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zigbee无线网络收发器
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2014-05-22
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zigbee无线网络收发器的设计,包括收发器的数字电路的设计,和模拟电路的设计。
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2009
年
8
月
(
下
)
[摘 要]
文章首先对
ZigBee
技术的物理层和
MAC
层标准
- IEEE802.15.4
进行了研究,讨论
ZigBee
收发器的系统结构。其次,将系统分
为模拟射频部分和数字部分,着重介绍数字部分物理层硬件逻辑直接实现的方法和
MAC
层及其以上层采用的片上处理器软件实现方法。
[关键词] ZigBee
;收发器;
IEEE802.15.4
Z igBee 收发电路的设计与实现
闫德立 冯 涛 胡立强 孙幸成
(石家庄铁道学院,河北石家庄
050043
)
近年来,以 IEEE802.15.4 标准为基础的 ZigBee 技术得到了快速
发展和广泛应用,ZigBe e 网络具有低功耗、低成本、低速率、近距离、
短时延、高容量、高安全及免执照频段的特点,因此在工业控制、医疗
监控、智能家居、数据采集及监控方面有着越来越多的应用。ZigBe e
技术被称为“下一代无线革命”,以 ZigBe e 为代表的无线个域网正得
到迅速的普及和发展。ZigBe e 联盟于 2002 年成立,目前市场上的 RF
主流芯片供应商包括 TI、EMBER、FREESCALE 及 JENNIC,他们推
出的单芯片方案主要有 CC2430/2431、EM250、MC1321X 及
JN5121 等,而目前还没有国内公司能够提供 ZigBe e 芯片,只有一些
公司 (如赫立讯等) 利用国外的芯片开发
ZigBee 产品,因此设计并实
现具有自主知识产权的 ZigBe e 终端设备具有重大的意义。
本文主要研究 2.4GHz 频段 ZigBee 收发器中数字部分的实现问
题,利用硬件逻辑直接实现和片上处理器中软件编程相结合的方式实现
ZigBee 发射机和接收机中基带信号处理及MAC 层的基本功能。
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协议简介
ZigBee 联盟于 2005 年 6 月 27 日公布了第一份 ZigBee 规范
“ZigBe e Spe cification V1.0”,这个标准定义了在 IEEE802.15.4- 2003
物理层和标准媒体接入控制层上的网络层及支持的应用服务。
IEEE802.15.4 标准采用分层结构,每一层为上层提供一系列特殊的服
务:数据实体提供数据传输服务,管理实体则提供所有的其他服务
。他
主要定义了底层:物理层 (
PhysicalLaye r,PHY) 和媒体访问控制层
(Medium Access ControlSub- Layer,MAC),ZigBee 联盟则在此基
础上定义了网络层 (Ne twork Laye r,NWK) 和应用层 (Application
Laye r,APL) 结构。
物理层主要的功能有:信道选择;信道能量检测;空闲信道评估;
无线信道收发数据;接收包链路质量检测等功能。
MAC 层负责分解接收到的 MPDU 包,并对来自 NWK层数据包
进行 MPDU 封装,主要的功能有:处理 MPDU 数据;利用 CS-
MA- CA 机制共享物理信道;数据应答重传机制;ED、ACTIVE 和
ORPHAN 三种扫描机制;关联和退出关联功能。
网络层的组要职责包括提供设备用来加入网络和离开网络的机制,
提供数据帧传输的安全机制和路由机制;发现并保持设备间的路由,发
现一跳邻居并存储潜在邻居信息。
应用层包括 APS、AF、ZDO 以及用户定义应用对象。应用支持子
层 (APS) 子层负责维护设备绑定表,以及传输在绑定的设备间传输数
据。设备邦定表用于根据设备间提供的服务和需求来匹配设备并储存相
关设备信息的。ZigBee 设备对象 (ZDO) 负责定义设备在网络中的角
色,提出或响应邦定请求,以及建立网络设备间的安全关系,并且负责
网络设备的发现及判定对方提供哪类服务
。
’
收发机电路基本结构
ZigBee 是一种低速率、低功耗的 WPAN 技术,在设计 ZigBe e
设备时,如何降低系统的功耗和成本是设计的重点和难点。近年来,
CMOS 技术得到了迅速发展,它的最大优势在于低功耗和单片集成度
高,它可以把数字基带信号处理、RF 模拟电路和存储器集成到同一块
硅片上。利用 CMOS 工艺实现 ZigBee 的通信终端时,在速度、噪声、
功耗、面积之间的平衡可以通过并行的系统和电路设计、适当的收发器
结构选择、精心的版图设计来实现。这些特性再加上 CMOS 的优异的
数字处理能力使其成为设计ZigBee 发射机和接收机的最佳选择。
2.1
发射机基本结构
符合标准的发射机框图如图 1 所示,高层 (应用层、网络层等)
把准备发射的数据送给 MAC 层;MAC 层在进行相应的处理后送入物
理层;物理层基带部分进行扩频、调制等数字处理后送入数模变换器
MAC,变换后的模拟信号被射频模块变频、放大后送入天线进行发射。
其中应用层、网络层、MAC 层以及物理层的基带处理部分涉及的都是
数字信号,是发射机中的数字部分;而DAC 之后都是模拟部分。
图 1 发射机电路结构
2.2
接收机基本结构
符合标准的接收机的框图如图 2 所示。天线接收到的射频信号经
过放大、混频滤波后通过模数转换器进行数字化。数字信号经过基带处
理后形成物理层帧,然后送至 MAC 层。MAC 层进行相应的处理后送
入高层。跟发射机一样,应用层、网络层、MAC 层以及物理层的基带
处理部分涉及的都是数字信号,是接收机中的数字部分;而 ADC 之前
都是模拟部分
。
图 2 接收机电路结构
收发器数字部分和模拟部分的设计是相辅相成的,如果数字基带
部分性能提高,相应的就会降低对模拟射频部分的设计要求,降低其设
计难度,进而可以用较为廉价的芯片工艺实现芯片设计,从而达到降低
成本的目的。降低接收机射频部分的复杂度,可以降低其功耗。另一方
面,选用合适的射频收发器结构,可以提高收发器的性能,从而减轻数
字基带处理部分的负担,降低数字部分的设计难度,这对于缩短设计时
间,降低设计成本也是非常有利的。
+
收发机数字部分设计
在现在的数字电路设计中,实现数字信号处理的功能时有两种可
供选择的方法:用硬件逻辑直接实现和片上处理器中软件实现。这两种
方法各有利弊,适用于不同的场合。用硬件逻辑实现时,其特点是速度
快、效率高,但是研制周期长,从而成本也高;用软件实现则更为灵
活,研制周期短,缺点是速度慢,效率比较低。因此,数字系统设计必
须在硬件和软件功能划分上有一个合理的权衡,并进行协同设计。
在ZigBe e 的收发器中,数字基带处理部分对速度的要求较高,而
且因为标准的限制这一部分的功能在不同的应用场合相对比较固定,不
需要很强的灵活性,因此考虑到满足通信的实时性要求,选择使用硬件
逻辑实现的方法来完成数字基带处理部分的功能。
在不同的 ZigBee 网络中,或者同一个 ZigBe e 网络的不同节点
中,他们的
MAC 层以及网络层、应用层的功能都可能有所区别,完整
202
资源评论
- Hussons2016-06-23用上了,挺不错的!
dyq1990
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