика имеет один вход — синхронизация N и три выхода: пакет, заголовок и данные.

Recv — блок приемника Bluetooth.

Приемник Bluetooth выполняет следующие функции:

• исправляет ошибки и детектирует со скоростью 1/3;
• исправляет ошибки и детектирует со скоростью 2/3;
• проверяет ошибки, декодирует 18 битов сообщения заголовка и биты проверки на четность;
• декодирует биты сообщения заголовка и биты проверки на четность;
• дешифрует;
• демультиплексирует пакет.

Параметры приемника приведены в таблице 6.

Таблица 6. Параметры приемника

Блок приемника имеет три входа: синхронизация N, кодированный поток битов из коррелятора кода доступа и флаг кода доступа, а также четыре выхода: заголовок, флаг ошибки (HEK), данные, флаг ошибки (CRC).

R2/3E — элемент кодирует 10-битный блок из последовательного потока битов с первым LSB (наименьшим значимым битом) и последовательно выдает 15 бит для каждого входного блока. Наименьший значимый бит является первым по порядку на выходе. Для коррекции ошибок (15, 10) используется укороченный код Хемминга.

Параметры этого кодера приведены в таблице 7.

Таблица 7. Параметры устройств

Этот функциональный элемент имеет один вход — поток битов и один выход — закодированный поток битов.

R2/3D — этот элемент декодирует 15-битный блок из последовательного битового потока с первым наименьшим значимым битом и последовательно выдает 10 бит данных для каждого входного блока, начинающегося с LSB на выходе 0. Флаг ошибки является выходным данным для каждого входного блока на выходе 1 и указывает, что было обнаружено две или большее количество ошибок. FEC схема (15, 10), укороченный код Хемминга.

Параметры этого декодера приведены в таблице 7.

Этот элемент имеет один вход — поток битов и два выхода: декодированный поток битов и флаг ошибки.

R1/3E — кодер. Скорость 1/3. Кодирует 1 бит, копируя себя три раза.

Параметры этого кодера приведены в таблице 7.

Этот функциональный элемент имеет один вход — поток битов и один выход — закодированный поток битов.

R1/3D — декодер исправляет ошибки и детектирует. Скорость 1/3. Декодирует 3-битный блок из последовательной сортировки потока битов за счет усреднения трех входных битов, затем сравнивает среднее число с пороговым уровнем.

Параметры этого декодера приведены в таблице 8.

Таблица 8. Параметры декодера R1/3D

Этот элемент имеет один вход — поток битов и один выход — декодированный поток битов.

HEC_Enc — проверка ошибки. Кодирует 10 битов информации заголовка, добавляя в конец 8 разрядов проверки на четность к выходным данным.

Параметры этого кодера приведены в таблице 9.

Таблица 9. Параметры устройств

Этот функциональный элемент имеет один вход — поток битов и один выход — закодированный поток битов.

HEC_Dec — проверка ошибки. Декодирует 18 битов заголовка сообщения и битов проверки на четность.

Параметры этого декодера приведены в таблице 9.

Этот элемент имеет один вход — поток битов и один выход — декодированный поток битов.

CRC_Enc — проверка ошибки, выполняемая на всех заголовках пакета и ACL-данных, подтверждающих целостность полученных данных.

Параметры этого кодера приведены в таблице 9.

Этот функциональный элемент имеет один вход — поток битов и один выход — закодированный поток битов.

CRC_Dec — декодирует биты заголовка сообщения и биты проверки на четность.

Параметры этого декодера приведены в таблице 9.

Этот элемент имеет один вход — поток битов и один выход — декодированный поток битов.

Whitener — осуществляет шифрование перемешиванием псевдослучайной последовательности с данными.

Параметры этого устройства приведены в таблице 7.

Этот функциональный элемент имеет один вход — поток битов и один выход — зашифрованный поток битов.

Пример схемы канала связи Bluetooth приведен на рис. 3. Результаты моделирования — на рис. 4.

