數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)實驗報告

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)摘要該數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)以89C51及89C2051為核心，由數(shù)據(jù)采集模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、模擬信道、測試碼發(fā)生器、噪聲模擬器、結(jié)果顯示模塊等構(gòu)成。在本方案中僅使用通用元器件就較好的實現(xiàn)了題日要求的各項指標。其中調(diào)制解調(diào)模塊、噪聲模擬器分別采用單片機和可編程邏輯器件實現(xiàn)。本數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)既可對8路數(shù)據(jù)進行輪檢，也可設置為對一路數(shù)據(jù)單獨監(jiān)控。本系統(tǒng)硬件設計應用了EDA工具，軟件設計采用了模塊化的編程方法。傳輸碼元速率為16kHz?48kHz的二進制數(shù)據(jù)流。另外，還使用了“1”：“01”、“0”：“10”的Manchester編碼方法使數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)位減少,從而提高傳輸速率。一、方案設計與論證首先，我們分析一下信道與信噪比情況。本題中碼元傳輸速率為16k波特，而信號被限定在30k?50kHz的范圍內(nèi)，屬于典型的窄帶高速率數(shù)字通信。而信噪比情況相對較好。這是因為信號帶寬僅為20kHz，而噪聲近似為0?43kHz(_!45%)的窄帶白噪聲，這樣即Ts使在信號和噪聲幅度比值為1：1的情況下，帶內(nèi)的噪聲功率仍然比較小，所以系統(tǒng)具有較高的信噪比。方案一：常用的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)有：ASK、FSK、PSK等。其中FSK具有較強的抗干擾能力，但其要求的的帶寬最寬，頻帶利用率最低，所以首先排除。ASK理論上雖然可行，但在本題目中，由于一個碼元內(nèi)只包括約兩個周期的載波，所以采用包絡檢波法難以解調(diào)，也不可行。另外，對于本題目，還可以考慮采用基帶編碼的方法進行傳輸，如HDB3碼，但這種編碼方法其抗干擾能力較差，因此也不太適合。方案二：PSK調(diào)制方式具有較強的抗干擾能力，同時其調(diào)制帶寬相對也比較窄，因此我們考慮采用這種調(diào)制方式。為了簡化系統(tǒng)，在實際實現(xiàn)時，我們采用了方波作為載波的PSK調(diào)制方式。當要求的數(shù)據(jù)傳輸速率較低（C24kbps）時，對原始數(shù)據(jù)處理的方法如下：“1”用“1010”（0相位兩個周期的方波）表示；“0”用“0101”（n相位兩個周期的方波）表示。上述調(diào)制方法能傳輸?shù)淖畲蟠a元速率為24kbps，當要求的數(shù)據(jù)傳輸速率大于24kbps時，對原始數(shù)據(jù)處理的方法如下：“1”用“10”（0相位一個周期的方波）表示；“0”用“01”（n相位一個周期的方波）表示。同時我們?yōu)榱吮苊釶SK調(diào)制方式復雜的載波提取電路的設計，在具體設計時采用了異步傳輸和軟件解調(diào)相結(jié)合的解調(diào)方法，即：首先利用異步傳輸?shù)钠鹗嘉唬_定數(shù)據(jù)的初始相位，避免了PSK解調(diào)時相位的隨機性；然后利用簡單的軟件判決進行數(shù)據(jù)的解調(diào)。這樣做有以下優(yōu)點：1、 只使用兩個電平，有足夠的定位信息，直流漂移較小。2、 信號頻譜的主要部分在30k?50kHz的通帶范圍內(nèi)，利于傳輸。3、 實現(xiàn)方法簡單，避免了PSK解調(diào)時復雜的載波提取和位同步提取電路。4、 在數(shù)據(jù)速率較低時，系統(tǒng)具有一定的糾錯能力。例如當收到1110時可判為1（1010），當收到0111時可判為0（0101）。本系統(tǒng)通過軟件加入了自動糾錯，能糾正碼距為1的誤碼。

5、系統(tǒng)具有比較寬的數(shù)據(jù)傳輸范圍：16kbps~48kbps。雖然在高端和低端傳輸速率時，已調(diào)信號的帶寬已超出了信道的3dB帶寬的范圍，但由于已調(diào)信號的大部分能量仍然在信道的帶寬范圍之內(nèi)，而信道噪聲又比較小，所以對于正確解調(diào)影響不大。在具體實現(xiàn)上采用單片機完成調(diào)制與解調(diào)，通信采用單片機間的串行通信來完成。這樣做的好處是：1、 采用單片機串口通信，便于同步，定位方便。2、 單片機本身對于串行信號具有多次抽判的功能。3、 單片機可對接收到的1010四位序列進行軟件判決，提高系統(tǒng)的抗噪性能。4、 系統(tǒng)可升級性好，可以根據(jù)需要，進行糾錯編碼。當信道條件改變時也能較快適應。系統(tǒng)原理框圖如下30KHz-50KHz模擬信道濾波器接收端采集結(jié)果顯示30KHz-50KHz模擬信道濾波器接收端采集結(jié)果顯示圖1.1系統(tǒng)原理框圖二、系統(tǒng)實現(xiàn)及理論分析.帶通濾波器模塊GbT= 0 S^n+bSn-1+???+bS+b心+E1 1 1 n（S士叫）1 n-1 10s=0Bs帶通濾波器N階全極點傳遞函數(shù)近似式如上式，可看出帶通濾波器的傳遞函數(shù)是由低通濾波器的傳遞函數(shù)變換而來的。四階帶通濾波器可由低通濾波器和高通濾波器級連而成，因此可以把一個截止頻率為30KHZ的高通濾波器和一個截止頻率為50KHZ的低通濾波器級聯(lián)起來，采用切比雪夫型高低通濾波器級聯(lián)，經(jīng)計算中心頻率約為40KHZ。切比雪夫型低通濾波器其幅頻公式如下：H（沁）|= % —頊1士e2。2（3/3）e和K1為常數(shù)Cn為N階切比雪夫型多項表達式，氣為截止頻率。N增加則波紋系數(shù)增加。將低通濾波器傳遞函數(shù)的s換為1/s即可得到高通濾波器的傳遞函數(shù)。濾波器采用歸一化設計，求出歸一化系數(shù)后查表得到所需阻容參數(shù)。為此我們用VB編寫了一個濾波器快速設計軟件，只要填入頻率值和所選電容值就可得出其他電路參數(shù)。

電阻(KQ):增益；1246810R1:0.23940.38740.55150.66830.7645口.日4西E2；0.47890.2960.20790.1T150.150.1353E3:無窮大0.59190.27720.2□&0.17150.1502R4:有參數(shù)為口0.59190.S3191.02941.21.3523|1000電容〔詢）:白濾波器快速設計低通高通|帶通］帶阻］全通］電路形式：|二階■巴臘沃斯高逋電容〔詢）:白濾波器快速設計低通高通|帶通］帶阻］全通］電路形式：|二階■巴臘沃斯高逋圖2.1濾波器設計軟件界面該軟件是根據(jù)［美］D.E.約翰遜等人所編寫的《有源濾波器快速實用設計》一書設計的。首先將輸入的截止頻率fc和電容c的值代入式子:100K100K 計算出參數(shù)K，然后查該書相應的阻值表得到各電阻在K=1時的阻值，將該阻值乘以K即得到所設計電路中各電阻的阻值。以上計算過程和所用到的參數(shù)、表格和電路形式都已設計在程序里，由程序自

動完成，因此使用時只需選擇要設計的電路形式和該電路所需的必要參數(shù)即可立刻得到該電路各元件的值，可十分方便快速地設計出所需的各種濾波器。最后設計出的帶通濾波器如下（圖2.2）。圖2.2BPF電路原理圖圖2.2BPF電路原理圖通過EWB模擬得到的頻譜響應如下（圖2.3）：ImlOin110KIM 100M10m 1 100 10K IM 100MFrequency(Hz)圖2.3BPF仿真結(jié)果ImlOin110KIM 100M10m 1 100 10K IM 100MFrequency(Hz)圖2.3BPF仿真結(jié)果10-i帶通濾波電路2.ewb10-i.