UNIVERSIDAD DE ALCALÁ DE HENARES DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE ALCALÁ DE HENARES DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA DISEÑO DE UNA INTERFAZ BASADA EN DSP PARA EL ACCESO VÍA RADIO A UNA RED LOCAL FRANCISCO VALENCIA ARRIBAS ROBERTO LÓPEZ DÍAZ

2 AGENDA I INTRODUCCIÓN MEDIO FÍSICO MODULACIONES DIGITALES REDES DE DATOS INTERFAZ BASADA EN DSP DSP DE MOTOROLA

3 AGENDA II DISEÑO HARDWARE DE LA INTERFAZ DISEÑO SOFTWARE DE LA INTERFAZ DISPOSITIVO DE COMUNICACIONES EN LINUX PROTOCOLO RPP RED LOCAL INALÁMBRICA DEMOSTRACIÓN PRÁCTICA

4 INTRODUCCIÓN PROBLEMAS Y SOLUCIONES PROBLEMAS ASOCIADOS A REDES DE ÁREA LOCAL CABLEADAS Importante limitación de distancias Casi imposibilidad de enlazar edificios Costes de VPN muy altos Equipos situados de forma fija SISTEMA PROPUESTO PARA LA SOLUCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA WLAN ( Wireless Area Local Network ) o Red de área local inalámbrica Uso de equipos de radioaficionado: Varios tipos en función de la distancia, AB o frecuencia a utilizar.

5 INTRODUCCIÓN OBJETIVOS Adquirir conocimientos en: OBJETIVOS PERSEGUIDOS Protocolos IP y su funcionamiento Redes de Datos ( LAN, MAN, WAN, WLAN, etc ) Sistemas de modulación digitales Tratamiento Digital de Señales Procesadores Digitales de Señal Sistema operativo LINUX / UNIX Ofrecer una solución práctica para las comunicaciones, que permita su utilidad práctica en determinadas situaciones.

6 MEDIO FÍSICO INTRODUCCIÓN Nivel 1 en la escala OSI: Radiofrecuencia, UTP, Fibra óptica, Coaxial, Infrarrojos, etc. Objetivos: Máxima velocidad y seguridad. Mínimo ancho de banda y potencia Limitaciones: Nyquist, Shannon-Hartley Hartley,, Atenuación, dispersión, Ruidos, etc.

7 MEDIO FÍSICO RADIO FRECUENCIA VENTAJAS No hay necesidad de cablear No es necesario contratar líneas a operadoras externas Calidad aceptable en función de la necesidad. INCONVENIENTES Muy sensible a EMI, y generador de ellas Precisa protocolos robustos

8 MODULACIONES DIGITALES INTRODUCCIÓN Codificar en un formato analógico una señal digital Modulaciones unidimensionales Un sólo bit por símbolo ASK, FSK, PSK Seguridad en la transmisión Modulaciones multidimensionales Varios bits por símbolo M-QAM, QPSK, DMT, CAP Aprovechamiento del Ancho de Banda

9 MODULACIONES DIGITALES 16 - QAM Se modula la portadora en amplitud y en fase Se necesita una SNR elevada para detectar los símbolos con un BER aceptable. Se obtiene la constelación de la figura: 6 niveles de amplitud 12 saltos de fase

10 MODULACIONES DIGITALES 16 - QAM

11 REDES DE DATOS ESTRUCTURA OSI

12 REDES DE DATOS PROTOCOLOS IP Niveles del 3 al 7 Protocolos en la capa de red IP: Base sobre la que se monta toda la pila Protocolos en la capa de transporte TCP: Transmisión segura: Control de errores UDP: Transmisión no garantizada. Protocolos en la capa de aplicación Protocolos de enrutamiento ( BGP, GRP, RIP, OSPF ) Protocolos de usuario ( HTTP, FTP,TELNET )

13 REDES DE DATOS DIRECCIONAMIENTO IP 4 bytes de dirección y 4 de máscara, que identifican redes y hosts DIRECCIONAMIENTO PÚBLICO Conocidas en Internet Únicas por cada máquina DIRECCIONAMIENTO PRIVADO No conocidas en Internet Muchas redes con las mismas direcciones Precisan NAT para conectarse a Internet

