数字信号控制器（精选十篇）
数字信号控制器 篇1
So PC技术是基于可编程逻辑器件的可重构So C, 并可进行可重塑设计。系统设计者可以将系统设计中所需要的各个功能单元以IP的形式集成到FPGA中, 具备硬件可编程、可升级、可裁减、可扩充等诸多优点, 让硬件设计工作变得更加灵活[1,2]。So PC技术在我国也受到了相当大的重视, 取得了一定的研究进展, 如中科院计算机所设计的GODSON、北大计算机系的JB-Core32、西北工业大学航空微电子中心的“龙腾”、苏州国芯科技公司的C*Core、中芯微系统的方舟一号、二号等[3,4,5,6]。
本文针对数字家电应用的特点, 探讨了一种基于So PC技术的数字家电微控制器YL8MCU设计与实现方案, 并通过功能验证和洗衣机应用实例的仿真测试来验证系统的功能设计要求。
2 YL8MCU指令系统
2.1 指令周期及格式
如图1所示, 表示了指令的执行步骤, 其中隐含了机器指令的要素, 即操作码、源操作数参照、结果操作数参照、下条指令参照。设计的指令系统共有58条指令。
2.2 指令编码及寻址方式
本次设计的微控制器指令采用RISC指令系统, 具有单周期执行、流水线操作、以面向寄存器堆的操作为主、寻址方式简单、指令格式简单、硬连线实现控制电路等优点, 如表1所示。
3 YL8MCU系统设计与实现
3.1 体系结构
整体架构采用Harvard结构, 程序、数据分别拥有各自独立的存储器和总线, 使得一条指令在执行时可以预先读取下一条指令的值, 减轻了程序运行时的访问瓶颈。微控制器的体系结构如图2所示。
3.2 IP核可重塑设计
基于IP核的So PC将设计重心从功能设计转移到功能集成, 把IP核作为So PC设计的基础, 可以充分地利用前期设计积累, 加快设计流程, 降低产品开发的风险[7,8]。
参数化可重塑设计可分为接口参数可重塑和功能参数可重塑。IP内核模块的顶层接口如图3所示。
3.3 系统实现
微控制器的系统实现可分为三个部分:MCU实现、编程和硬件实现, 如图4所示。
表2、表3为所设计微控制器经过综合约束、布局布线后的资源使用报告和性能报告, 目标FPGA为Xilinx Sparten3EXC3S500EPQG208。分析报告表明, 所使用的片上扇区占目标器件资源的54%, 微控制器最大可工作在64MHz的时钟频率之下。
4 YL8MCU系统验证与仿真
4.1 系统验证
验证方案采用基于覆盖率的IP功能模块验证和系统集成验证, 基于覆盖率的IP功能模块验证是根据被测IP子模块的规模, 选择合适的激励产生方式, 验证IP子模块的功能。系统集成验证时将IP内核例化, 并与外部接口模块串口、定时器/计数器、中断控制器等相连接, 编写测试文件Test Bench于存储单元中, 系统复位后执行预先存储的指令机器码文件[9]。
如图5所示为系统集成验证平台。该平台对系统模型设计, 施加激励文件观察结果输出。激励文件为机器码.hex文件, 测试结果波形文件保存于Monitor文件中。
4.2 实例仿真
利用所设计完成的微控制器来实现洗衣机的全自动控制, 即洗涤、漂洗、脱水个工序之间的转换无需人工介入而完成, 具有智能化程度高、安全可靠等特点。如图6所示为全自动洗衣机的程序流程图。采用Xilinx公司ISE软件自带的ISIM仿真工具用对系统进行功能仿真和时序仿真, 采取了将测试向量 (汇编代码) 加载到ROM模块的测试方式。具体的仿真结果完全符合系统的功能设计要求, 能够实现洗衣机用户参数输入、洗涤、漂洗、脱水的整个控制流程。
4.3 比较分析
选取Microchip公司的PIC16F914, STC公司的STC90C51RC和ATMEL公司的AT90S1200-12这三款微控制器与所设计的微控制器在各个性能指标上做了比较, 如表4所示。
由于设计的微控制器采用IP核参数化技术和可重塑设计方法, 使得微控制器在引脚、I/O口、功能、程序存储空间和数据存储空间上可以方便灵活地进行配置, 以满足不同的应用需求。指令系统较为精简, 微控制器工作频率较高, 与传统微控制器相比, 具有一定的功能选择性和性能优势。
5 结束语
本文探讨了一种基于So PC技术的数字家电微控制器YL8MCU设计与实现方案, 对开发具有微处理器功能的集成电路设计提供了参考。
摘要：提出一种基于SoPC技术的数字家电微控制器设计与实现方案, 利用IP核参数化技术, 把可重塑设计方法应用于RISC架构数字家电微控制器, 通过洗衣机控制流程仿真测试的方式, 验证其正确性和可行性。
关键词：数字家电,IP核,SoPC,可重塑设计,微控制器
参考文献
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[5]胡伟武, 张福新, 李祖松.龙芯2号处理器设计和性能分析[J].计算机研究与发展, 2006, 43 (6) :959-966.
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[8]Coussy P, Baganne A, Martin E.A design methodology for integrating IP into SoC systems[C]//Proceedings of Custom Integrated Circuits Conference, 2002:307-310.
数字网络信号论文 篇2
1控制好每个环节的传输电平,是网络稳定运行的关键,这一点比单纯模拟传输更为突出,这是由模拟数字混合传输的特点决定的。数字模拟混合传输的特点
(1)这两种信号都是以8MHz为一个传输带宽单位,模拟频道一个8MHz带宽传输一套节目,数字频道一个8MHz带宽传输5—6套节目,所以在同样一个单位带宽损伤情况下,模拟信号只有一套节目出现故障,而数字信号会直接影响5—6套节目的收看。
(2)网络中传输的虽然都是已调制的高频信号,但数字频道是多电平正交幅度调制(64QAM)的数字调制方式。模拟频道是残留边带幅度调制的模拟调制方式,二者共同点是都有“幅度调制”的特点,对传输网络的幅度线性失真都是非常敏感的。
(3)要全面理解数字频道和模拟频道在传输电平测量上的区别。1)不管是模拟频道还是数字频道,在网络中的传输功率都是相同的,但二者在频道内的能量分布不同,特别是峰值能量的数值差异很大。在测量上,二者的传输电平有不同的表述方式。数字频道是数字信号调制的高频载波,在频道内,能量是相对均匀分布的,各频率处“峰值”相等。测量时用“频道内平均功率”来表示。模拟频道是模拟信号调制的高频载波,频道内功率比较集中分布在“图像载波”和“伴音载波”附近,有明显的峰值,测量时,用峰值处的平均电平表示,所以尽管数字频道与模拟频道传输时功率大致相同,但在测试上数字频道电平要比模拟频道电平低10dB左右。二者差值太小数字频道容易进入非线性状态,除自身信号劣化外,还会干扰网络内模拟频道；二者差值太大,数字频道电平低,载噪比损失大,数字信号也会劣化。或者模拟频道电平的峰值超过网络设备的最大失真范围,信号变劣,还会产生副产物,干扰数字频道。2)每个环节电平控制。网络中传输电平是由光电收发设备、放大器、机顶盒等有源设备,器件的性能,网络拓扑结构、布置,传输节目套数,用户数量等共同决定的,在设计时作了详尽充分的考虑,并在系统图中标定了各关键点的传输电平。所以,按照设计要求,随时控制各关键点的传输电平是网络安全运行的关键,只有如此,才能稳定网络运行。在网络运行维护中,控制各个环节电平,以下几个原则问题应做到:①数字频道与模拟频道的电平是由前端决定的,特别是二者的差值是由前端保证的,所以前端调制器输出电平要严格控制好,随时检测,发现电平差异,立即纠正。②前端输入到光发射机的高频信号电平要认真按设计要求控制,不要因为同轴电缆分配网的某些变化随意提高或降低,同轴电缆分配网的电平调整服从光传输电平。③所有光接收机的输出电平也要按照设计调整,并留有电缆放大器自动控制的.余量,用于温度变化补偿,机内各部位的衰减器也要按设计标定的数值安装,因为不同环节的衰减器分别影响非线性失真和载噪比。④原有的模拟同轴电缆分配网不需做大的变动,电平大体可维持正常。偏差太大的,就必须按设计要求重新配置干线放大器,调整电平也要象处理光接收机一样,按要求配置各环节衰减器。光接收机实质上是一台加了光接收模块的干线放大器。用户放大器以下的电缆分配网络调整时以用户获得足够电平、用户之间点评均衡为原则。总之,模拟数字混合传输网各个环节的电平控制至关重要。对于模拟信号,输出信号太高,会造成非线性失真‘出现网纹、交调等；输出信号太低,造成载噪比低,出现雪花、噪点等。而对于数字信号，电平输出过高或过低,都表现为停帧、马赛克或黑屏等。因此,各个环节的电平要控制得当。
