IR-UWB通信系統(tǒng)高速USB接口的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要: 采用高速USB接口連接計算機終端與UWB通信系統(tǒng)基帶模塊，設(shè)計并實現(xiàn)了USB接口電路，控制UWB通信系統(tǒng)基帶模塊與USB接口設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，最終實現(xiàn)了終端電腦與UWB通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。實際測試中，USB接口的速率約為300 MB／s，達(dá)到了USB2．0規(guī)范所規(guī)定的高速傳輸?shù)囊蟆?br />關(guān)鍵詞: UWB通信系統(tǒng)；USB接口；USB接口電路

    IR-UWB(Ultra Wide Band Impulse Radio)無線通信是一種不用載波，而采用時間間隔極短的脈沖進(jìn)行通信的方式，也稱作脈沖無線電(Impulse Radio)、無載波(Cartier Free)通信。 2001年4月我國發(fā)布了“十五”863計劃，其中把UWB無線通信關(guān)鍵技術(shù)以及共存與兼容技術(shù)列為有關(guān)通信技術(shù)主體研究項目，許多高校也將對UWB的研究作為重點科研項目，取得了很多進(jìn)展。其中，某高校參與研發(fā)的UWB通信演示系統(tǒng)，要求可在室內(nèi)10 m距離內(nèi)傳輸流媒體，文中以該UWB通信演示系統(tǒng)為依托，分析了UWB通信系統(tǒng)與終端設(shè)備的接口需求，選用高速USB接口方案，運用FPGA技術(shù)實現(xiàn)了USB接口硬件控制電路及計算機終端與UWB通信系統(tǒng)基帶模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

1 高速IR-UWB通信系統(tǒng)方案和實現(xiàn)
    如圖l，圖2所示。IR-UWB通信系統(tǒng)由計算機端信源信宿、UWB發(fā)射機、UWB接收機、基帶信號處理、超寬帶收發(fā)天線組成。該系統(tǒng)中，傳輸信號中心頻率達(dá)到3．5 GHz，UWB脈沖包絡(luò)寬度在4～6 ns之間，頻譜帶寬不小于500 MHz，室內(nèi)傳輸距離在10 m以內(nèi)，發(fā)射信號譜型滿足FCC頻譜模板要求，其信道傳輸速率可以達(dá)到100 MB·S-1。

1．1 基帶傳輸方案
    基帶部分是UWB通信設(shè)備的關(guān)鍵模塊。它主要完成信道編解碼、終端與通信系統(tǒng)的連接，如圖3所示。

    UWB通信系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)，該通信系統(tǒng)發(fā)端采用內(nèi)置信源，收端通過示波器觀測數(shù)據(jù)是否達(dá)到指標(biāo)要求。顯然這樣的方式無法反映UWB通信系統(tǒng)的性能，因此必須為該通信系統(tǒng)擴充終端接口。文中對高速USB接口進(jìn)行了討論。USB是一種應(yīng)用在計算機領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，最早由Compaq，Intel，Microsoft等多家公司于1994年11月共同提出，其目的是使用USB取代PC機現(xiàn)有的各種外圍接口，使外設(shè)的連接具有單一化、即插即用、熱插拔等特點。為了支持UWB通信系統(tǒng)100 MB／s的傳輸速率，并保證流媒體實時、流暢的傳輸，文中最終選用高速USB設(shè)備作為通信系統(tǒng)的擴展接口。USB2.0接口設(shè)備通過USB數(shù)據(jù)線與計算機相連，并且通過8位數(shù)據(jù)線與通信系統(tǒng)相連。在發(fā)送端，USB2．0接口設(shè)備的作用是采集計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到UWB通信系統(tǒng)的基帶模塊中；在接收端，UWB接收機將收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過基帶處理，再通過USB2．0接口設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)給計算機。
1．2 USB接口芯片分析與選用
    文中選用EZ-USB FX2系列芯片作為USB接口芯片，并設(shè)計了USB接口電路。該電路控制USB芯片與UWB通信系統(tǒng)基帶模塊的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了計算機與UWB通信系統(tǒng)的互連。
    USB2．0協(xié)議中規(guī)定，USB芯片支持3種傳輸速率，分別為1．5 MB·s-1低速傳輸、12 MB·s-1全速傳輸、480 MB·s-1高速傳輸。一般有3種常用的USB功能設(shè)備接口芯片：低速傳輸芯片CY7C630／1xxA、全速傳輸芯片EZ-USB系列和高速傳輸芯片EZ-USB FX2系列。為了支持UWB通信系統(tǒng)高達(dá)100 MB·s-1的傳輸速率，并且保證流媒體傳輸?shù)膶崟r性、流暢性，系統(tǒng)選用高速傳輸系列芯片CY7C68013作為USB接口芯片。

2 發(fā)端計算機與UWB通信系統(tǒng)接口的實現(xiàn)
2．1 發(fā)送端USB接口方案
    如圖4所示，控制電路收發(fā)端計算機傳送的數(shù)據(jù)，將其存入USB芯片內(nèi)部512 bit的FIFO中，同時產(chǎn)生表示FIFO空或非空的狀態(tài)信號u_flagc，當(dāng)u_flagc為高電平表示FIFO非空，反之即空。1 kBFIFO模塊是用來進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，同時產(chǎn)生寫滿wrfull的標(biāo)志信號與表示FIFO中還有多少bit數(shù)據(jù)未讀出的信號usedw。USB發(fā)送端狀態(tài)檢測與控制模塊用于檢測相應(yīng)狀態(tài)的標(biāo)志信號，以產(chǎn)生異步讀取USB接口FIFO中數(shù)據(jù)的信號u_slrd，在u_slrd的上升沿將USB接口FIFO中的l bit讀出，同時將數(shù)據(jù)寫入到l kBFIFO中。數(shù)據(jù)打包模塊是將數(shù)據(jù)按照幀格式打包處理。

     若u_flagc=1表示USB設(shè)備中有數(shù)據(jù)。FPGA控制電路從USB芯片中讀取數(shù)據(jù)，接下來判斷FPGA控制電路的緩存是否還有空間，如果緩存未滿，則將從USB芯片中讀得的數(shù)據(jù)寫入FPGA緩存中。在實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，wrfull為高電平不會出現(xiàn)，因為在有效時間段內(nèi)，讀取數(shù)據(jù)的速率要比寫入快。

2．3數(shù)據(jù)組幀模塊
    完成將數(shù)據(jù)組幀和短包發(fā)送功能。當(dāng)1 kB FIFO中數(shù)據(jù)有512 bit時，進(jìn)行數(shù)據(jù)打包發(fā)送，即首先發(fā)送幀頭數(shù)據(jù)E25F35，接著發(fā)送表示幀長度的數(shù)據(jù)，最后發(fā)送512 bit的幀數(shù)據(jù)。當(dāng)傳輸文件的最后一幀數(shù)據(jù)不足512 bit時，才用短包發(fā)送功能。首先將剩余數(shù)據(jù)打包，先發(fā)送幀頭數(shù)據(jù)，再發(fā)送剩余數(shù)據(jù)大小，最后發(fā)送剩余數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)流在物理層上是以幀為單位進(jìn)行傳送的，因此將數(shù)據(jù)送入物理層之前必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

    24 bit代表這個包的包頭，其值為E25F35。9 bit代表這個包中有效數(shù)據(jù)的bit數(shù)。512×8 bit代表512 bit數(shù)據(jù)，其中有效數(shù)據(jù)的個數(shù)由包頭前面的9 bit所標(biāo)識。接收端只有在檢測到包頭E25F35后，才會處理包頭前面的9 bit和包頭后面的512×8 bit。
    組幀的流程，如圖6所示。usedw表示1 kB FIFO內(nèi)所存儲的未讀數(shù)據(jù)的bit數(shù)。若usedw≥512則表1 kB FIFO內(nèi)有512個數(shù)據(jù)可以被打成一個完整的包。若usedw<512表示緩存中的數(shù)據(jù)不足一幀，這時判斷1 kB FIFO中是否還有數(shù)據(jù)。若usedw>0，則表示FIFO內(nèi)還有數(shù)據(jù)。 Timer_ count是一個特殊的計數(shù)器，它表示連續(xù)多少個時鐘周期沒有從USB讀取過數(shù)據(jù)，當(dāng)從USB讀取數(shù)據(jù)時，它會被清零。若Time_count=1 024l貝0表示l 024個時鐘周期都沒有從USB讀取過數(shù)據(jù)，便把1 kB FIFO中剩余的數(shù)據(jù)補零打包發(fā)送出去。
2．4發(fā)送端OSB接口電路實現(xiàn)
    發(fā)送端USB接口電路，如圖8所示。

2．5 發(fā)送端接口電路數(shù)據(jù)波形
    圖9是利用FPGA開發(fā)工具QuartusⅡ6．O提供的虛擬邏輯分析儀邏輯分析測試圖。如圖9所示，u_flagc是USB芯片中FIFO的空滿信號，它表示USB的FIFO中是否有數(shù)據(jù)，若u_flagc為高電平表示有數(shù)據(jù)。bit_out是數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀打包后輸出的比特流，比特流將送入通信系統(tǒng)的基帶部分進(jìn)行信道編碼。bit_valid為高電平對應(yīng)bit_out中的有效數(shù)據(jù)。rdusedw表示FPGA控制電路FIFO中的剩余數(shù)據(jù)。當(dāng)FPGA控制電路FIFO中的數(shù)據(jù)滿512 bit時，控制電路從FIF0中讀取一幀數(shù)據(jù)。state表示狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，0表示等待狀態(tài)，狀態(tài)1時發(fā)送幀頭數(shù)據(jù)，狀態(tài)2時發(fā)送幀長數(shù)據(jù)，狀態(tài)3時發(fā)送有效數(shù)據(jù)。

3 收端計算機與UWB通信系統(tǒng)接口的實現(xiàn)
3．1 接收端USB接口方案
    如圖10所示，數(shù)據(jù)解幀模塊通過串行移位寄存器對比特流數(shù)據(jù)進(jìn)行初步緩存，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)幀頭檢測，一旦檢測到幀頭，并且FIFO中有存儲空間，就對緩存的比特流進(jìn)行解幀處理，將解幀后的數(shù)據(jù)送入128 kB FIFO，否則一直檢測幀頭。128 kB FIFO模塊用于進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，匹配前后模塊之間速率。USB接收端狀態(tài)檢測與控制模塊是用來檢測相應(yīng)狀態(tài)的標(biāo)志信號，產(chǎn)生同步寫入USB接口FIFO中數(shù)據(jù)的信號u_ifclk和u_slwr，在u_ifclk的上升沿與u_slwr有效電平期間，將基帶模塊輸出到總線上的數(shù)據(jù)寫入USB接口芯片中。

3．2 接收端USB接口芯片控制電路
    流程如圖11所示。

    若檢測到USB的讀取請求信號，便檢測RAM的狀態(tài)，若有數(shù)據(jù)，便將數(shù)據(jù)發(fā)給USB。u_flagb為高電平表示USB芯片可以接收數(shù)據(jù)，否則不可以接收數(shù)據(jù)。Usedw>0表示128 kB FIFO中有數(shù)據(jù)可以取，Usedw=0表示128 kB FIF0無數(shù)據(jù)可以取，此時向USB芯片寫數(shù)據(jù)的控制信號處于無效狀態(tài)。
3．3 檢測幀頭并存儲數(shù)據(jù)到FIFO流程
    流程如圖12所示。首先將接收數(shù)據(jù)通過35 bit深度的移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，同時在緩沖的比特流中檢測幀頭，一旦檢測到幀頭，便將幀長度數(shù)據(jù)取出，這時檢測128 kB FIFO是否有存儲空間，若有空間則將一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行接收存儲，否則就丟棄該幀數(shù)據(jù)，重新檢測幀頭。在輸入的比特流中若檢測到“E25F35”，則認(rèn)為它是幀頭標(biāo)志，并將其后共512 bit的有效數(shù)據(jù)寫入RAM。若在有效數(shù)據(jù)中再次出現(xiàn)幀頭標(biāo)志“E25F35”則不進(jìn)行幀頭判斷。

    將數(shù)據(jù)寫入128 kB FIFO的條件是：
    (1)幀同步，即能夠檢測到有效的幀頭數(shù)據(jù)E25F35；
    (2)若frame_length表示幀長度數(shù)據(jù)，fifo_depth表示FIF0可以容納的數(shù)據(jù)深度。128 kB FIFO中有frame_length的剩余空間可以容納數(shù)據(jù)，否則丟掉該幀數(shù)據(jù)。
檢測條件是usedw+frame_length<fifo_depth，其中usedw表示FIFO中未讀數(shù)據(jù)的個數(shù)。
3．4 接收端USB接口電路實現(xiàn)
    接收端USB接口電路，如圖13所示。

3．5 接收端接口電路數(shù)據(jù)波形
    圖14是利用FPGA開發(fā)工具Quartus II 6．0提供的虛擬邏輯分析儀進(jìn)行邏輯分析測試時的截圖。如圖14所示，dataout是基帶模塊輸出到總線上的音視頻數(shù)據(jù)，detect_state表示幀檢測狀態(tài)。0表示處于等待檢測狀態(tài)，從0跳轉(zhuǎn)到1表示進(jìn)入幀檢測狀態(tài)，從1跳轉(zhuǎn)到2表示已經(jīng)進(jìn)入幀同步狀態(tài)，從2跳轉(zhuǎn)到3表示檢測到數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)寫入到FIFO中。u_flagb表示USB芯片中FIFO空滿的信號，u_flagb為高電平表示可以向USB芯片寫數(shù)據(jù)。若u_flagb為低電平，表示USB芯片F(xiàn)IFO已滿，不能再寫入數(shù)據(jù)。u_ifelk為同步寫時鐘信號，u_slwr是控制寫入信號，當(dāng)u_slwr為低電平時，將dataout寫入USB芯片。