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用verilog设计和仿真zigbee发射机

By

Miss. Divyabharathi.R, PG Scholar, C.Abdul Hakeem College of Engineering amp;

Technology, Melvisharam, divyabarathi.r@rediffmail.com

Mr.A.Mohammed Mian, Associate Professor, C.Abdul Hakeem College of

Engineering amp; Technology, Melvisharam, ammian79@gmail.com

摘要

过去几年见证了无线网络领域的快速发展。到目前为止，无线网络一直专注于高速和远程应用。Zigbee技术是为无线个人区域网络（WPAN）开发的，旨在控制和军事应用，具有低数据速率和低功耗。Zigbee是一种标准，用于定义低数据速率短距离无线网络的通信协议集。基于Zigbee的无线设备工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz频段。最大数据速率为每秒250K位。Zigbee主要用于电池供电的应用，其中低数据速率，低成本和长电池寿命是主要要求。本文探讨了用于确认帧的Zigbee发送器架构中各种块的Verilog设计。数字这个词对我们的社会产生了巨大的影响。由于良好的数字系统设计和建模技术，数字解决方案的发展已成为可能。已经进行了进一步的开发并引入了VLSI，以便减小架构的尺寸，提高操作速度，改善电路行为的可预测性。数字Zigbee发送器包括循环冗余校验，位到符号块，符号到芯片块，调制器和脉冲整形块。这里的工作是通过使用具有较少切片数量和查找表（LUT）的Verilog来展示我们如何设计具有其规格的Zigbee变送器。

关键词：Zigbee，CRC，LUT，占用切片。

1. Zigbee 802.15.4

Zigbee是一套高级通信协议规范，使用基于IEEE 802标准的小型低功耗数字无线电用于个人局域网。Zigbee设备通常以网状网络形式用于传输数据更长的距离，通过中间设备传递数据，以达到更远的距离。这允许Zigbee网络临时形成，没有集中化控制要么大功率发射器/接收器能够到达所有设备。任何Zigbee设备都可以负责运行网络。

Zigbee在工业，科学和医疗（ISM）无线电频段工作;欧洲为868 MHz，美国和澳大利亚为915 MHz，全球大多数司法管辖区为2.4 GHz。数据传输速率从20到900Kbits /秒不等。

Zigbee建立在IEEE标准中定义的物理层和媒体访问控制之上802.15.4（2003版）用于 低速率WPAN。该规范通过添加四个主要组件来完成标准：网络层，应用层，Zigbee设备对象（ZDO）和制造商定义的应用程序对象，这些对象允许自定义并支持完全集成。

Zigbee不是为了支持电力线网络，而是为了与它连接，至少在智能计量和智能设备方面。由于Zigbee节点可以在30毫秒或更短的时间内从睡眠模式进入活动模式，因此延迟可能很低，设备可以响应，特别是与蓝牙唤醒延迟（通常大约为3秒）相比。由于Zigbee节点大部分时间都可以休眠，因此平均功耗可能较低，从而导致电池寿命较长。

工作目标

Zigbee变送器可以设计模拟组件。设计模拟发射器比数字发射更容易。但在模拟设计中，数据传输会很差，组件也会越来越大。这将不允许准确的数据传输。

在数字设计中，将获得准确的数据传输，并且电源电压范围将更小。一种通过Xilinx在Verilog HDL和VHDL的帮助下设计数字Zigbee发射器的方式。

本文的目的是使用Verilog设计和合成Zigbee发射机，这将导致使用更少数量的切片和查找表（LUT）以及无损数据传输。使用较少数量的组件，应减少使用的功率。

文献评论

对于工业和家庭环境，有许多无线监控和控制应用需要比现有标准更长的电池寿命，更低的数据速率和更低的复杂性。市场需要的是全球设计的标准，满足可靠性，安全性，低功耗和低成本的要求。Zigbee为低数据速率短距离无线网络定义了一套通信协议。自Zigbee及其基础标准IEEE