2如何检测和处理数字电视故障
(1)初次安装时无法收到数字电视节目,一般由于两个原因:一是有线电视线路故障,维修人员应用数字场强仪测量数字信号电平是否在合理范围内,或者检查连接线接头是否松动,应使各种街头连接牢固。二是因为用户没有将视频线连到机顶盒与电视上,或没有把电视调到AV状态下,这种现象占报修率60%以上。
(2)安装后收台不全,很多频道显示加密状态,多数情况是用户没有弄清数字电视收费政策,只有已付费的频道才能收看,其他需要另外付费的节目虽然可以看到台标但都会是加密状态。
(3)收看时出现马赛克或卡碟的声音,基本是有线电视线路故障,多出在雨雪天或大风天之后,对有线线路进行维修后可以好转。还可能是用户室内有线接头接触不良,现行的方法都是手工完成的,这就要求工作人员在各器件与电缆的连接中不能有丝毫大意,否则将产生电弧及打火现象。当频率较低时阻抗大、信号衰减大,载噪比在25dB以下时,将出现个别频点播出的电视节目出现马赛克或卡碟的声音。
(4)前端机房节目播出频点改变后部分频道无信号,更改播出频点这种问题不会经常发生,但是改动后会给用户收看节目造成不便,如果不重新搜索,部分频道将显示无信号,这时应尽量教会用户如何重新设置新的频点并搜索。也有的机顶盒需要进行软件升级。
(5)如果单个或几个数字频道电平过低,比邻近数字频道低5dB以上,会引起该频道所有节目都无法观看,这时要检查该频道电平比其他频道信号过低的原因。其主要有以下几种故障:同轴电缆屏蔽网接触不良、折断；电缆或插接头的主芯生锈,接触不良；光接点输出故障；致使输出单个或几个数字频道电平过低等。
(6)用户家中线路故障造成有线数字信号线性失真、损耗或反射等,一般有以下几种情况:①用户家中末端几个分头直接拧在一起,而未用分支分配器链接或分支分配器分支口接反；②接头抽芯、松动或屏蔽网线未接,这时需要重新做接头；③同轴电缆老化,芯线氧化腐蚀严重,需要更换同轴电缆线；④机顶盒输入接口连接不良,致使数字信号缺台或马赛克。
数字电子技术与数字信号处理 篇3
【关键词】数字电子技术；数字信号处理；逻辑电路
计算能力可以说是人类最重要的能力之一，因为计算能力的需求增强，意味着贸易更加繁荣，人口更加密集，需求也愈发地多，人类最早的一次计算能力的提升是算盘的发明。这是人类利用工具来计算的开始，也是人类计算史上的一次飞跃。而后的很长时间，计算能力一直停留在算盘的层面，直至17世纪，德国数学家查尔斯·巴蓓奇通过大量对于计算的研究，发现通常的计算设备错误百出，于是他开发了自己的一套计算系统，设计出了差分机，差分机虽然只能计算一部分专门的数据，但是其中含有的系统则为以后的计算机的产生提供了思想基础，可以被认为是近代计算机的一个雏形，查尔斯·巴蓓奇也因为他对计算机的产生做出的贡献被认为是“计算机之父”。他设计的理论十分超前，特别是利用卡片输入程序和数据的设计被后人采用。而计算机技术的衍生，使得一个制表机公司悄悄崛起，学习了查尔斯·巴蓓奇的技术，发明了穿孔片计算机，成为了如今的IBM王国，在美国的一次人口普查，原本利用原始的人口普查需要10年的时间，此时IBM大显神威；仅仅利用六个月就完成，大发其财，迅速膨胀。而第二次世界大战的爆发，终于催生了计算机的诞生。因为在战争中需要精确打击对手，发射导弹时就需要知道导弹的飞行时间和落点，其中的计算十分复杂，人工难以实现，亟待一个计算机器的产生帮助计算。于是1946年，第一台真正意义上的计算机产生了，被命名为艾尼阿克，是电子管计算机，被认为是第一代计算机。而后计算机经过了电子管数字计算机，晶体管数字计算机，集成电路数字计算机，大规模集成电路计算机的四个过程，计算机技术逐渐成熟。后来计算机经过了两次的进一步改革，主要是体型大幅度缩小，逐渐进入了企业，家庭的视野，成本也不断降低。在接下来的几十年里，计算机逐渐成了一个集业务，生活，娱乐等多功能于一体的机器，建立了全球服务器系统，使用计算机可以获得许多生活中得不到的资源，充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器，大大减轻了服务器的压力，进入了Internet时代，整个世界就像一张网一样互通有无，其中数字电子技术就是起主体作用的技术之一。
数字电子技术从17世纪发展到今天，理论体系得到逐步的完善，走入了大学校园，成为了一门重要的课程。在电路中，有两种不同的信号进行着信息传递，一种是模拟信号，他是通过电路中的电学指标来传递信号的，是连续变化的，处理这种信号的电路称为模拟电路。而另一种则是通过不连续变化的脉冲信号来作用的，处理数字信号的电路称为数字电路。
数字电路主要是研究脉冲信号的产生、变换、控制和对数字进行逻辑运算等，因此数字电路又称为逻辑电路。数字电子技术则是一门主要研究各种逻辑门电路，集成器件的功能及其应用，逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计，集成芯片各脚功能，555定时器等。在最开始的时代，模拟电路更占据主要位置，而随着科技的发展，数字电路的优越性愈发地明显，它的信号处理能力更加强大，我们可以将模拟电路转换成数字信号，而后利用数字电路进行信号处理，最后在转换成模拟信号输出，提高了工作效率与工作质量，数字电子技术则为这种方法提供了理论依据与可行性。
首先，模拟电路是使用电信号的变化传递信息的，而电路中各个元件的属性如电阻，电流，电压容易受到外界条件的影响，如温度变化，湿度变化等因素，而且模拟电路的参数修改较为困难，而相比于模拟电路，数字电路采用的是二进制，通过逻辑门电路来处理信号，这样的处理方式首先外界环境变化对电路影响很小，不会因为某些因素轻微变化导致电路逻辑反转，并且逻辑电路参数修改简单了很多，便于控制，稳定性和灵活性兼备。逻辑门电路有很多种，但就如同每个理论体系一样，逻辑门电路也是有最基本的几个逻辑组成的，其中就包括与门，或门，非门。与门表示如果事件Y发生，则需要其发生的多个条件同时满足；或门表示如果事件Y发生，则需要其发生的多个条件只要一个或多个条件发生即可；非门表示如果决定事件Y发生的条件A满足时，Y不能发生，当A满足时，Y反而能发生。这三种基本的门电路通过组合还能形成与或门，与非门，或非门等，进而形成复杂的逻辑函数，这一切的逻辑处理就需要计算机或者专用机器进行处理。数字信号处理就是利用这些逻辑电路，采集信号，对其以数据的形式进行一系列的处理，得到易于使用，读取，转换的信号形式。数字信号处理主要应用多元化的数学手法，以网络，信号，通信等理论为依归进行处理信号。数字信号处理技术的具体操作方式是先经过信息的获取或者数据的采集，转换成原始信号，原始信号如果是连续信号，则需经过抽样过程成为不连续信号，进而进行转换，如果是不连续信号则可以直接转换，最终得到二进制数码，输入逻辑电路。
21世纪是信息时代，是高科技的时代，所以数字信号处理技术在很多领域都要得到应用。在通信领域，信号是最主要的研究对象，所以数字信号处理技术是核心的手法之一，现在的电子设备，通讯设施逐渐向无线化发展，整个世界形成一个无线系统，数字信号显得极为重要，数据加密，可视电话等进步科技的实现都需要数字信号处理技术的支持。在图形图像领域，数字处理技术可以很好地把图像，音频，视频等具体形式转换，而现如今已经广泛地应用在科学研究以及其他各行各业中，比如粒子的运动轨迹，卫星遥感图像的处理，岩石的勘测，生物细胞细微结构的扩放，这些技术也在迅猛发展，不断完善。尤其在生物学方面，数字信号处理技术居功至伟，因为人与动物的身体就是一个巨大的信息系统，通过各种器官，组织，细胞，传递信息，进行生命系统的微调，而神经系统作为调节的中枢，信息传递更加尤为重要，数字信号处理技术可以帮助研究人脑信息处理模型，为生物学的进步作出巨大的贡献。
总而言之，现今的时代是数字时代，是信息时代，数字信号处理技术作为一门实用性极强，应用广泛的科学，必定会大放异彩。
【参考文献】
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[2]李方慧.数字信号处理技术的新进展[M].北京理工大学出版社，2010：8.