Рис. 3. Схема канала связи Bluetooth

Рис. 4. Результаты моделирования канала связи Bluetooth

Список сокращений:

AM _ADDR (Active Member Address) — активный адрес элемента.

ARQ (Automatic Repeat reQuest) — автоматический запрос повторной передачи.

BD_ADDR (Bluetooth Device Address) — адрес устройства Bluetooth.

CAC (Channel Access Code) — код доступа к каналу.

CRC (Cyclic Redundancy Check) — проверка с помощью циклического избыточного кода.

DAC (Device Access Code) — код доступа устройства.

DIAC (Dedicated Inquiry Access Code) — специализированный код доступа запроса (для устройств, находящихся в зоне досягаемости и имеющих стандартные характеристики).

DV (Data Voice) — речевые данные.

FEC (Forward Error Correction code) — код коррекции ошибок с опережением (путем введения избыточности, равной 3).

FH (Frequency Hopping) — скачкообразная перестройка частоты.

FHS (Frequency Hop Synchronization) — синхронизация скачкообразной перестройки частоты.

GIAC (General Inquiry Access Code) — общий код доступа запроса.

HEC (Header-Error-Check) — проверка ошибки заголовка.

HV (High-quality Voice) — высококачественная речь.

IAC (Inquiry Access Code) — код доступа запроса.

ID — единственный код доступа, используемый до соединения.

ISM (Industrial, Scientific, Medical) — промышленный, научный, медицинский. диапазон 2400–2483,5 Мгц, используемый во многих странах для безлицензионного доступа.

L_CH (Logical Channel) — логический канал.

L2CAP (Logical Link Control & Adaption Protocol) — подуровень управления логической связью & протокол адаптации (базовый протокол передачи данных для Bluetooth, позволяющий устанавливать асинхронные соединения (Asynchronous Connection-Less)).

LAP (Lower Address Part) — нижняя часть адреса.

NAP (Non-significant Address Part) — незначащая часть адреса.

NULL — код доступа + заголовок пакета, используется для ARQ.

PM_ADDR (Parked Member Address) — исходный элемент адреса.

POLL — такая же структура, как NULL, но имеющая подтверждение.

SAP (Service Access Points) — точка доступа к службе (интерфейс между соседними уровнями в стеке протоколов OSI. SAP именуются в соответствии с уровнями, обеспечивающими сервис).

SAR (Segmentation and Reassembly) — сегментация и повторная сборка пакета.

SEQN (Sequential Numbering Scheme) — последовательная нумерация схемы.

TDD (Time-Division Duplex) — дуплексная схема с временным разделением.

UAP (Upper Address Part) — верхняя часть адреса.

Библиотека TURBO CODE V1.0

Турбокоды — новый класс методов, описывающих итерационное декодирование FEC (Forward Error Correction) — прямое исправление ошибок, прямая защита от ошибок (путем введения избыточности) кодов. Tурбокоды заменяют коды Витерби и Ри-да–Соломона в существующих и появляющихся приложениях.

Турбокоды впервые были введены в 1993 году Берру, Главье и Цитимаджимой, где в описываемой ими схеме достигалась вероятность появления ошибок 10^-5 при степени кодирования ½ и модуляции BPSK в канале с белым аддитивным гауссовым шумом с E_b/N₀ , равным 0,7 дБ.

Турбокод можно считать обновлением структуры каскадного кодирования с итеративным алгоритмом декодирования связанной кодовой последовательности. Турбокоды образуются посредством компоновки двух или более составных кодов, являющихся разными вариантами чередования одной и той же информационной последовательности.

Множество компаний и университетов экспериментировали с турбокодами, но достигли небольших практических результатов. Это положение изменилось в конце 1998 года, когда Advanced Hardware Architectures (www.aha.com) анонсировала микросхемы Turbo Product Code (TPC), созданные вместе с Efficient Channel Coding (www.eccincorp.com). Efficient Channel Coding занималась развитием декодирующих алгоритмов с невысокой сложностью и высокой эффективностью. Микросхемы на кремнии с реализацией этих алгоритмов были созданы Advanced Hardware Architectures.

