文档介绍：上海交通大学
硕士学位论文
低功耗无线VoIP终端系统的设计与实现
姓名:陶舒婷
申请学位级别:硕士
专业:软件工程
指导教师:胡飞;姜换新
20090501
低功耗无线 VoIP 终端系统的设计与实现
摘要
随着手持式嵌入式系统功能的日益强大,其整体系统功耗也随之增加,相对于发展
速度相对缓慢的电池供电技术,系统功耗已逐渐成为了手持式嵌入式系统设计的重要制
约因素。在工业界,相对于较长的硬件设计周期,产品的软件设计周期普遍更灵活;同
时随着各种软件优化技术的出现,其中包括编译器优化、DPM(Dynamic Power
Management)、DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)等技术,软件方法已经
成为系统功耗优化的重要手段。
然而,对于手持式无线 VoIP(Voice over Protocol)终端而言,系统的整体
功耗由多个部分组成,其中包括 MCU(Micro Central Unit)、网络通信模块、LCD(Liquid
Crystal Display)、存储设备等。单纯地利用现有的热点代码优化或 DVFS 技术仅能降
低 MCU 的功耗,另一方面,单一地使用 DPM 技术也只能降低外围模块的功耗。实验
表明,简单地使用偏向 MCU 功耗优化的 DVFS 技术可能反而引起外围模块功耗的增加,
从而使系统整体的功耗增加。与通用的多媒体手持设备不同,对于手持式无线 VoIP 终
端,射频模块的功耗可能占整个系统功耗的 40%以上,因此直接使用适用于 MCU 占系
统功耗主导的软件优化方法难以实现良好的功耗优化效果。
本文的研究目标是基于一个无线语音通信系统,根据分析无线通信 RF(Radio
Frequency)模块的工作模式,实现一种针对无线通信模块改良的 DVFS 调度机制,在
MCU 功耗优化的同时兼顾外围模块的功耗优化。课题主要从两方面入手,对系统整体
的功耗进行优化。首先,通过分析 MCU 与 RF 模块的不同工作模式,研究适用于无线
实时通信系统的 DVFS 调度机制,利用基于 RF 模块加权的 LaEDF(Look-ahead Earliest
Deadline First)算法,根据语音与控制数据的实时要求,计算需要的语音编解码的处理
速度,动态调整 MCU 的工作电压与频率,从而控制语音信号的收发节奏。本课题的 DVFS
策略是在 MCU 低功耗优化与 RF 模块休眠机制两者之间进行平衡,最终达到整体系统
功耗的优化。另一方面,根据无线传输频段的选择,减少信号在空中传输的时间,从而
降低 RF 模块的整体工作时间,达到低功耗优化的目的。
作为一个商用无线实时通信系统,由于工作在开放 ISM(Industry Science and
Medicine)频段,必须考虑产品与同频段的通用系统如 Bluetooth、WLAN(Wireless Local
work)以及同类无线通信系统的共存(coexisting)问题。本文构建的无线通信
系统,通过分析 WLAN 三个子频段的分布特性,利用 WLAN-Weighted FAP (Frequency
IV
Agility Protocol)策略,在检测到冲突时,动态将系统跳频至一个空闲的子频段,从而提
升了系统抗干扰的性能;同时,通过分析 Bluetooth 设备的跳频特性,利用不同频率收
发数据在来实现的与 Bluetooth 系统设备的共存。
最后,文章给出了应用于无线 VoIP(Voice over Protocol)手持终端的具体
实现,该框架在基于 nRF2401 的平台上实现了一个低功耗语音传输系统。
关键词嵌入式系统, 动态功耗管理, DVFS 算法, FAP, ISM 共存
V
THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A POWER
EFFICIENT WIRELESS VOIP TERMINAL SYSTEM
ABSTRACT
With the fast development of embedded systems, functions of embedded processors are
getting more and more powerful. Therefore, to prolong the battery life has e one of the
essential goals. Compared with a longer developm