数字信号控制器 篇4
关键词：数字卫星广播电视,信号传输,质量
在社会经济的推动下,我国数字卫星广播电视事业有了较大发展,各类设备以及操作技术也有了较大进步,较好满足了电视信号的稳定传输需求。数字卫星广播电视信号在传输过程中会受到多种因素的影响,主要影响因素为噪声,致使信号难以正常进行传输。随着信息时代的进步,我国广播电视的数字化进程逐渐加快,在获得各种发展机遇的同时,也面临着较大挑战。因此,工作人员必须从多方面对信号传输过程进行监测,处理好存在的各种问题,以确保信号传输质量,以维护数字卫星广播电视的正常运作。
1数字卫星广播电视信号传输方式分析
数字卫星广播电视信号传输过程中,在节目源的传输环节主要对数字光端机、ADH光/微波传输系统进行了应用,这些设备系统中相应的保护开关具有一定的数字码流监测功能,且存在着数字调制器等新型的数字设备。如图1,显示的是数字光端机。相应的传输媒介主要为短距光端设备或是高品质电缆,较好确保了幅频特性、信号电平等指标的稳定性,进而有效提用户的接收质量。
在中频直接光线传输方面,这种传输方式主要对数字信号进行调制,大致在70MHz中频上,之后通过模拟方式进行传输,然后在接收段解调输出。这种传输方式具有相对简单的系统模式,而且易于监测,但是这种传输模式会占用较大的传输资源,而且相应的模拟信号在实际传输中很容易造成性能劣化、噪声累积等问题,所以在长距离传输中难以发挥出较好效果。
在数字信号直接光纤传输方面,这种传输方式将数字视频信号以多种接口方式在光波上进行调制,然后进行传输,相应的接口方式主要包括ASI或ADI/HD-SDI。这种传输模式的系统较为简单,具有一定的再生性、且传输质量较好。但是传输的数据量过大,所以会占用到较多的资源。
在数字光传输网络传输方面,这种传输方式也是通过一些接口方式利用相应的传输网络进行传输,主要包括E1/DS3/STM-1等接口方式。这种传输方式具有较高的保护等级、较为灵活的适配度,信号的传输质量较好,抗干扰能力较强。
2数字卫星广播电视信号传输易出现的问题分析
在数字环境下,广播电视信号的传输质量虽然不断提高,但是依旧会出现较多问题,影响数字卫星广播电视的正常运作。
广播电视节目源中某些节目出现黑屏问题或马赛克问题。出现这种问题的原因主要包括复用环节中信号的PID等信息丢失、节目源前端的信号丢失、在动态统计复用环节中相应的空包比规定值要小,在这种情况下,相应的传输流中会产生码流告警信息。
卫星的下行信号在接受过程中产生黑屏和马赛克问题。出现这种问题表明相应的信噪比比接收门限要低,一般由射频层面受到影响所引起,包括太阳活动、雨雪活动、调制器中产生尖脉冲干扰问题、高功放杂散超过正常值、电脉冲干扰、邻频干扰、火花干扰等原因,在这种情况下,传输流中会产生码流告警信息,且频谱也会出现异常。
3数字卫星广播电视信号传输质量控制分析
3.1视频层方面的信号传输质量控制
在视频层方面,相应的检测主要以用户于电视画面主管层面的判读以及系统于视频、声音层面的自动监管为基础。如果正常传输的信号遭受干扰,相应的电视图像就出现黑频、马赛克等问题,在这种情况下,系统就会自动进行声光报警,这样工作人员就能够及时检测到故障点,并采取适当的方式进行处理,以维护信号的传输效果。在《数字电视图像质量主观评价方法》中,对电视广播图像信号质量的受损情况进行了分类,主要包括不觉察、可觉察但不讨厌、稍有讨厌、讨厌以及非常讨厌等级,所以在进行视频监测时可依据相应的等级进行操作,以更好解决相关问题。
3.2信道层方面的信号传输质量控制
信道层属于系统中射频结构中的关键内容,在广播电视节目播出时,当信道内产生信号异常传播问题时,信道层会做好相应的反应,有效控制异态信号存在时间,这样就能确保信号传输效果。实际情况中,信道层中会出现多种异态现象,其中BER变化较为常见,当信号处于正常传输状态时,相应的BER较小,在0.001以内;如果信号传输遭受干扰,相应的BER就会迅速提升。如果工作人员,没有及时发现并处理,就会导致BER上升至0,在这种情况下,一定范围内的电视接收端不能有效接收到正常信号,所以加强对BER的监测有着重要作用,只有掌控好BER数值以及变化趋势,才能更好维护信号的正常传输。所以实际监测过程中需对各种数据进行明确,一旦出现异常必须及时进行处理,这样才能确保信号传输质量。
3.3码流层方面的信号传输质量控制
在对码流层进行监测时,主要对码流分析仪进行应用,以活动图像专家组和数字影像广播的统一标准为依据。在对活动的码流进行监测时,技术人员须利用码流分析仪全程跟踪以及记录其活动情况,码流相应的活动状态主要包括音频、视频、自定义信息的TS流、多元回归分析等内容。
4结束语
随着信息技术不断进步,数字卫星广播电视信号的传输质量在不断提高的同时,也面临着多种因素的干扰,所以及时排除这些干扰至关重要。相关技术人员必须对信号传输的过程进行合理分析,加强实时监测,排除各种信号干扰因素。实际情况中,噪声是信号传输中最主要的影响因素,所以技术人员应采取多种措施消除噪声,这样才能确保信号传输质量,为数字卫星广播电视的正常运作准备条件。
参考文献
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数字信号处理学习心得 篇5
通信工程 0801 赖立根
《数字信号处理》是我们通信工程和电子类专业的一门重要的专业基础课程，主要任务是研究数字信号处理理论的基本概念和基本分析方法，通过建立数学模型和适当的数学分析处理，来展示这些理论和方法的实际应用。
数字信号处理技术正飞速发展，它不但自成一门学科，更是以不同形式影响和渗透到其他学科：它与国民经济息息相关，与国防建设紧密相连；它影响或改变着我们的生产、生活方式，因此受到人们普遍的关注。信息科学是研究信息的获取、传输、处理和利用的一门科学，信息要用一定形式的信号来表示，才能被传输、处理、存储、显示和利用，可以说，信号是信息的表现形式，而信息则是信号所含有的具体内容。
一单元的课程我们深刻理解到时域离散信号和时域离散系统性质和特点；时域离散信号和时域离散系统时域分析方法；模拟信号的数字处理方法。
二单元的课程我们理解了时域离散信号（序列）的傅立叶变换，时域离散信号Z变换，时域离散系统的频域分析。
三单元的课程我们学习了离散傅立叶变换定义和性质，离散傅立叶变换应用——快速卷积，频谱分析。
四单元的课程我们重点理解基2 FFT算法——时域抽取法﹑频域抽取法，FFT的编程方法，分裂基FFT算法。
五单元的课程我们学了网络结构的表示方法——信号流图，无限脉冲响应基本网络结构，有限脉冲响应基本网络结构，时域离散系统状态变量分析法。
六单元的课程我们理解数字滤波器的基本概念，模拟滤波器的设计,巴特沃斯滤波器的设计,切比雪夫滤波器的设计，脉冲响应不变法设计无限脉冲响应字数字滤波器，双线性变换法设计无限脉冲响应字数字滤波器，数字高通﹑带通﹑带阻滤波器的设计。
七单元的课程我们学习了线性相位有限脉冲响应（FIR）数字滤波器，窗函数法设计有限脉冲响应（FIR）数字滤波器，频率采样法设计有限脉冲响应（FIR）数字滤波器
通信工程是一门工程学科，主要是在掌握通信基本理论的基础上，运用各种工程方法对通信中的一些实际问题进行处理。通过该专业的学习，可以掌握电话网、广播电视网、互联网等各种通信系统的原理，研究提高信息传送速度的技术，根据实际需要设计新的通信系统，开发可迅速准确地传送各种信息的通信工具等。
对于我们通信专业，我觉得是个很好的专业，现在这个专业很热门，这个专业以后就业的方向也很多，就业面很广。我们毕业以后工作，可以进入设备制造商、运营商、专有服务提供商以及银行等领域工作。当然,就业形势每年都会变化，所以关键还是要看自己。可以从事硬件方面，比如说PCB，别小看这门技术，平时我们在试验时制作的简单，这一技术难点就在于板的层数越多，要做的越稳定就越难，这可是非常有难度的，如果学好了学精了，也是非常好找工作的。也可以从事软件方面，这实际上要我们具备比较好的模电和数电的基础知识。
我选择了这个专业，在这里读了三年关于通信知识的书，我还是想以后毕业能够从事这个方面的工作，现在学了通信原理、数字信号处理这些很有用的专业课，所以，我在以后的学习中，我会把这些方面的知识学扎实，从事技术这一块要能吃苦，我也做好了准备，现在还很年轻，年轻的时候多吃点苦没什么，为了我自己美好的将来，我会努力学好这个专业的。