Библиотека Turbo Code Library V1.0 позволяет пользователям легко интегрировать и проверять различные турбокоды при моделировании в SystemView.

Элементы обладают богатым набором параметров, разрешающих широкий диапазон скоростей кодирования, эффективности кодирования, размеров блока и времени ожидания. Кроме того, обеспечивается согласование с более высоким порядком модуляции.

Библиотека Turbo Code Library представляет первую высокоуровневую поддержку моделирования турбокодов. Библиотека Turbo Code Library включает в себя три элемента.

LLR — этот элемент вычисляет LLR (Log Likelihood Ratio) — логарифмическое отношение правдоподобия каждого бита в пределах полученного символа. LLR используется для оптимального декодирования. Этот элемент должен предшествовать декодеру DEC (Turbo Product Code Decoder), если используется более высокий порядок модуляции (до 64-бинарной модуляции).

Параметры этого элемента приведены в таблице 10 (см. также пример, codec 16QAM.svu в каталоге /ECC/example_systems).

Таблица 10. Параметры элемента LLR

Этот элемент имеет два входа: синфазная составляющая полученного символа при одной выборке в символе и квадратурная составляющая полученного символа при одной выборке в символе и один выход — LLR-поток данных для каждого бита полученного символа (младший бит сначала) при одной выборке в значении LLR.

ENC — этот элемент кодирует поток входных данных композиционного турбокода. Блок композиционного турбокода может быть 2- или 3-размерный, где каждое измерение может иметь различный составляющий код, удовлетворяющий следующему выражению:

log2 (nx) + 1 = nx–kx,

где nx — полные биты в кодовом слове; kx — число информационных битов в кодовом слове.

Единственное исключение в этом — коды четности (nx–kx=1), которые могут использоваться при любом измерении.

Параметры этого кодера приведены в таблице 11. (См. также пример BPSK.svu в каталоге/ECC/example_systems. В этом примере кодер используется для кодирования данных до передачи через канал AWGN.)

Таблица 11. Параметры элемента ENC

Этот элемент имеет один вход — информационный поток битов при одной выборке на бит и один выход — закодированное сообщение при одной выборке на бит или символ. Выходная скорость элемента — n/k * <входная скорость>, где n — полная разрядность блока (nx*ny*nz), и k — разрядность информационного блока (kx*ky*kz).

DEC — этот элемент декодирует поток данных композиционного турбокода. Композиционный турбокод может быть 2- или 3-размерный, где каждое измерение может иметь различный составляющий код, удовлетворяющий следующему выражению:

log2 (nx) + 1 = nx-kx,

где nx — полные биты в кодовом слове, kx — число информационных битов в кодовом слове. Единственное исключение — коды четности (nx-kx=1), которые могут использоваться на любом измерении.

Число итераций параметра — число итераций оси, которое нужно отличать от числа полных итераций. Итерация с одной осью — декодирование одного измерения блока. Одна полная итерация является декодированием всех измерений блока для двумерных кодов, число итераций оси является удвоенным номером полных итераций. Для кодов с тремя измерениями число итераций оси составляет утроенное число полных итераций.

Каждый TPC требует коэффициентов для различных измерений в процессе декодирования. Эти коэффициенты, обозначенные выше X, Y и Z, оказывают существенное воздействие на работу кодов множеством способов.

Значения коэффициента должны быть целыми числами между 1 и 16.

Параметры декодера приведены в таблице 12 (см. также пример BPSK.svu или codec16QAM.svu в каталоге /ECC/example_systems.

Первый файл демонстрирует использование элемента без LLR; второй файл — с элементом LLR).