14 REDES DE DATOS IP ROUTING TECNOLOGÍA PARA QUE UNA MÁQUINA CONOZCA CUALQUIER OTRA BASADA EN DISTINTOS ALGORITMOS ALGORITMOS ESTÁTICOS RUTAS FIJADAS A MANO ALGORITMOS ADAPTABLES O DINÁMICOS RUTAS ESTABLECIDAS AUTOMÁTICAMENTE LOS EQUIPOS INTERCAMBIAN SU INFORMACIÓN PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO ( NIVEL 6 )

15 REDES DE DATOS TIPOS DE REDES REDES DE ÁREA LOCAL ( LAN ) Hasta 300 metros de UTP, Coaxial, Fibra o inalámbrica. Estrella, Lineal o Anillo hasta 10 Mbps TOKEN RING o ETHERNET ( CSMA/CD ) REDES DE ÁREA METROPOLITANA ( MAN ) Varios Kilómetros de UTP,Coaxial o Fibra. Lineal hasta 100 Mbps Protocolo DQDB ( Bus de colas distribuidas ) REDES DE ÁREA EXTENSA ( WAN ) Distancia ilimitada. Múltiples transportes, topologías, velocidades y protocolos.

16 REDES DE DATOS WLAN Transporte por radio o infrarrojos Velocidad limitada. Sólo half-dúplex Permite movilidad y Conectividad In situ Protocolo CSMA. No existe CD Seguridad basada en confirmaciones y encriptación Definiciones en IEEE Distancia dependiente del sistema de radio

17 REDES DE DATOS WLAN

18 INTERFAZ BASADA EN DSP CARACTERÍSTICAS Velocidad máxima: bps Half-Dúplex Modulación en 16 - QAM Conexión al PC a través de RS-232 Ancho de banda necesario: > 4.8 KHz Modularidad por software Alimentación a 12 Vcc y consumo reducido

19 INTERFAZ BASADA EN DSP DIAGRAMA DE BLOQUES

20 DSP CARACTERÍSTICAS 20 MIPS A 40 Mhz Consumo reducido con modos STOP y WAIT Tres bloques de RAM interna de 512 x 24 ( P,X,Y ) Tablas seno y coseno pregrabadas Bus externo: 16 bits de direcciones y 24 de datos Interface para HOST externo de 8 bits Puertos serie síncrono y asíncrono ( SSI y SCI ) Soporte de On-Chip Emulator ( OnCE ) para gestión Oscilador basado en PLL.

21 DSP ARQUITECTURA INTERNA Los Componentes más importantes son: Buses de datos y direcciones y puerto A Unidad aritmético lógica ( ALU ) Unidad de generación de direcciones ( AGU ) Unidad de control de programa ( PCU ) Circuitería OnCE Circuitería de reloj basada en PLL

22 DSP BUSES DE DATOS Y DIRECCIONES BUSES DE DATOS 4 buses de 24 bits: XDB, YDB, PDB y GDB XDB e YDB pueden enlazarse ( 48 bits ) Unen la AGU, la ALU y la PCU BUSES DE DIRECCIONES 3 buses de 16 bits: XAB, YAB y PAB PUERTO DE EXPANSIÓN DE MEMORIA Multiplexa buses de datos y direcciones Implementa bus de control

23 DSP UNIDAD ARITMÉTICO LÓGICA ( ALU ) Entrada: 4 buses de 24 bits ó 2 de 48 Realiza operaciones aritméticas, lógicas, de redondeo y de desplazamiento. MAC: Multiplica 2 operandos y almacena el resultado en un acumulador en 1 solo ciclo. Salida: 2 acumuladores de 24, 48 ó 56 bits. Realiza todas las operaciones matemáticas.

24 DSP UNIDAD DE GENERACIÓN DE DIRECCIONES Almacena y calcula ( acceso indirecto ) las direcciones de operandos en memoria. 2 bloques que generan 2 direcciones en un ciclo. Cada bloque dispone de: Una ALU de 16 bits 4 registros de dirección: Entrada y salida. 4 registros de offset: Operandos 4 registros modificadores: Operación Un multiplexor de salida XAB, YAB, PAB

25 DSP UNIDAD DE CONTROL DE PROGRAMA Gestiona el seguimiento de un programa Dispone de tres bloques: Decodificador de programa Decodifica la instrucción y genera las instrucciones del DSP Generador de direcciones de programa Genera la dirección de memoria donde se encuentra la instrucción Controlador de interrupciones Genera la dirección del vector de interrupción

26 DSP CIRCUITERÍA OnCE Permite gestionar al DSP ( registros, memoria o periféricos ) no intrusivamente con pines dedicados y un controlador externo. Dispone de un puerto serie donde se reciben los comandos y se entrega la respuesta.

27 DSP CIRCUITO DE RELOJ BASADO EN PLL Trabaja a alta frecuencia con un reloj externo de baja frecuencia. Puede: Multiplicar por Dividir por

28 DSP ARQUITECTURA EXTERNA Puerto A: Memoria externa ( ) 50 pines Puerto B: Interface HOST ( 15 ) Puerto C: SCI ( 3 ) y SSI ( 6 ) 65 pines 74 pines Interrupciones y control de modo ( 4 ) 78 pines PLL y reloj ( 7 ) 85 pines OnCE ( 4 ) 89 pines Vcc: Alimentación ( 16 ) GND: Masa ( 24 ) Contador de eventos ( 1 ) Reservados ( 2 ) 105 pines 129 pines 130 pines 132 pines

29 DISEÑO HARDWARE DE LA INTERFAZ DIAGRAMA DE BLOQUES

30 DISEÑO HARDWARE DE LA INTERFAZ SEÑALES DEL DSP INTERFAZ SCI Puerto RS-232 del PC. RXD y TXD INTERFAZ SSI CODEC. SRD, STD, SCK, SC 0 y SC 1 INTERFAZ H Driver TX/RX. H 0 PUERTO A Memoria externa. Datos, Direcciones y control

31 DISEÑO HARDWARE DE LA INTERFAZ FUENTE DE ALIMENTACIÓN Tensión de salida 5 v Tensión de entrada 12 v Filtros RLC para evitar cambios bruscos de corriente Regulador integrado 7805

32 DISEÑO HARDWARE DE LA INTERFAZ INTERFAZ RS Comunicación con el DSP mediante el puerto serie Conversor de niveles RS232 a TTL y viceversa

33 DISEÑO HARDWARE DE LA INTERFAZ MEMORIA Selección del chip mediante la señal A15 Memoria de datos y programa solapadas Selección de la zona de memoria mediante las señales X/Y

34 DISEÑO HARDWARE DE LA INTERFAZ CONVERSOR A/D - D/A Conversión A/D y D/A en un solo circuito integrado Comunicación con el DSP mediante el puerto síncrono SSI

35 DISEÑO HARDWARE DE LA INTERFAZ CONTROL DEL TRANSCEPTOR Conmutación TX/RX mediante dos transistores La señal de entrada y salida se conecta directamente al conversor A/D - D/A Los LED de TX/RX son controlados por este bloque

36 DISEÑO SOFTWARE DE LA INTERFAZ PROCESO DE ARRANQUE

37 DISEÑO SOFTWARE DE LA INTERFAZ PROCESO DE ARRANQUE Arranque en Modo 2 Carga de los primeros 512 bytes, a partir de la dirección E000h Estos primeros bytes contienen un cargador para el resto del programa Carga del resto del programa que se encuentra en la EPROM a partir de la 8000h

38 DISEÑO SOFTWARE DE LA INTERFAZ COMUNICACIÓN CON EL PC Se realiza mediante el puerto SCI Este software se comunica directamente con el driver de Linux El interfaz recibe los datos encapsulados en un paquete RPP Son almacenados en un buffer hasta su transmisión o inmediatamente entregados al PC.