数字信号处理课程属于专业基础课，所涵盖的内容主要有：离散时间信号与系统的基本概念及描述方法，离散傅立叶变换及快速傅立叶变换，数字滤波器结构及设计等。对于电气信息类专业的学生来说，这些内容是学习后续专业课程的重要基础，也是实际工作中必不可少的专业基础知识。目前几乎所有的高等院校都在电子工程类、信息工程类、通信工程类、电子技术类、自动控制类、电气工程类、机电工程类、计算机科学类等工科电类及其他相关专业的本科生中开设了该门课程。随着计算机技术、微电子技术、数字信号处理理论和方法的发展，半个世纪以来，尤其是最近的三十来年里，数字信号处理的方法和应用得到了飞跃式的发展，数字信号处理的地位和作用变得越来越重要。因此，加强该课程的建设具有重要的意义。
我们的数字信号处理课是罗老师教的，罗老师有过实际工作的经验，对于这门课的实际用途很了解，罗老师对于这门课采用多种教学方法，丰富教学内容，吸引学生对课程的关注。利用实验课使学生亲自编程，体会信号处理课程的乐趣，这样子激发了学生的兴趣、提高了教学的效果。因此，我们班的同学在这一个学期的学习中，这门课都学的比较好。
数字信号处理课程的特点是课程本身理论性强、公式推导较多、概念比较抽象，学生常有枯燥难学之感。近年来，国外及国内有些学校对一般电类专业该课程的教学主要强调应用性学习，主要介绍数字信号处理的用途和用法，而对其深奥的理论推导仅做一般介绍，并给学生提供进行实验的机会，以激发学生对该课程的兴趣和学习主动性。
数字电视信号传输技术探讨 篇6
【关键词】数字电视；信号传输技术；3G；SDH
通常情况下，数字电视将有电视台发出的声音以及图像方面的信号通过数字的调制以及压缩之后，最终会形成数字电视的信号，该信号通过地面的有线电缆或者无线广播以及卫星等进行传送，之后由数字电视进行接收。
1.基本概念
现阶段，数字电视信号传输指的主要是将由信源发出的模拟信号进行信源编码之后成为数字信号，由终端发出的那些数字信号进行信道编码最终成为能够进行信道传输的数字信号，之后通过调制器在数字信道上进行信号的调制，最后将信号传输到对端以及信宿。
2.基本标准
最早出现的数字电视技术是在欧洲，早在上个世纪的八十年代，欧洲有着比较先进电视技术的国家就开始进行数字电视技术的相关研究，同时诞生出了三代数字电视节目的广播，那时已经算是比较先进的数字技术。在1995年时，数字电视的相关标准正式在美国通过。下一年，法国第一个进行了数字卫星电视的商业性广播，这就引起了数字电视技术在世界范围的广泛发展。在2012年时，国际电信联盟通过了我国的地面数字电视的相关传输标准。
3.简单介绍3G和SDH技术及其特点
3.13G技术及其特点
我们知道，3G属于第三代移动通信的一个简称，指的主要是一种移动通信技术，该技术在很大程度上支持传输高速数据。该技术的服务可以对声音和数据信息进行同时传送。现阶段，3G技术主要有着四种基本的标准，分别为：TD-SCDMA，WCDMA，CDMA2000以及WiMAX。
相比于比较传统的电视信号的传输手段，3G技术有着很多显著的特点，具体包括：低廉的费用、传输设备以及操作比较简单、不会受到空间和时间的限制、不需要进行预约、实现无线可移动等。
3.2SDH技术及其特点
SDH技术属于是光纤传输的一种体制，主要能够实现模块的同步传送，其中模块主要由管理单元指针、段开销以及信息的净负荷组成，能够通过容器的方式来实现PDH体系的各种兼容。主要的特点包括有着比较高的横向爱你过的兼容性、灵活的网络、生存率高等。
4.总结
随着人们对数字电视要求的不断提高，促进了数字电视的快速发展。对数字电視的投入进行加大，创新科技。
【参考文献】
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[2]于建平.浅谈数字电视传输技术及其发展[J].科技创新与应用，2014（12）：34–35.
数字信号控制器 篇7
在对多通道高速CCD相机输出图像信号的采集系统设计过程当中,需要对此系统在正式使用之前进行调试,以测试它是否正常工作。如果采用现场调试的方法,由于现场调试的不可控因素太多,增加了调试的难度,在技术上难以实现,所以迫切需要一种新的调试方法。
本课题是由上位机通过PCI总线发出图像数据,并通过FPGA进行整体时序控制,输出接口信号转换成符合camera link标准的低压差分信号(LVDS)进行传输。一方面可以对图像进行处理,模拟添加不同杂物的各种情况,可控性强,可重复性高,另一方面可以提高信号传输距离和精度,从而可以方便快捷地调试出该采集系统能否达到工业现场的要求,是否可以准确及时的对识别烟叶中的杂物。
1 Camera Link接口标准
Camera link是一个工业高速串口数据和连接协议,它是由NI,DALSA,Foresight Image,Coreco,Cognex,Basler,Datacube,Intergral Technologies等13家数码相机供应商和图像采集公司在2000年10月联合推出的,旨在为数码相机和PC机间的高速、高精度数字传输提供一种标准连接。在现阶段,应用camera link技术可实现高达2.38 GB/s的传输速率,足以满足当今数码相机对数据传输速率的要求,在工业自动检测、航空、航天等高分辨率数码相机领域得到了越来越广泛的应用。
在camera link标准中,相机信号分为四种:相机控制信号、图像数据信号、电源和串行通讯。其中高速图像数据信号:FVAL,LVAL,DVAL和SP,它们分别是帧允许信号、行允许信号、数据允许信号和保留信号。相机控制信号有以下四组:CC1,CC2,CC3和CC4,分别是外同步信号(EXSYNC),重置信号(Prin),向前信号(Forword)和保留信号(FUTRUE USE)。高速图像数据信号:FVAL,LVAL,DVAL和SP,它们分别是帧允许信号、行允许信号、数据允许信号和保留信号。低速串行通讯信号:serial—to—frame—grabber(SERTFG),serial—to—camera(SERTC),支持RS232异步串行通信协议。电源:camera link接口相机采用专用的电缆供电,一般为12V。
2 系统硬件结构框图
检测调试图像采集装置性能、图像信号源的标准图像生成方法有两种。一种是由FPGA直接生成信号,输出图像一般为0～255的灰度值的图像;另一种是通过上位机软件下载图像到信号源中,FPGA产生视频同步信号和进行整体逻辑控制。
方案选择通过上位机软件下载图像到信号源中,采用FPGA与camera link专用接口芯片相结合的方案,FPGA作为主控模块产生视频同步信号和进行逻辑时序整体控制。Camera link接口器件DS90CR285是专用电平转换器件,能将28位CMOS/TTL电平数据和一位像素时钟信号分别转换成4组LVDS数据流及一对LVDS时钟信号进行传输,由于采用差分传输方式,提高了传输距离及信号精度。考虑到FPGA的现场可编程特性,使用灵活方便,能够降低硬件电路设计难度。
其系统硬件结构框架如图1所示。
由于camera link支持高速的数据传输,而该发送卡又要考虑到与上位机的兼容问题。所以PCI总线接口技术中的DMA传输控制是设计急需解决的问题。
3PCI总线接口技术
3.1PCI总线概述
所谓PCI,是外围部件接口(peripheral component interconnector)的缩写。而PCI局部总线标准的制定主要目的是为了实现一种将周边设备与处理器高速结合起来的总线结构,以便适应用户对于数据率越来越高的要求。使用PCI总线结构的设备,可以达到理论峰值为132MB/s的数据率。而且使用PCI总线的一个突出的优点就是CPU的占用率极低,因为它和存储器之间的交互基本上通过DMA方式。
3.2PCI芯片选择
系统采用美国PLX公司生产的先进的PCI I/O加速器PCI9054,它采用了先进的PLX流水线结构技术,符合PCIV2.1和V2.2规范;提供了两个独立的可编程DMA控制器;每个通道均支持块和散/聚的DMA模式;在PCI总线端支持32位/33MH;本地端(local bus)可以编程实现8,16,32位的数据宽度;传输速率最高可达132MB/s;本地总线端时钟最高可达50MHz支持复用/非复用的32位地址数据。PCI9054内部图如图2所示。
PCI 9054的数据传输模式灵活多样,包括直接主模式(PCI master),直接从模式(PCI target),DMA模式。数据传输模式的选择主要是要根据硬件设计者对硬件设计的需求而定的。当硬件设计者选择由PCI发起控制的时候,则PCI 9054应该为PCI的工作目标,这时应选择PCI 9054的工作方式为PCI从模式。当硬件设计者选择本地端发起控制的时候,PCI 9054成为主控设备,而PCI则成为PCI 9054的工作目标,这种情况下应选择PCI 9054的工作方式为PCI主模式。在数据进行DMA传输时,PCI 9054对PCI端和LOCAL端都是主控设备,本身具有DMA控制器完全可以脱离PC机进行DMA控制,此时PCI 9054工作在DMA传输模式。
3.3DMA控制器设计
DMA控制器的全称是直接内存访问(direct memory access)控制器,在很多计算机系统和嵌入式系统中具有非常重要的地位。它的作用是在不需要CPU参与的情况下,完成数据的传输。数据的传输可以在内存与内存之间进行,也可以在内存和外设之间进行,甚至可以在外设和外设之间进行。
PCI 9054集成了两个互相独立的DMA通道,每个通道都支持block DMA和scatter/gather DMA,通道0还支持demand DMA传输方式
Block DMA要求PCI主机或Local主机提供PCI和local的起始地址、传输字节数、传输方向。主机设定DMA开始位启动数据传输,一旦传输完成,PCI 9054设定DMA“传输结束位”结束DMA,如果中断允许位被使能,在传输结束时PCI 9054将向主机申请中断。在DMA传输中,PCI 9054既是PCI总线的主控器又是local总线的主控器。
Scatter/gather DMA要求主机在PCI空间或local空间设定descriptor模块,模块包括PCI和local的起始地址、传输字节数、传输方向和下一个descriptor模块的地址。PCI 9054载入第一个descriptor模块并发起传输,连续加载下一个模块,直到它侦测到“链结束位”有效,PCI 9054设置“传输结束位”,或者申请PCI或Local中断。这种模式下,PCI 9054也可以在每个模块加载时有效中断信号结束DMA传输。若descriptor模块在本地存储空间,可以编程使DMA控制器在每次DMA传输结束后清除传输字节数。
PCI 9054的DMA传输过程可由以下几个步骤实现:
a) 设置方式寄存器:设置DMA通道的传输方式,寄存器DMAMODE0或者DMAMODE1的位9:0——表示块传输,1——表示散/聚传输;
b) 设置PCI地址寄存器:设置PCI总线侧的地址空间;
c) 设置LOCAL地址寄存器:设置LOCAL总线侧的地址空间;
d) 设置传输计数寄存器:以字节为单位设置传输数据量;
e) 设置描述寄存器:设置DMA传输的方向;在散/聚方式下,位0表示传输参数的加载地址,0——PCI地址,1——Local地址;位1表示传输链结束,0——未结束,1——结束;位2设置当前块传输结束后中断;位3指示DMA的传输方向,0——从PCI总线到Local总线,1——从local总线到PCI总线;高28位[31∶4]表示传输参数表的地址指针;
f) 设置命令/状态寄存器:启动或停止DMA操作,并读此寄存器返回DMA状态。
下面为PCI 9054芯片中有关DMA传输配置的引脚:
LHOLD:输入信号,申请使用本地总线。
LHOLFA:输入信号,对LHOLD应答。
ADS:输出信号,表示新的总线访问有效地址的开始。在总线访问的第一个时间周期设置。
BLAST:输出信号,表示总线访问的最后传送。
LW/R:输出信号,高电平表示读操作,低电平表示写操作。
LA:地址线。
LD:数据线。
READY:输出信号,表示总线上读数据有效或写数据完成。用以连接PCI 9054等待状态产生器,输入信号。
设计时选用ALTERA的FPGA EP1C3T144C8芯片,用verilog HDL语言编写代码实现硬件控制逻辑的设计,仿真时序图如图3所示。
3.4 驱动程序的实现
设备驱动程序是衔接计算机操作系统与硬件设施,其基本功能是识别硬件,完成对设备的初始化,能对端口进行读写操作,中断设置和响应及中断调用,以及对内存的直接读写。图4反映了设备驱动程序在操作系统中的作用。
驱动程序的开发使用Numega公司的Driver Studio。它包含完善的源代码生成工具以及相应的类库和驱动程序样本;提供了在VC++下进行驱动程序开发的支持;包含有调试工具Monitor和SoftIce。
Driver Studio中的Driver Works软件为开发WDM程序提供了一个完整的框架。它包括一个可快速生成WDM驱动程序框架的代码生成向导工具Driver Wizard,而且还带有许多类库。
开发者只需要关心中断响应操作、数据端口读取以及与应用程序通信,大部分PnP处理和电源管理等由程序提供基类的默认操作实现。
Driver Studio提供了三个类:KDma Adapter,KDma Transfer和KCommon Dma Buffer类,用于实现DMA操作。KDma Adapter用于建立一个DMA适配器,它说明DMA通道的特性。DMA数据传输的具体操作则由类KDma Transfer来实现的。要开发DMA驱动程序,通常还要涉及到硬件访问和中断处理的问题。因此,在DMA驱动程序中应包含有硬件访问编程部分和中断处理编程部分。通常可以使用KIo Range类实现对I/O映射芯片的访问,KMemory Range类实现对内存映射芯片的访问。
Driver Studio中使用KInterupt类实现中断的处理,主要调用其成员函数对中断进行初始化,控制一个中断服务程序和一个中断之间连接和断开。对于Driver Wizard生成的框架,它在On Start Device(KIrp I)中对一个中断对象调用了Initialize And Connect(),完成了中断的初始化与连接,但是作为实际应用,最好在On Start Device(KIrp I)中只作初始化,而在需要中断服务的时候在PASSIVE-LEVEL级别上调用Connection()。
在中断服务例程中,首先必须根据硬件信息来判断该中断是否是自己的设备发出的。这是因为PCI总线共享中断,系统在接收到中断后,顺序调用各个注册该中断资源的驱动程序的中断处理例程。如果有返回TRUE的例程,那么代表该中断已处理,就不再调用其它例程。如果是返回FALSE的例程,则说明该中断没有处理,则继续调用其它的例程。如果返回错误,就会扰乱系统,造成系统崩溃。其框图如图5所示。
编写设备驱动的最终的目的是需要由用户程序来调用驱动并实现一定的功能。驱动程序加载以后需要用户应用程序去调用。应用程序利用Win32 API直接调用驱动程序,实现驱动程序和应用程序的交换。首先用Create File()打开设备,然后用DeviceIo Control()与驱动程序通信,设备使用完后用Close Handle()关闭设备句柄。
4 结语
主要阐述了在数字图像信号源项目中,基于PCI总线接口技术实现DMA数据传输的设计模式及其驱动程序的设计思想。在项目开发中发现,PCI 9054以其强大的功能和简单的用户接口,为高速PCI总线接口的开发提供了一种简洁的方法。采用PCI 9054专用接口芯片可以避开复杂的PCI协议,能够减少许多相应的外围器件,降低开发难度,缩短开发周期,大幅度降低压缩成本。目前设计的数字图像信号源已用于测试系统中,达到了设计要求。
摘要：在阐述基本设计要求的基础上,介绍一种基于FPGA的模拟高速CCD相机数据数字图像信号源的开发,着重对PC I总线部分的DMA传输控制器设计及其在Windows 2000下WDM设备驱动程序的编程要点进行介绍。
关键词：外围部件接口总线,DMA传输,WDM驱动程序
参考文献
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[3]陈宇.基于Driver Studio的PCI设备WDM驱动程序的设计[J].电子器件,2008(6).
[4]颜建峰.基于PCI总线的DMA高速数据传输系统[J].电子科技大学学报,2007,10.
数字信号控制器 篇8
自动消防炮灭火装置(以下简称“自动消防炮”)是集自身报警、扫描定位、灭火于一体的高智能灭火设备。具体是指在大空间内可以实现自动探测火灾、自动寻找火源点、自动报警、自动定位喷水灭火,并在灭火后可以自动关闭水源的智能灭火产品。
1自动消防炮的电气功能技术要求
1.1火灾数据采集
自动消防炮采集火灾数据主要分为两个阶段。一是在监控状态实时采集保护范围内的环境光数据,该数据有红外光和紫外光两组。其有效光谱集中在4.35μm和190nm附近,这也是火焰燃烧光谱能量集中的位置。二是在自动消防炮扫描起火点,确定火焰位置的状态。该阶段对数据处理的实时性要求极高,通常每秒至少要采集并且处理200个以上数据才能满足探测精度的需要, 否则自动消防炮的性能指标将会大幅度下降。
1.2火灾数据分析与提取
自动消防炮主控系统将采集到的火焰数据分析处理后与预存的火焰数据数学模型进行相似度判断,用以确定当前保护区域内是否存在火灾。该部分数据处理对系统运算能力有一定的要求,在自动消防炮扫描起火点时, 需要在几十毫秒、甚至十几毫秒内,通过预先设计的数学算法提取出有效的火焰强度、频率及燃烧趋势等信息。
1.3控制执行机构
自动消防炮采用蜗轮蜗杆传动的机械结构,使用直流电机驱动。辅以高精度的电子角度反馈系统,与采集到的火焰数据匹配,以便精确定位起火点。
1.4通信系统
自动消防炮与消防控制中心需要建立通信链路,接收远程控制命令。同时上传自动消防炮的运行状态(监控、扫描、灭火等)及灭火信息(报警、打开阀门、阀门开启状态等)。根据现场的视频,操作人员可以在消防控制中心手动控制自动消防炮定位起火点,打开阀门喷水灭火。
自动消防炮还需要 与现场手 动控制盘 建立通信 连接,以便现场手动控制其旋转、定位起火点、打开阀门、报警以及喷水灭火等动作。此外,通过现场控制盘的通信接口,可以实现在现场对自动消防炮的运行参数即时调整,如定位准确度、探测灵敏度等参数。
2自动消防炮系统设计
基于上述电气性能的技术要求,一般自动消防炮的数据处理和逻辑控制采用多个微处理器共同工作的方式来处理。否则,会造成数据处理和逻辑控制协调不当,或降低数据处理的工作量。这两种方式都会影响自动消防炮的工作可靠性和稳定性。
Microchip公司的dsPIC30F系列微处理器具有高性能改进型RISC CPU内核和DSP引擎,这极大地提高了内核的运算和数据吞吐能力,可同时满足逻辑控制的实时性和高速数据处理两方面的要求。
2.1dsPIC30F系列微处理器的结构特点
dsPIC30F系列16位微处理器是一种具有单片机和DSP综合功能的16位CPU,不但保留 了单片机 的基本性能、丰富了外围模块,还兼具DSP的高速运算能力,是嵌入式系统设计的最佳解决方案之一。由于集多种功能于单一芯片,从而大大节省了电路板空间。目前开发的dsPIC30F产品主要分为通用系列、电机控制和电源变换系列、传感器系列等。其中,dsPIC30F6014A以其丰富的外围模块、I/O接口、可支持多种电机控制等特点,广泛应用于电机控制、开关电源控制等领域、消防自动设备控制及数据处理分析等领域。该微处理器在许多应用中优于32位控制器。
2.2功能叙述
自动消防炮 控制系统 的总体结 构,如图1所示。 dsPIC30F6014A微处理器实时采集多个火焰传感器传递来的数据经过DSP核的处理,依据特定的数学模型分析出相应的结果,指挥相应的执行机构,并通过串行通信模块将数据与消控中心的通信系统进行数据交换。
2.3自动消防炮的硬件设计
2.3.1火焰信号采集模块
采集火焰信号的硬件部分包括红外扫描电路和紫外扫描电路。各路信号经放大、滤波等硬件处理,传送至控制主板的信号调理电路。信号调理电路部分输出的模拟信号,经过dsPIC30F6014A内部高速A/D转换为数字信号,方便微处理器进行数据分析及火焰数学模型比对。
(1)红外扫描电路。使用专用的火焰红外传感器采集火灾红外光谱信息,利用运放集成电路LM224和高精度电压基准AD586,设计火灾红外信号的采集和信号调理电路。用以分析火灾红外光谱特性,包括火点红外能量强度、火焰闪烁频率、变化趋势等火灾红外光谱信息。 该部分数据通过dsPIC30F6014A的A/D变换通道直接进入芯片内部等待处理。
(2)紫外扫描电路。紫外传感器采用日本某公司的R2868,该传感器光谱响应范围为185~260nm,可以满足探测火灾紫外光谱的技术要求。
2.3.2系统控制主板
以dsPIC30F6014A微处理器为控制主板核心,包括直流电机驱动模块、通信控制模块等。
(1)电机驱动模块。采用4个大功率场效应管组成的桥式驱动电路,控制直流电机的正反转。为了提高系统的抗干扰能力,电机状态控制端使用了光电隔离电路。 同时,在电机主电源端增加电流保护电路,避免电机堵转时造成电流瞬时增大而烧毁电路板。
(2)通信控制模块。dsPIC30F6014A微处理器 具有双路增强型UART模块,可满足自动消防炮同时与消防控制中心和现场手动控制盘通信的需求。该芯片还具有CAN现场总线通信功能,给系统通信功能扩展预留了足够硬件空间。
与消防控制中心远程通信采用M-BUS总线,具有抗干扰能力强、对总线拓扑结构不做特殊要求的特点,方便现场的工程施工,保证了系统通信的可靠性。
自动消防炮与现场手动盘的通信总线使用RS485的方式。该总线结构简单,与多种电子设备容易接口,方便现场控制及二次对自动消防炮的运行参数进行修改。由于现场手动盘距离自动消防炮较近(一般安装在可直接看到水炮的地方),且是点对点通信。所以,RS485的总线方式可以满足设计要求。
2.4自动水炮系统的软件设计
为充分利用dsPIC30F6014A微处理器的资源,数据处理、算法分析部分由DSP核独立完成,逻辑控制、输入输出I/O控制以及通信控制的软件部分由控制核完成。
2.4.1数据处理算法
通过大量的模拟火灾试验,分析常见火灾类型的红外物理特性和紫 外物理特 性。将上述分 析结果存 储起来,作为依据设计相应的数学模型,对采集到的火灾数据信息进行特征提取。设计的分析算法必须要将其中所有火焰特征提取出来才能保证火灾探测的可靠性,同时还要保证处理数据的速度足够快。此部分的工作主要由微处理器的DSP核独立完成。
2.4.2逻辑控制和通信控制
控制逻辑主要协调执行机构动作、火灾探测结果、系统状态采集(位置信息、工作状态、阀门状态等)以及自动消防炮预 设功能的 执行等内 容。 其通信控 制完全由dsPIC30F6014A的中断硬件实现,不占用中主控逻辑的处理时间。
自动消防炮工作流程,见图2所示。
3结语
笔者采用dsPIC30F6014A微处理器 的软硬件 设计方案已经成功应用于自动消防炮设备中。实际工作外频使用8 MHz的频率源,微处理器工作时基本没有温升。 自动消防炮的数据处理实时性、可靠性均能满足相关国家标准的要求。经过多个工程现场的实际应用检验,达到了自动消防水炮灭火系统的设计要求。
摘要：介绍了一种高性能数字信号控制器,其具有高性能改进型RISC CPU内核和DSP引擎。应用于自动消防水炮的控制系统之中,可以同时满足逻辑控制的实时性和高速数据处理两方面的要求。
数字信号控制器 篇9
关键词：数字荷尔蒙模型,计算粒子,分布式信号,交通控制
1 引言
大中城市的道路交通网通常包含数百甚至数千的路口, 如此庞大复杂的交通网络必须通过交通信号控制车流的通行。与单路口的交通信号控制不同, 多路口的交通网络存在路口之间交通流的相互影响, 仅考虑单个路口的通行问题无法使整个网络达到最佳的通行状态。如何在保证每个路口交通基本畅通的前提下提高路口之间交通信号的协调以增加整个路网的通行能力是分布式交通网信号控制的关键。
首先, 交通模型的建立需要大量路网几何数据和交通流信息, 因此费时费力;其次, 控制子区的划分问题尚未解决;另外, 饱和流率的校准急需自动化。由于现有交通网信号控制方式的不足, 随着分布式问题求解方式和多智能体技术的发展[1], 人们开始探讨交通信号的分布式控制问题, Hakim Laichour等、Jeffrey L.Adler等、John France等相继提出多种基于多智能体的道路交通分布式控制概念模型[2,3,4]。李英构建了分布式交通信号控制的概念模型, 并对由两个路口组成的简单交通系统进行仿真实验, 证明分布式控制方法优于传统控制方式[5]。李灵犀等建立了两相邻路口的分层递阶模糊控制模型, 并通过仿真实验证明该方法优于传统感应控制[6]。
本文在基于荷尔蒙信息的基础上, 结合数字荷尔蒙模型, 建立了分布式道路交通信号协调控制, 并对一个由8个路口组成的交通网进行实验, 实验结果表明这种新控制方法的控制效果明显优于定时控制、感应控制和实时控制。
2 数字荷尔蒙模型
2.1 数字荷尔蒙模型的基本思想
数字荷尔蒙模型 (The Digital Hormone Model, DHM) 是由自组织性应用于生物界所得到的分布式计算模型, 数字荷尔蒙模型的理论来源于4个因数:第一是复杂生物样式, 它是同源细胞自组织的结果, 自组织的过程由类似于荷尔蒙的化学信号来调控;第二是分布式自组织控制, 它能使自身可重构的机器人表现其运动和重组的能力;第三是现有的自组织模型, 例如Turing的反应-扩散模型;第四是随机细胞自动机。数字荷尔蒙模型的思想就是利用这些因素来协调细胞之间的行为。这样的协调是分布式的, 网络中有大量的计算粒子, 粒子之间自由的通过协作来选择他们的行为;协作是动态的, 粒子间的相互协调关系会实时变化;协调是异步的, 协调在粒子间自由的进行, 没有全局的时钟控制。
数字荷尔蒙模型中计算粒子通过类似荷尔蒙的信息、协作从而完成全局的行为。这些类似荷尔蒙的信息与那些基于内容的信息很相似, 但又不相同[7]。它们没有一个固定的ID, 而是通过实体间的链接扩散传播。所有实体运行相同的决策协议, 它们根据本地的拓扑结构和状态信息, 对接收到的荷尔蒙做出相应的反应。故不同粒子接受到同一个荷尔蒙, 由于本地的拓扑结构和环境状态不一样, 会产生不同的反应。而且, 荷尔蒙的传播也不同于传统意义下的信息传播, 它并不保证网络中所有的粒子接收到的都是相同的荷尔蒙, 因为在传播过程中, 随时可能会发生变化。
荷尔蒙包括吸引因子和抑制因子。类似于磁铁同性相吸、异性相斥的原理, 吸引因子代表着细胞之间的聚合驱动的程度;抑制因子刚好相反, 代表着它们之间的排斥力。如图所示给出了简单的数字荷尔蒙模型。
由坐标 (x, y) 给出标准分布方程:
其中aA, aI, σ, ρ是常数, 并且σ<ρ以满足自身稳定条件中抑制因子扩散率必须大于吸引因子扩散率的要求。注意到由于σ<ρ, A的分布比I的更陡更窄。这些特点类似于生物学中的实验现象 (Jiang等, 1999;Chuong等, 2000;Yu等, 2002) 。假定荷尔蒙激素A为正值, 而激素I为负值, 对于一个独立细胞而言, 其邻近格荷尔蒙集中程度形似三个彩环 (见图1右下角) 。吸引因子荷尔蒙控制内环;抑制因子控制外环;中环由A和I作用相互抵消呈现中立。格中两种荷尔蒙素作用由叠加格中所有的A和I而得:
当两个或更多细胞相邻时, 周围格的荷尔蒙叠加来计算荷尔蒙浓度。图1上部显示了围绕着单个及双细胞的组合的荷尔蒙浓度。由于格子是离散的, 细胞周围的环以方形来代替圆形显示。
当所有的细胞同时移动时, 多个细胞可能于同一格中相碰撞。细胞的碰撞可由简单方法予以避免。所有细胞首先虚拟地移向其所选定的格子。如果同一格中有多个细胞, 多余的细胞立即随机向附近空格分布。这是环境作用并非细胞行为。但这一行为能确保任何时间任一格中最多只有一个细胞。
针对细胞行为, 数字荷尔蒙 (DHM) 由函数P0 (B|C, S, V, H) 确定, 定义如下:
B:每一细胞有10种行为 (模式) 。B0指隐藏A和I. B1, …, B9指移向邻格:北、南、西、东、东北、西北、东南、西南及自身占据格。
C:每一细胞在该简单模型下有8个邻格, 每一个邻格对应一个。
S:每一细胞有9个荷尔蒙感应器, 每一个邻格对应一个 (包括自身) 。
V:细胞在该模型下无本地变量。
H:由感应器探到的9个荷尔蒙值:公式如下:
最佳邻接函数的定义使得移向特定邻格的概率和CA与CI均成比例 (正比例和反比例) , 概率之和为1。每一细胞总是以隐蔽荷尔蒙执行B0.注意到P0 (B|C, S, V, H) 这一概率由两部分独立计算而得:一部分由B0计算, 另一部分由B1, …, B9计算。
2.2 数字荷尔蒙模型的主要组成部分
数字荷尔蒙模型包括三个部分:动态网络、计算粒子的行为规则、荷尔蒙反应扩散规则[8,9]。
动态网络反映N个对等的计算粒子之间的拓扑结构。粒子之间存在着物理或者逻辑的链接, 这些链接构成了整个网络的拓扑结构, 链接的概念很广泛:在超级计算机网络中, 链接表示的是链接相邻节点的通道;在无线网络中, 节点的链接是用于通讯的通道;在自身可重组的机器中, 链接表示机器人不同的部件之间相链接的物理关节。
DHM网络拓扑结构可表示为:
式中:DNSRt为DHM网络在t时刻的拓扑结构;Nt为网络中计算粒子集合;Et为计算粒子间的链接集合。
DHM网络的拓扑结构是不确定的, 公式的Nt和Et都是动态可变的, DHM允许计算粒子遭受外力破坏, 也允许外力增加计算粒子, 同时, 粒子之间的链接是不定的, 随着粒子的运动而动态的变化。
动态网络是计算粒子间通讯的基础, 计算粒子通过这个网络拓扑结构来接收和发送荷尔蒙。动态网络具备一些性质:
每个接点都是一个自身可重组的计算粒子;
每个计算粒子都有有限个的接口, 每对接口相连构成一个链接;
网络的拓扑结构是动态变化的, 计算粒子之间的链接是不确定的, 根据环境的改变而动态的生成;
荷尔蒙通过计算粒子间的链接传播;
计算粒子不知道整个网络的大小和信息, 也没有固定的ID.
DHM的第二部分是计算粒子行为的规格。每个计算粒子在网络中根据相同的机率函数P来选择它的行动B, 公式表示如下:
由式 (5) 可知:粒子的运动由4个因素决定, 分别是链接信息C、传感器信息S、局部变量的值V以及接收到的荷尔蒙信息H. 在DHM网络中, 每个粒子都动态的与相邻粒子之间创建链接, C就表示这些链接的信息, 对应于所有与之相邻的粒子;同时, DHM中也为每个粒子设置多个传感器, 每个传感器对应相邻的粒子以及本粒子, 它们的信息用S来表示;V代表粒子的本地信息;H即是该粒子接收到的所有荷尔蒙值, 这是粒子运动的最重要决定因素。
第三部分是荷尔蒙反应、扩散规格。荷尔蒙的浓度是一个关于空间和时间的方程, 用C (x, y) 来表示荷尔蒙的浓度函数, x和y分别表示空间的x轴和y轴。则控制荷尔蒙的反应-扩散等式为:
式中右边的第一个式子表示的是荷尔蒙在空间上的扩散, a1和a2是代表小x和y方向的扩散率。函数R是控制着C的反应函数, 它取决于所有其他的荷尔蒙浓度。常数b是散逸率。
2.3 数字荷尔蒙模型的基本规则和步骤
数字荷尔蒙模型为计算粒子提供一个强有力的协调机制。通过这个协调机制, 大量行为不确定的计算粒子可以形成一个确定的全局模式。全局模式的具体样式是不确定的, 它完全依赖低层计算粒子之间的相互关系;但是, 全局模型的出现又是不确定的, 计算粒子之间的不确定的行为必然会自下而上的涌现出一个全局模式。在某一时刻, 计算粒子感知周围环境的信息, 根据内部的行为规则选择并且执行一个或多个行动。这些规则可以是确定性的也可以是概率性的。给定网络、计算粒子、荷尔蒙、行为和规则, 单个计算粒子在异步中执行基本控制, 如下循环, 粒子间通过进行下列的循环到达全局的样式[8]:
① 计算粒子由它们的行为规则选择行动;
② 计算粒子执行它们所选择的动作;
③ 计算粒子的动作引起本地荷尔蒙浓度发生变化;
④ 荷尔蒙由本地向有链接的相邻粒子传播;
⑤ 返回步骤①。
在数字荷尔蒙模型中, 两个简单的行为规则控制着计算粒子的行为[9]。第一个规则是:“计算粒子在每一步分泌吸引因子和抑制因子”, 这意味着每个计算粒子在状态发生改变时都会伴随着相应荷尔蒙浓度的改变。第二个规则是说:“计算粒子是根据不同位置的荷尔蒙浓度来决定移动的位置”, 也就是说, 计算粒子移动到一个特定位置的可能性 (包括停留在它当前位置) 与相应位置的吸引因子的浓度成正比, 与抑制因子的浓度成反比, 荷尔蒙的浓度是随时变化的, 因此移动的位置也是事先无法预料的。
结合上面的行为规则, 在初始状态, 计算粒子的随机的分布在动态网络中, 计算粒子首先接受它所处的相应信息, 结合自身的一些数据, 根据式 (5) 来选择它的行为, 并做出反应, 移动到相应的位置中, 由于计算粒子的位置发生改变, 随即引起本地荷尔蒙浓度的改变, 之后, 荷尔蒙根据式 (6) 随着空间和时间向外扩散传播, 使与该计算粒子有链接的相邻粒子的荷尔蒙浓度也随之发生改变, 并逐渐影响到整个网络。计算粒子的行为如下图:
DHM中计算粒子之间存在着某种链接, 荷尔蒙信息通过粒子间的链接传播扩散, 但是这种链接是不确定的, 每个粒子的运动都是可能使整个网络的拓扑结构发生变化。粒子间链接不是按照它们的标识符来确定的, 它们根据某种特性相连, 所以粒子间的链接是动态变化的。
3 数字荷尔蒙模型下的分布式控制仿真
本文实验采用HSpice仿真软件进行仿真, 实验采用一个由8个路口组成的交通网络 (如图3所示) , 各路段的上下行均为2车道, 共4车道;路口1、2、4、5、7、8 的信号机设置三个相位, 路口3、6 的信号机设置四个相位[10]。各个路口的道路情况和信号控制相位设置如图4和图5的说明。
路口1、2、4、5、7、8 (见图4) 的信号设置三个相位, 相位1控制车道1、2;相位2控制车道3、4;相位3控制车道5、6。
路口3、6 (见图5) 的信号设置四个相位, 相位1控制车道2、3;相位2控制车道1、4;相位3控制车道5、8;相位4控制车道6、7。实验采用等步长方法, 步长时间为1/15秒, 模拟时间为3小时。在8个不同交通量的条件下, 交通信号控制类型分别为定时点控制方式、感应点控制方式、遗传算法的实时控制方式[10]、数字荷尔蒙的分布式控制方式, 实验的结果如表1所示。
4 总结
图7中横坐标1～8分别代表1080、1540、2230、2700、3220、3740、4480、5400 (辆/小时) 8种不同的交通量。从图中可以看出, 采用基于数字荷尔蒙模型下的分布式交通信号控制方式对多路口交通网控制产生的车辆总延迟明显小于定时点控、感应点控和实时控制的方式。由表1的数据计算平均值可知, 基于数字荷尔蒙模型的分布式控制方式比定时点控的车辆总延迟平均减少39.28%, 比感应式点控的车辆总延迟平均减少21.84%, 比基于遗传算法的实时控制的车辆总延迟平均减少11.67%, 控制效果的改进相当显著。
参考文献
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数字信号控制器 篇10
信号在信道传播过程中,由于无线信道的时变性、以及发射功率、收发距离等外界各种因素对接收机输入信号的影响,所接收到的信号强弱必定在一个大的范围内变化,信噪比很低[1]。为了改善这一状况、保证后续电路正常工作,引入自动增益控制 ( AGC) 电路,它能根据输入信号的电压的大小,自动调整放大器的增益,使得放大器的输出电压稳定在一定范围内,以保证接受电压幅度的稳定,提高后端数据处理质量,保证整个通信系统的正常运行。
文献[4]介绍了自动增益控制的前期基础知识,并讲解了自动增益控制的原理。
文献[5]研究了基本、对数、指数自动增益控制的数学模型,并做了仿真。但是没有进一步对仿真结果验证比对。
本文在对AGC仿真后,进一步加入了FPGA下的功能仿真,并将硬件处理结果导回Matlab下与软件处理结果比对。
2自动增益控制的工作原理
当输入信号的电压波动剧烈时,我们利用自动增益控制电路,可以保持接收机输出电压恒定或基本不变。进一步说,当输入信号很弱时,使用自动增益控制电路,提高接收机的增益; 当输入信号很强时,使用自动增益控制电路,使接收机的增益减小。这样,当接收信号强度变化时,接收机的输出端的电压或功率基本不变或保持恒定。AGC电路的一般组成如图1所示。
当通过中频放大器后的y( n) = A( n) x( n) 的幅度值小于R时,R -| A( n) x( n) |为正,放大倍数A( n) 增大,y( n) 增大,同理,当y( n) = A( n) x( n) 的幅度值大于R时,R -| A( n) x( n) |为负,放大倍数A( n) 减小,y( n) 减小。误差信号乘以加权因子 α ( 小于1) 控制电路的稳态响应,从而实现小信号放大,大信号衰减,使得信号控制在一定的范围之内。
图1所示的AGC环的输出信号由下式给出:
其中A( n) 为AGC的控制信号:
假设输入的信号为:
带入( 2) 式则有:
最后,其稳态时间响应为:
到达固定的状态后的增益为R /C,此时时间常数与1 /ac成比例,是一个关于电平c的函数。当c很小时,时间常数很大,增益需要很长时间才能到达稳态; 当c很大时,时间常数很小,增益很快就能到达稳态,但是会带来稳态增益抖动等问题。
通过仿真图2可以看到,输入信号通过AGC仿真回路之后,波形幅度收敛到基准值以内; 到达稳态的时间随着阶跃电平值的改变而变化。显然,当c增大时,增益到达稳态时间变小,跟踪速度变快; 而c减小时,到达稳态的时间增大,跟踪速度变慢。
3指数AGC算法
环路通过对修正信号进行指数加权。该算法的表达如下:
其中y( n) 是AGC输出,x( n) 是AGC输入,a( n) 是AGC控制电压。
于是误差信号为:
其中r是参考电平。应用式( 6) 和( 7) ,增益控制为:
其中 α 是小于1的收敛因子。
我们通过在Matlab中的仿真图3可以看到,第二种方案到达稳态的时间比较稳定,但是待处理信号的幅值范围受到限制,不能做到很大。
4基于码元幅值对数的AGC算法
基于码元幅度对数的AGC如图4所示。通过对误差修正信号进行对数加权的方法,实现AGC环。
在这里的输出增益信号为:
假设输入的信号为:
带入( 9) 式则有:
从上式可以看出,与第一种方案相比,信号达到稳定后的增益仍然为R /C。时间常数大约等于1 /R, 与信号电平值无关,这也就解决了第一种方案中到达稳态的时间随着电平值c变化的问题,从而得到了一个稳定的到达稳态时间。图5所示的仿真结果可以看到以上结论。
5数字AGC的设计与FPGA实现
根据以上环路算法的分析及仿真,我们提出了基于码元幅值对数AGC算法的实现方法,如图6。
利用输出信号先取绝对值,作为对数变换Rom的地址,对信号取对数,然后与门限电平R相减得到误差电平,再乘以增益 α 得到补偿值,并将该值累加后作为反对数变换Rom的地址,取其反对数,最后于输入信号相乘,调整输入信号的电平,使其保持稳定的幅度。
6测试结果
6.1功能仿真
首先我们在ISE中进行功能仿真,使用ISE自带的仿真工具ISim完成。这款仿真工具功能齐全、 性能优异,可以对系统进行全面的测试。
首先我们设定参数为: 门限R = 32,步长 α = 1 / 16; 可处理范围: - 16384 ~ 16383。功能仿真结果如图7所示。
最后观察功能仿真图得知: 最终结果收敛到门限R = 32处,由于对数AGC特点,越接近门限,收敛时间加大,但最大收敛时间依旧在10us左右,性能出色。
6.2性能测试
实验产生一个四个幅度值的调幅信号,并加上噪声。幅值分别为: 1000,1500,3000,5000。
在Matlab中使用对数AGC算法来处理前面生成的调幅信号,此处设定收敛因子 α = 1 /16,参考电平r = 32。通过AGC仿真回路后,得到运算结果曲线。同时,在ISE中使用对数AGC模块来处理前面生成的调幅信号,此处设定收敛因子 α = 1 /16, 参考电平r = 32。得到的结果导入Matlab中查看。
将两个结果画在一张图中,做误差比对,如图8所示。我们可以看出,有巨大突变的信号通过FPGA处理后,输出基本稳定在一定的范围内,突变值处的处理速度也比较理想,信号收敛速度很快。
通过观察图8我们发现,利用FPGA的硬件AGC处理方法使输出稳定在一定的范围内,与理想的Matlab仿真误差很小。200点之前的数据甚至完全重合,达到了理想状态。但是AGC是具有叠加效应的负反馈环构成,它受量化误差的影响,当有一个特殊误差值出现时,后面的输出结果即全部有变化。这也体现的硬件处理中,有量化误差的不足。
7结束语
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