Таблица 12. Параметры декодера DEC

Декодер имеет один вход — логарифмическое отношение правдоподобия (LLR) значения закодированного потока битов при одной выборке в значении. Элемент LLR должен предшествовать декодеру, если используется высокий порядок модуляции. При моделировании BPSK бит + шум является значением LLR, таким образом, в элементе LLR нет необходимости. Декодер имеет два выхода:

1. декодированный блок при одной выборке на бит на выходе 0. Выходная скорость на выходе 0 = входной скорости;
2. декодированная информация при одной выборке на бит на выходе 1.

Выходная скорость на выходе 1 = k/n * входной скорости, где n — полная разрядность блока (nx*ny*nz), и k — информационная разрядность блока (kx*ky*kz).

Библиотека SvuTekVisa

Начиная с версии программы 5.0 build 065 в SystemView появилась возможность использовать интерфейс Tektronix TekVISA для связи с серией осциллографов Tektronix TDS. Данные моделирования могут быть переданы и получены от осциллографов фирмы Tektronix. Таким образом, при помощи программы SystemView и осциллографов Tektronix можно осуществлять аппаратно-программное моделирование, отлаживая радиотехническую систему, часть из которой реализована в виде аппаратных средств (макета), а часть смоделирована в SystemView.

Чтобы получить доступ к интерфейсу осциллографа Tektronix, необходимо сначала установить программное обеспечение интерфейса Tektronix TekVISA, находящееся по адресу http://www.tek.com/site/sw/detail/1,1059,1092,00.html.

Необходимо также изменить параметры в интерфейсе SystemView TekVISA, указав на правильное местоположение устройства Tektronix.

После установки программного обеспечения интерфейса Tektronix TekVISA в программе SystemView появляется новая пользовательская библиотека SvuTekVisa. Диалоговое окно библиотеки SvuTekVisa показано на рис. 5.

Рис. 5. Диалоговое окно библиотеки SvuTekVisa

Библиотека SvuTekVisa включает в себя два функциональных элемента:

ViGet — выполняет функцию источника, получающего выборки сигнала из каналов осциллографа Tektronix TDS 5052. Параметры элемента ViGet приведены в таблице 13.

Таблица 13. Параметры элемента ViGet

Источник имеет четыре выхода: Ch1, Ch2, Ref1 и Ref2.

ViPut — выполняет функцию анализатора данных, размещающего выборки в опорном канале осциллографа Tektronix TDS 5052. Отображает масштаб, основанный на установках канала, выбранного пользователем.

Таблица 14. Параметры элемента ViPut

Параметры элемента ViPut приведены в таблице 14.

Пример схемы с использованием элементов ViGet и ViPut приведен на рис. 6. Если на ПК установлена SystemView 5.0 build 065 или более поздняя версия программы, то файл этого примера можно найти в папке Program Files/SystemView/Tektronix.

Рис. 6. Пример использования элементов библиотеки SvuTekVisa

Литература

1. Разевиг В. Д., Лаврентьев Г. В., Златин И. Л. SystemView — средство системного проектирования радиоэлектронных устройств //Под ред. В. Д. Разевига. М.: Горячая линия — Телеком. 2002.
2. Златин И. Новые возможности SystemView //Компоненты и Технологии. 2003. № 1.
3. Разевиг В. Д. Златин И. Л. Новые возможности SystemView // EDA Express. М.: Издательство ОАО «Родник Софт». 2003. № 7.
4. Златин И. Пользовательские библиотеки (Custom Library) и многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) в SystemView // Компоненты и Технологии. 2003. № 8.
5. Златин И. Пользовательская библиотека WNL 80211g в SystemView // Компоненты и Технологии. 2003. № 9. 2004. № 1.
6. Златин И. Кадышев С. SystemView + Matlab + + Simulink // Компоненты и Технологии. 2004. № 2.
7. Скляр Б. Цифровая Связь. Теоретические основы и практическое применение. 2-е издание. Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс». 2003.
8. Самохин С. «Голубой зуб» — смотрим в корень // Компьютер Пресс. 2003. № 5.

Иосиф Златин

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы