【正文】 出于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。在本系統(tǒng)中，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶的手動(dòng)復(fù)位功能。S3C2410A的工作時(shí)鐘和實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入電路原理圖如圖 36所示。此時(shí)，EXTCLK與電源連接，設(shè)置為高電平。可通過(guò)設(shè)置OM3，OM2的管腳電平來(lái)選擇最終使用哪一個(gè)時(shí)鐘源。S3C2410A的時(shí)鐘源來(lái)自外部晶振（XTIpll）或者外部時(shí)鐘（EXTCLK）輸入，這由OM[3:2]的狀態(tài)決定，如表 33所示。2） 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路用于向CPU及其他電路提供工作時(shí)鐘。精度在97%以上。還有些器件需要5V電壓供電。5V輸入電壓可由外部直流穩(wěn)壓輸入或者通過(guò)基帶處理母板供電，在設(shè)計(jì)中通過(guò)跳線選擇5V輸入電壓源。電源部分需要考慮到器件特性、PCB特性、穩(wěn)定性、散熱、抗干擾等多方面的因素。以下分別對(duì)嵌入式控制模塊最小系統(tǒng)的各部分電路分別進(jìn)行介紹。 最小系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)嵌入式最小系統(tǒng)由嵌入式處理器運(yùn)行所必需的電路和處理器本身構(gòu)成。嵌入式控制模塊的接口方案如圖 34所示。圖 33 時(shí)鐘方案3） 接口方案嵌入式控制模塊的接口包括控制模塊與基帶處理模塊的通信接口、與上位機(jī)通信接口以及人機(jī)交互接口。在本模塊中涉及時(shí)鐘的主要有4部分：CPU工作時(shí)鐘、RTC時(shí)鐘、USB功能時(shí)鐘和以太網(wǎng)芯片工作時(shí)鐘。180mA94%對(duì)比上面的功耗估計(jì)以及電源器件的參數(shù)，可以看出，所選電源器件都有一定的裕量，這是考慮設(shè)計(jì)初始階段的功耗估計(jì)可能會(huì)有一定偏差，同時(shí)也是為使本模塊具有一定擴(kuò)展空間。LM2651由外部5V直流電壓輸入。由表 31可以估算出嵌入式控制模塊的總功耗：Ptotal=660+66+264*2+++471+533=2494mW。（2） S3C2410A中I1和I2分別表示芯片待機(jī)和主頻在200MIPS，所有外設(shè)開(kāi)啟時(shí)的工作電流，這里的電流包括內(nèi)核、IO以及芯片內(nèi)部其它模塊的總電流。表 31 嵌入式控制模塊的主要器件功耗表器件型號(hào)電壓（V）電流（mA）功耗（mW）數(shù)量（個(gè)）S3C2410AI1：50181。嵌入式控制模塊的供電方案如圖 32所示。 硬件電路設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)1） 供電方案電源設(shè)計(jì)主要有三個(gè)方面的要求，第一，電源要提供滿足整個(gè)電路板各模塊所需的功率（電流）；第二，電源的穩(wěn)定度要滿足一定要求；第三，散熱良好。就是說(shuō)用于開(kāi)發(fā)的主機(jī)(簡(jiǎn)稱Host)與目標(biāo)主機(jī)(簡(jiǎn)稱Target)采用不同體系結(jié)構(gòu)的硬件與軟件系統(tǒng)。ADS主要模塊包括：ANSI C編譯器(armcc和tcc)、ISO/嵌入式C++編譯器(armcpp和tcpp)、ARM/Thumb匯編器(armasm)、鏈接器(armlink)、Windows集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(CodeWarrior)、調(diào)試器(AXD)、格式轉(zhuǎn)換器(fromelf)、庫(kù)管理器(armar)、C和C++庫(kù)[36]。2） 編譯器的選型和交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立本系統(tǒng)編譯器選擇ADS Debugger。其功能強(qiáng)大的內(nèi)核，性能高效、穩(wěn)定、易定制、易裁減、硬件支持廣泛、多任務(wù)的特點(diǎn)，完善的網(wǎng)絡(luò)通訊、圖形、文件管理機(jī)制和大小、功能都可定制的內(nèi)核等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合其所獨(dú)具的免費(fèi)、開(kāi)放源代碼等特征使其在嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域穩(wěn)步發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)的硬件資源環(huán)境一般比較苛刻，嵌入式微處理器和微控制器的內(nèi)存一般都不大，要在緊張的資源下完成復(fù)雜的功能，要求嵌入式系統(tǒng)軟件必須盡量的小巧、穩(wěn)定和高效。 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)1） 操作系統(tǒng)選型—嵌入式Linux簡(jiǎn)介嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在嵌入式系統(tǒng)中扮演著“靈魂”的角色。（10） 以太網(wǎng)接口：為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道，通過(guò)該接口系統(tǒng)可以以10Mbps的速率接入以太網(wǎng)。（8） LCD和觸摸屏接口：S3C2410A內(nèi)部有LCD控制器可以支持STN和TFT屏，同時(shí)還內(nèi)置觸摸屏控制器。（6） 串口：用于S3C2410A系統(tǒng)與其它應(yīng)用系統(tǒng)的短距離雙向串行通信，同時(shí)在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)也發(fā)揮了重要作用。（4） 時(shí)鐘電路：S3C2410A的外部12MHz時(shí)鐘輸入，經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻至203MHz來(lái)提供系統(tǒng)工作時(shí)鐘。（2） FLASH：閃存，用來(lái)存放操作系統(tǒng)、系統(tǒng)引導(dǎo)程序和其它在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)。（4） 外部接口部分包括以太網(wǎng)接口、JTAG接口、LCD顯示屏和觸摸屏接口、USB接口、音頻接口、串口和與基帶處理模塊通信的金手指接口。（3） 時(shí)鐘部分采用外部12MHz無(wú)源晶振時(shí)鐘輸入。存儲(chǔ)器單元采用64MB NAND Flash（K9F1208U0B）和64MB SDRAM（K4S561632C）。（1） 核心部分包括中央處理器和存儲(chǔ)器單元。2） 嵌入式控制模塊硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式控制模塊硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31所示。除主要考慮了以上幾點(diǎn)外，還考慮了諸如PCB布線、性價(jià)比、銷售渠道、可參考的資料和外部擴(kuò)展等眾多因素。（3） ARM與DSP通信接口考慮到CR終端中ARM與DSP之間存在大量的數(shù)據(jù)交互，因此在ARM芯片選型時(shí)也需要考慮如何與DSP完成通信。（2） 外部接口豐富S3C2410A內(nèi)部集成了豐富的外圍設(shè)備接口，包括常用的USB、UART、I2S和SPI等，它能夠很好的完成上位機(jī)與CR終端之間的控制和數(shù)據(jù)通信。選擇S3C2410A主要出于以下幾方面的考慮：（1） 高主頻、內(nèi)核帶MMU（Memory Mangement Unit）功能S3C2410A最高主頻達(dá)203MHz，使得其能夠處理復(fù)雜的CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)禮儀與協(xié)議，、Linux和181。它的低功耗、精簡(jiǎn)和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于低成本和功耗敏感的應(yīng)用。嵌入式控制模塊中ARM9處理器采用的是韓國(guó)三星公司推出的16/32位RISC處理器S3C2410A，它是一顆主頻高達(dá)203MHz，基于ARM920T內(nèi)核的高性能微處理器，獨(dú)立的16KB指令cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU虛擬內(nèi)存管理單元，使得程序運(yùn)行以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更加高效，、Linux和181。ARM指令集是基本指令集，它包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、流程轉(zhuǎn)向、協(xié)處理器指令。ARM9系列微處理器包含ARM920T，ARM922T和ARM940T三種類型內(nèi)核，主要應(yīng)用于下一代手持產(chǎn)品、視頻電話、PDA、數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品、機(jī)頂盒、家用網(wǎng)關(guān)等。ARM處理器核已經(jīng)有6個(gè)系列產(chǎn)品：ARMARMARM9E、ARM10E、SecurCore以及最新的ARM11系列。ARM公司成立于1990年，是知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）供應(yīng)商，本身并不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作伙伴公司來(lái)生產(chǎn)各具特色的芯片。 本章小結(jié)本章首先對(duì)CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采取有中心控制的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；然后介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的禮儀與協(xié)議，提出了適合本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議模型，并對(duì)其中的物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了討論；最后通過(guò)分析第一版實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端存在的缺陷，提出新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端的架構(gòu)：ARM+3DSP+FPGA，在此基礎(chǔ)上分析了新的架構(gòu)下終端具有的新功能。第二版CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端中增加的嵌入式控制模塊的音頻處理芯片（UDA1341TS）使得系統(tǒng)具有音頻信號(hào)的采集、編碼、傳輸和播放等音頻處理功能。第二版CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端中的嵌入式控制模塊可以通過(guò)系統(tǒng)各部分的工作情況實(shí)時(shí)的對(duì)工作頻段、調(diào)制方式和發(fā)射功率等參數(shù)做出修改，以適應(yīng)隨時(shí)變化的無(wú)線環(huán)境。檢測(cè)通道的獨(dú)立設(shè)計(jì)有利于復(fù)雜的授權(quán)用戶、頻譜空穴等頻譜資源檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)第一版實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端不能實(shí)現(xiàn)的一些新功能，具體如下：（1） 禮儀與協(xié)議的處理第二版CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端中增加的基于ARM9芯片的嵌入式控制模塊專門用于處理CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的禮儀與協(xié)議，同時(shí)也能利用其控制能力來(lái)管理整個(gè)終端系統(tǒng)各個(gè)單元之間的任務(wù)分配以達(dá)到系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。新的架構(gòu)在完成CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。這樣CR終端的新架構(gòu)升級(jí)為ARM+3DSP+FPGA。因此如何更好的融合目前實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)豐富的軟硬件資源，更好的管理系統(tǒng)成為了第二版實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。發(fā)送前端與接收前端分別以子板形式與基帶處理母板相接，設(shè)計(jì)的2條接收通道可以在通信的同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)?；鶐幚砟K作為CR終端的母板，以3DSP+FPGA架構(gòu)完成包括收發(fā)和檢測(cè)在內(nèi)的基帶運(yùn)算。為了增強(qiáng)CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端的功能，實(shí)現(xiàn)CR終端的收發(fā)雙工工作、授權(quán)用戶的實(shí)時(shí)檢測(cè)及避讓、工作頻段的智能切換，更好地驗(yàn)證CR的工作原理和在實(shí)際環(huán)境中工作的穩(wěn)定性，有必要在第一版實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)第二版CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端。 認(rèn)知無(wú)線電終端的改進(jìn)設(shè)計(jì)1） CR終端的改進(jìn)設(shè)計(jì)本文討論的CR終端是在第一版CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的第二版CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)終端。檢測(cè)通道的射頻前端的結(jié)構(gòu)和接收通道的射頻前端部分是相同的，完成相同的功能?；鶐幚碇饕瓿蒓FDM突發(fā)同步、OFDM解調(diào)（FFT），解映射、解交織和解碼。射頻接收模塊將接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行濾波放大，然后變換到中頻，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行必要的濾波和放大后，以合適的幅度輸出到接收通道中頻部分。射頻捷變模塊將經(jīng)過(guò)發(fā)送通道處理的中頻信號(hào)變換到射頻頻段，經(jīng)射頻放大單元進(jìn)行放大后通過(guò)天線發(fā)送出去。在以上數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，需要加入OFDM同步所需的訓(xùn)練序列和頻域?qū)ьl，同時(shí)根據(jù)CR禮儀與協(xié)議需要添加校驗(yàn)和控制信息。發(fā)送通道完成從基帶到射頻的信號(hào)處理，包括對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的基帶處理、數(shù)字上變頻、中頻濾波放大和射頻搬移以及功率放大。CR終端的嵌入式控制單元的功能結(jié)構(gòu)如圖 28所示。在發(fā)送過(guò)程中，嵌入式控制模塊接收上位機(jī)數(shù)據(jù)，通過(guò)HPI接口轉(zhuǎn)發(fā)給DSP，經(jīng)過(guò)發(fā)送通道處理后發(fā)射出去；接收過(guò)程中，嵌入式控制模塊將接收通道接收的基帶數(shù)據(jù)送到上位機(jī)；檢測(cè)過(guò)程中，嵌入式控制模塊將檢測(cè)所得的頻譜空穴和授權(quán)用戶信息進(jìn)行分析處理后通過(guò)發(fā)送通道送給中心。在MAC層解決CR終端之間的有效接入與沖突避免；在網(wǎng)絡(luò)層采用路由協(xié)議解決基于多跳的CR網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間鏈路的動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題，使得CR終端間不論同小區(qū)還是跨小區(qū)的通信都能順利完成。CR終端開(kāi)機(jī)后，嵌入式控制模塊負(fù)責(zé)從Flash存儲(chǔ)器調(diào)入初始化程序，向基帶處理模塊的三個(gè)DSP下載程序，對(duì)DDC（Digital Down Converter，數(shù)字上變頻器）、DUC（Digital Up Converter，數(shù)字下變頻器）、射頻捷變模塊和射頻接收模塊等進(jìn)行管理配置，等系統(tǒng)初始化完成之后，就進(jìn)入正常工作階段。從CR終端的角度看，嵌入式控制模塊作為系統(tǒng)的“大腦”，完成初始化配置、與上位機(jī)通信和CR終端運(yùn)行狀態(tài)的控制，使CR終端能夠穩(wěn)定的工作。（3） 系統(tǒng)啟動(dòng)配置及遠(yuǎn)程操作維護(hù)。（1） CR禮儀與協(xié)議處理。其中發(fā)送通道由發(fā)送通道基帶部分、發(fā)送前端和射頻功放模塊組成，接收通道由接收通道基帶部分和接收前端組成，檢測(cè)通道物理結(jié)構(gòu)與接收通道相同。圖 27給出了一個(gè)CR終端結(jié)構(gòu)圖，CR終端的具體實(shí)物圖見(jiàn)附錄中圖2。查找時(shí)間（t）的設(shè)置主要是為了防止無(wú)法建立通信路由的情況下出現(xiàn)的死循環(huán)。如果在全局路由表中仍然查找不到有效的路由信息，則等待全局路由表更新后，繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程查找。如果在小區(qū)路由表內(nèi)找不到有效的路由信息，則說(shuō)明被叫終端位于其它小區(qū)內(nèi)，則需要在全局路由表中查找有效的路由信息?；谙葢?yīng)式、地理定位輔助路由協(xié)議路由查找過(guò)程如圖 26所示。由小區(qū)中心更新、維護(hù)小區(qū)路由表和網(wǎng)絡(luò)全局路由表。文獻(xiàn)[22]給出了一種MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的跨層設(shè)計(jì)思想、跨層設(shè)計(jì)的算法以及將跨層設(shè)計(jì)與獨(dú)立設(shè)計(jì)進(jìn)行了性能比較。按照這種方法設(shè)計(jì)的路由協(xié)議執(zhí)行過(guò)程可以分為兩步：第一步是路由和信道選擇，即由中心基于某種路由選擇算法找到備選路由，對(duì)每一跳的時(shí)間和信道使用進(jìn)行調(diào)度，然后對(duì)路由上的所有用戶廣播路由信息。在CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，由中心對(duì)路由和信道選擇決策，這個(gè)決策不但包括分組的路由，還要選擇該路由上每個(gè)鏈路所使用的信道以及一個(gè)信道使用時(shí)間表。注意到路由選擇和頻譜管理之間強(qiáng)烈的相互依賴，可以研究二者之間的交互和相應(yīng)性能與復(fù)雜度的平衡，即跨層設(shè)計(jì)路由。該方法可根據(jù)周圍的環(huán)境，避開(kāi)干擾區(qū)域，自適應(yīng)的選擇路由。另外，一般的多跳網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)需要預(yù)先確定通信路由，采用CR技術(shù)后，因來(lái)自周圍無(wú)線系統(tǒng)的干擾波動(dòng)較大，需要不斷地更改路由，因此用于多跳網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)路由技術(shù)不再適用。傳統(tǒng)的路由指標(biāo)如跳數(shù)、時(shí)延、擁塞等作為路由選擇的依據(jù)已不夠充分，所以對(duì)于CR網(wǎng)絡(luò)需引入新的路由指標(biāo)，如信道切換數(shù)、信道切換頻率等。如果被叫終端先發(fā)起鏈路釋放請(qǐng)求，鏈路釋放流程與上述過(guò)程相反。主叫終端收到被叫終端的釋放響應(yīng)消息后，釋放通信鏈路。被叫終端收到主叫終端發(fā)來(lái)的釋放消息后，向中心發(fā)送釋放消息，等待中心的確認(rèn)消息。（3） 鏈路釋放鏈路釋放是CR終端之間通信結(jié)束后釋放傳輸?shù)倪^(guò)程，分主被終叫端發(fā)起鏈路釋放請(qǐng)求的先后順序（主要區(qū)別是流程方向相反）。需要指出的是，不論主被叫終端有一端檢測(cè)到授權(quán)用戶的出現(xiàn)，雙方都必須及時(shí)退出該頻段，并且在中心重新分配的新工作頻段上繼續(xù)通信。主被叫終端在收到中心分配的新工作頻段后，重新在新的工作頻段上建立通信鏈路。（2） 鏈路切換鏈路切換是由于CR終端在工作的過(guò)程中由于授權(quán)用戶的出現(xiàn)而切換工作頻段，合理避讓授權(quán)用戶，保持順利通信的過(guò)程。如果測(cè)試表明該業(yè)務(wù)信道質(zhì)量良好，則業(yè)務(wù)信道建立完畢，否則建立失敗，請(qǐng)求重新建立。接下來(lái)主叫終端在接入信道向被叫終端發(fā)送通信確認(rèn)消息，被叫終端在收到主叫終端發(fā)來(lái)的通信確認(rèn)消息后，發(fā)回確認(rèn)消息，表明通信已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。被叫終端在收到主叫終端的尋呼消息后，向中心發(fā)送請(qǐng)求建立消息，并等待中心發(fā)回的確認(rèn)消息和頻段消息，然后在尋呼信道向主叫終端發(fā)送尋呼響應(yīng)消息。中心收到主叫終端的建立請(qǐng)求消息后，檢索頻譜資源數(shù)據(jù)庫(kù)和終端狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，如果可用的頻譜空穴足夠多（至少三個(gè)），并且被叫終端處于待機(jī)狀態(tài)，在控制信道上發(fā)送確認(rèn)消息，表明主叫終端的建立請(qǐng)求已經(jīng)通過(guò)，同時(shí)給主叫終端分配工作頻段。（1） 通信鏈路建立通信鏈路的建立包括請(qǐng)求通信、尋呼、接入和通信的過(guò)程。鏈路控制子層主要解決通信鏈