Typisch voorbeeld van een ingebed systeem: een GSM

Een GSM is een complex ingebed systeem, waarbij heel wat meer aspecten komen kijken dan je op het eerste zicht zou verwachten. De opleiding in deze optie biedt je voldoende kennis en kunde zowel qua toepassingsalgoritmen als qua implementatietechnieken om een dergelijk systeem te realiseren. In de loop van de opleiding krijg je ook de gelegenheid om dergelijke projecten uit te werken ("P&O Multimedia en signaalverwerking" en de masterproef).

Hieronder geven we een overzicht van de voorzieningen die ingebouwd zijn in een typische GSM en koppelen dit aan de vakken.

Controle-georiënteerd

• Gebruikersinterface
  De gebruikersinterface bestaat uit een LCD scherm, een toetsenbord en een menustructuur met vraag en antwoord ("Multimedia-technologie"). Het gebruiksgemak van de GSM wordt er in hoge mate door bepaald. Nochtans is het ontwerpen van een gebruikersinterface niet eenvoudig ("Gebruikersinterfaces"). De gebruikersinterface wordt geïmplementeerd in software op een microcontroller die zowel de rekeneenheid bevat als de randlogica om scherm en toetsenbord aan te sturen ("Computerarchitecturen"). Vermits de interactie van de gebruiker op een willekeurig ogenblik komt, is de software implementatie interrupt-gestuurd onder supervisie van een Real-Time Operating System ("Programmatuur voor real-time controle").
• Opzetten van de telefoonverbinding
  Een GSM staat continu in contact met een of meerdere basisstations zodat in een centraal bestand bijgehouden kan worden waar elke GSM zich bevindt. Wanneer een oproep geplaatst of ontvangen wordt, zullen GSM en basisstation heel wat boodschappen onderling uitwisselen bijv. om zendfrequentie en tijdslot te kiezen. Wanneer de GSM buiten het bereik van het basisstation komt, moet het gesprek naar een volgend basisstation overgedragen worden. Ook hiervoor worden boodschappen tussen de basisstations en de GSM uitgewisseld ("Analoge en digitale communicatie en telecommunicatienetwerken"). Deze 'signalling'-taak wordt in software op dezelfde microcontroller geïmplementeerd die ook voor de gebruikersinterface instaat ("Computerarchitecturen" en "Programmatuur voor real-time controle").

Signaalverwerking

• Spraakherkenning
  Een GSM laat toe om telefoonnummers te vormen door het inspreken van de naam van de persoon die men wil bereiken. Dit snufje verhoogt de veiligheid bij het telefoneren in de auto of op de fiets, zeker wanneer men het koppelt aan een oortelefoon met ingebouwde microfoon ("Audio en spraakverwerking" en "Stochastische signaal- en systeemanalyse").
• Opnemen en weergeven van beelden en video
  Met een moderne GSM kun je ook foto's en zelfs filmpjes opnemen, doorsturen en weergeven ("Beeldverwerking en visuele inspectie" en "Beeldinterpretatie").
• Broncodering en beveiliging
  Om het beperkte frequentiespectrum optimaal te benutten, wordt de redundantie uit het geluid- en videosignaal weggehaald m.b.v. compressietechnieken ("Codeertechnieken"). Je wil natuurlijk ook niet dat iemand anders je telefoontjes kan afluisteren ("Cryptografie en netwerkbeveiliging").
• Akoestische echo onderdrukking
  Een belangrijk verkoopsargument voor een GSM is de grootte: hoe kleiner, hoe aantrekkelijker! Dit betekent echter dat de luidspreker erg dicht bij de microfoon staat waardoor het ontvangen geluid met enige vertraging terug naar de spreker gestuurd wordt: erg storend! Via adaptieve filtering en zware berekeningen wordt deze echo onderdrukt ("Digitale signaalverwerking, deel 2").
• Kanaalcodering
  Het gecomprimeerde en beveiligde geluidsignaal wordt gemoduleerd om, aangepast aan de transferfunctie van het transmissiekanaal, uitgezonden te worden via de RF-interface ("Analoge en digitale communicatie en telecommunicatienetwerken").

Vele van de hierboven vermelde algoritmen kunnen geïmplementeerd worden op een signaalverwerkingsprocessor. Maar om het vermogenverbruik te reduceren en een langere spreektijd met een enkele batterijlading te bekomen, worden de meest kritische functies in specifieke hardware uitgevoerd ("Architecturen voor multimediasystemen - Architectuursynthese en -compilatie"). Ook wanneer hoge bitsnelheden nodig zijn, is meestal een implementatie in hardware vereist.

Interfacing met de buitenwereld

• Draadloze RF communicatie
  Elke GSM beschikt natuurlijk over een draadloze communicatie met radiogolven naar het basisstation. De stuurlogica ervan bestaat uit analoge elektronica en wordt samen met de analoog-digitaal convertoren en de digitaal-analoog convertoren bestudeerd in het vak "Analoge bouwblokken voor signaalverwerking".
• Geluidsoverdracht via microfoon en luidspreker
  De geluidsopname via de ingebouwde microfoon en de geluidsweergave via de ingebouwde luidspreker ("Multimedia-technologie") vereist analoge signaalconditionering en analoog-digitaal en digitaal-analoog omzetting ("Analoge bouwblokken voor signaalverwerking").

Systeemintegratie

• Ontwerp van het systeem
  Hoe start je de implementatie van een dergelijk complex systeem? Hoe specificeer je de vereisten en hoe verifieer je deze specificatie? Hoe combineer je conflicterende ontwerpeisen zoals snelle ontwerptijd, lage productiekost, lange batterij-autonomie, ...? Hoe modelleer je een systeem met dergelijke uiteenlopende karakteristieken? Hoe beslis je wat je in hardware zult uitvoeren en wat in software? Hoe bepaal en modelleer je de communicatie tussen al die onderdelen? Dit alles wordt je aangeleerd in het vak "Ontwerp van elektronische systemen".
• Interactie tussen componenten
  Een systeem is meer dan een verzameling componenten. De samenstellende componenten (processor, camera, scherm, RF-gedeelte, ...) moeten op een goeie manier met elkaar verbonden worden om vlot en zonder tijdverlies informatie te kunnen uitwisselen. De hardware-aspecten hiervan komen aan bod in het vak "Interfacing".