802.15.4是最近的，很少有研究调查功率和面积消耗，操作速度和性能。广泛的问题是设计Zigbee发射机以获得面积，功率和性能方面的改进。

Zigbee标准由Zigbee联盟开发，Zigbee联盟采用IEEE 802.15.4作为其物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）协议。开发Zigbee标准是为了满足极低成本实现具有超高功耗的低数据速率无线网络的需求。Zigbee标准通过简化通信协议和降低数据速率来帮助降低实施成本。与其他标准（如IEEE 802.11）相比，满足Zigbee和IEEE 802.15.4规范的最低要求相对宽松，这降低了实施Zigbee收发器的复杂性和成本。

Zigbee协议层基于开源互连（OSI）基本参考模型。将网络协议划分为多个层次具有更多优势。协议的较低层独立于应用程序，可以从第三方获得，因此需要做的就是在协议的应用层进行更改。Zigbee标准仅定义协议的网络，应用和安全层，并采用IEEE 802.15.4 PHY和MAC层作为Zigbee网络协议的一部分。一个优点的习惯专有网络/应用层是实现整个协议所需的较小尺寸的存储器占用空间，这可以降低成本。

Zigbee标准由Zigbee联盟开发，Zigbee联盟采用IEEE 802.15.4作为其物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）协议。Zigbee标准定义了协议的网络，应用和安全层，并采用IEEE 802.15.4 PHY和MAC层作为Zigbee网络协议的一部分。导致WPAN选择Zigbee有三个重要因素。首先，低成本使该技术可广泛应用于无线控制和监控应用。其次，低功耗可以使用更小的电池延长使用寿命。第三，网状网络提供高可靠性和更广泛的范围。

拉菲达·艾哈迈德等人。已经设计并实现了一个仅用于确认帧的Zigbee数字发射机。它使用Verilog硬件描述语言建模，然后在Spartan 3E FPGA上实现。该数字发送器包括循环冗余校验（CRC），位到符号，符号到芯片和OQPSK调制器，模式发生器和逻辑分析器。自使用Verilog以来，它使用的切片数量增加了35％，使用的触发器占11％，使用的查找表占30％，使用的多路复用器数量占92％。由于FPGA和Verilog的结合使用，变送器的设计时间更短。

孟婷婷等人设计，实施并测试了Zigbee接收器和市面上现成的Zigbee收发器。接收器在Harris系统级封装（SIP）中定义，并通过Xilinx Virtex-4 LX60现场可编程门阵列（FPGA）实现。接收器包括载波同步，IF下变频，滤波正交解调，码片同步和解扩块。Harris SIP平台配备了高分辨率ADC和Xilinx Virtex-4 FPGA，并且所有数字PLL和解调器都已在FPGA内部运行。实现结果显示，使用的切片高达26624的11％，有6％的触发器和7％的查找表（LUT）用法。

Zigbee发射器由Rahmani使用VHDL设计，并在Spartan-2 FPGA板上实现。发送器架构包括位到符号映射器，符号到码片和偏移正交相移键控（OQPSK）调制器。获得的实施结果是使用了150,000个门。通过使用单步I / Q转换或VCO调制发射机拓扑，可以实现根据IEEE 802.15.4 PHY的发射信号的有效生成。Synplify Pro用作综合工具，网表是从VHDL源创建的。然后，变送器在车上进行测试。这两个论文证明VHDL指令涉及大量切片。因此，它有助于大的设计尺寸。

Zigbee发射器的数字部分可以采用原理图，Matlab或非常高速的集成电路硬件描述语言（VHDL）进行设计。Shuaib等人。使用Matlab / Simulink开发和模拟变送器设计，并评估其性能。在PHY层，Zigbee使用DSSS作为扩频技术，以增加其功率并减少来自附近网络的噪声的影响。2.4GHz频段使用OQPSK技术进行芯片调制。每个4位符号被映射到15个码片PN序列。在915 MHz和868 MHz频段中，映射1位符号并使用BPSK进行调制。具有多个频带使得可以在可用频谱内重新定位。MAC层控制对通信信道的访问。它通过确认和重传提供流量控制。使用Matlab / Simulink设计三个物理层Zigbee带的三个模型。但是，原理图不适用于通常涉及更多逻辑功能的大型设计。

从上述调查中，我们可以很容易地分析许多学者使用Matlab / Simulink，Schematic以及使用VHDL并通过Spartan和Virtex实现的Zigbee发射器设计。没有一个发射器是使用Verilog设计的，Verilog使用较少数量的片，LUT等。因此，我的论文是为IEEE的PHY和MAC层设计Zigbee发射机。

使用Verilog的802.15.4标准，将通过Xilinx获得的模拟结果进行分析，以降低成本和复杂性。

Zigbee发射器

产品规格

2.4GHz频段的Zigbee数字发射机采用Verilog设计，用于确认帧。PHY层支持三个频段：带有16个信道的2.45 GHz频段，带有10个信道的915 MHz频段和带有1个信道的868 MHz频段。本文仅关注全球使用的2.45 GHz频段，数据速率为250 Kbps。MAC层定义了两种类型的节点：简化功能设备（RFD）和全功能设备（FFD）。RFD只能作为终端设备，并配备传感器或执行器，如传感器，灯开关和灯。它们可能只与单个FFD交互。FFD配备了一整套MAC层功能，使它们能够充当网络协调器或网络终端设备。

表1规格

IEEE 802.15.4定义了四种MAC帧结构：信标，数据，确认和MAC命令帧。协调器使用信标帧来发送信标。信标的功能是同步同一网络内所有设备的时钟。数据帧用于传输数据。同时，确认帧用于确认成功的帧接收。使用MAC命令帧发送MAC命令。

建筑

使用的确认帧包含11个八位字节（即88位）的物理协议数据单元（PPDU）。来自PPDU分组的二进制数据被插入循环冗余校验块以检测传输期间的错误。每四位PPDU八位字节被映射到一个数据符号，这将在位到符号块中发生。利用符号到芯片块中的直接序列扩频方法，将符号扩展为32码片PN序列。然后，使用OQPSK技术调制芯片。

现有系统

Zigbee数字发射机设计用于确认帧，如图所示，基于IEEE 802.15.4标准。这是最简单的MAC帧格式，不携带任何MAC有效载荷。该帧由MAC头（MHR）和MAC脚注（MFR）构成。帧控制字段和直接序列号（DSN）形成MHR。MFR由16位帧校验序列（FCS）组成。MHR和MFR都称为PHY服务数据单元（PSDU），它成为PHY有效载荷。PHY有效载荷以由前导序列，帧起始分界符（SFD）和PHY头（PHR）组成的同步头（SHR）作为前缀。与SHR，PHR和PHY有效载荷一起形成PHY协议数据单元（PPDU）。

图1确认框架

在现有的工作中，那时的总体架构由此产生的信号放大和传输，将受到干扰。这将导致信息传输之间存在放大和错误的符号。

图2发射机架构

拟议的制

Zigbee发射机应设计用于PHY和MAC层，用于确认帧。该设计将使用Verilog HDL进行建模，并通过Xilinx进行仿真。该部分和所提出的设计的操作性能应满足理论规范，并将与仿真结果进行验证。

图3建议的发送器架构

由于调制的输出不确定会导致错误的传输，为了避免这种扭曲，我们需要添加Pulse在OQPSK调制器的输出处整形块。这将避免帧间符号干扰和一些传输噪声。

设计方法

循环冗余校验

错误检测是监测数据传输和确定何时发生错误的过程。错误检测技术既不纠正错误也不识别哪些位出错 - 它们仅在发生错误时指示。错误检测的目的不是为了防止错误发生，而是为了防止发生未检测到的错误

常见的错误检测技术是冗余检查，包括垂直冗余校验，校验和，纵向冗余校验和循环冗余校验。

CRC多项式

该方法是最可靠的冗余检查方法是用于错误检测的技术，称为循环冗余校验的卷积编码方案使用CRC，检测到大约

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