39 DISEÑO SOFTWARE DE LA INTERFAZ COMUNICACIÓN CON EL CODEC La comunicación con el CODEC se produce a través del puerto SSI Se realizará a un velocidad de entre y muestras/s Los datos transmitidos son muestras Estas corresponderán con las de la señal modulada en QAM

40 DISEÑO SOFTWARE DE LA INTERFAZ MODULACIÓN QAM Se codifica en bloques de 4 bits ( Símbolo ) Señales de salida con 6 amplitudes y 12 fases

41 DISEÑO SOFTWARE DE LA INTERFAZ DEMODULACIÓN QAM

42 DISPOSITIVO DE LINUX FUNCIONAMIENTO BÁSICO Se encarga de la comunicación con el nivel superior de Linux Gestiona el protocolo RPP Se encuentra en un nivel transparente para el usuario Esta preparado para trabajar con IP Se comunica con el DSP a través del puerto serie

43 PROTOCOLO RPP FUNCIONAMIENTO BÁSICO Permite interconectar vía radio hasta 254 estaciones. Realiza una conexión bastante segura, confirmando los paquetes recibidos Soluciona el problema de colisiones mediante la generación de tiempos aleatorios

44 PROTOCOLO RPP FORMATO DE LAS TRAMAS NÚMERO DE BYTE VALOR SIGNIFICADO 0 FFh Sincroniza el puerto serie para evitar errores 1 D8h Byte que identifica el comienzo de una trama RPP 2 Byte bajo Tamaño total del paquete 3 Byte alto Tamaño total del paquete 4 Entre 1 y 254 Dirección RPP origen 5 Entre 1 y 254 Dirección RPP destino 6 Byte bajo Suma de comprobación (CRC) 7 Byte alto Suma de comprobación (CRC)

45 PROTOCOLO RPP CONFIRMACIONES Cada paquete recibido es confirmado de forma inmediata ( sin tiempo de espera ) Si la confirmación no es recibida, el otro equipo retransmitirá el paquete un máximo de 4 veces. Si a pesar de ello no se ha conseguido la comunicación serán los protocolos de nivel 4 ( TCP ) los que solucionen el problema.

46 PROTOCOLO RPP COLISIONES Problema: 2 estaciones transmiten a la vez Solución: Algoritmo de tiempos de espera aleatorios ( basado en CSMA/CD ) Se calcula un tiempo aleatorio. Si se escucha otra estación, se calcula un tiempo aleatorio nuevo. Al acabar el tiempo, se puede transmitir. El tiempo de espera es menor para el gateway, ya que generalmente debe transmitir más.

47 RED LOCAL INALÁMBRICA CARACTERÍSTICAS No necesita de un infraestructura tan compleja como una red por cable. Se puede seleccionar la frecuencia y potencia de transmisión en función de las necesidades. Permite un acceso a la red totalmente transparente para el usuario. Al trabajar con el protocolo IP permite la conexión con Internet.

48 RED LOCAL INALÁMBRICA TOPOLOGÍA USUARIO 1 RED CABLEADA (LAN, MAN, WAN, RAS, ETC) INTERNET USUARIO 2 GATEWAY USUARIO 3

49 RED LOCAL INALÁMBRICA LIMITACIONES La velocidad máxima será de bps Esto se verá reducido por los siguientes problemas: Se trasmite en modo half - duplex. Tiempo de conmutación alto. Tiempo de espera aleatorio. Número de estaciones en red.

50 DEMOSTRACIÓN PRÁCTICA CARACTERISTICAS Se realizara con dos ordenadores conectados a la red Uno de ellos dispondrá de una conexión por cable a la red de la universidad El interfaz para la prueba será un módem FSK a baudios Las emisoras transmitirán en la banda de 27 MHz

51 DEMOSTRACIÓN PRÁCTICA APLICACIONES TELNET: Conexión como terminal remoto. FTP: Transferencia de archivos remotamente. TALK: Conversación en tiempo real. HTTP: Conexión a la pagina WEB del Departamento de Electrónica.

52 UNIVERSIDAD DE ALCALÁ DE HENARES DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA DISEÑO DE UNA INTERFAZ BASADA EN DSP PARA EL ACCESO VÍA RADIO A UNA RED LOCAL FRANCISCO VALENCIA ARRIBAS ROBERTO LÓPEZ DÍAZ