數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如（圖2.4），采用AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器及89C51控制數(shù)據(jù)采集。AD0809為8位8輸入通道的AD變換器，滿足題目所提出的要求。由單片機控制進行輪詢采集或是指定通道采集。圖2.4數(shù)據(jù)采集模塊電路原理圖.調(diào)制解調(diào)模塊按據(jù)前述對題目的要求的分析和各方案比較，我們最終決定采用方載波的PSK調(diào)制方法實現(xiàn)。具體實現(xiàn)方法是直接利用軟件進行調(diào)制，然后通過異步方式進行傳輸。解調(diào)時利用異步傳輸?shù)奶攸c，根據(jù)起始位確定已調(diào)信號的初始相位，并通過軟件判決進行PSK的解調(diào)。具體實現(xiàn)方法如下：首先，對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行數(shù)字PSK調(diào)制，然后把調(diào)制后的數(shù)據(jù)作為異步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過單片機的串行口進行異步傳輸，即為其再增加異步傳輸?shù)钠鹗嘉?、校驗位和停止位。在接收端，首先對接收到的信號進行整形，并利用單片機的串行口對調(diào)制信號作為異步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行接收，然后利用軟件判決的方法對接收到的數(shù)據(jù)進行PSK的解調(diào)。這樣就避免了PSK解調(diào)時復雜的載波提取和同步提取電路的設計，同時得到較好的接收性能。在本次設計中，我們采用了18.432MHz的品體，這是一種在通信中常用的品體，可方便的分頻出16kHz、19.20kHz、24kHz、32kHz、48kHz等傳輸時鐘。數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a元速率不大于24kbps時：“1”用“1010”（0相位兩個周期的方波）表示，“0”用“0101”（n相位兩個周期的方波）表示。另外，為了防止單片機的停止位產(chǎn)生富含低頻分量的較長連續(xù)“1”，通過信道傳輸前先將單片機串口輸出的碼序列取非。具體調(diào)制結(jié)果示例如下:起始位數(shù)據(jù)TB停止位原信號000001111*X1????編碼取非后（4字節(jié)）110101010X0....110101010X0....101010101X0....101010101X0....*：設數(shù)據(jù)為“00001111”。這樣可以保證數(shù)據(jù)流中沒有三個連續(xù)“1”，也沒有”11”與”00”連在一起的情況。這樣，使用96kbps的波特率傳輸時，調(diào)制信號的頻譜分量大部分集中分布在32kHz與48kHz之間，這樣便可在題目所要求的信道中傳輸碼元速率不大于24kbps的數(shù)據(jù)信息（由于帶寬很窄，可不考慮諧波分量）。對于它的解調(diào)，接收到信號后取非再用單片機譯碼即可實現(xiàn)，同時由于編碼的特點，還可糾正傳輸中碼距為1的誤碼，如單片機收到1101（已取非還原）的數(shù)據(jù)時可判原信號為0。當數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a元速率較高（＞24kbps）時，編碼自動調(diào)整為“1”用“10”（0相位一個周期的方波）表示，“0”用“01”（n相位一個周期的方波）表示的PSK調(diào)制方法，使每一碼元編碼后對應的二進制數(shù)據(jù)位減少，在相同的時間內(nèi)傳輸更多的碼元，從而提高碼元傳輸速率，達到擴展功能中提高傳輸速率的要求。由于編碼位數(shù)減少一半，因此使用96kbps的波特率傳輸時，理論上可達到48kbps的碼元傳輸速率。另外，由于調(diào)制部分和解調(diào)部分的輸入波特率與輸出波特率均不同（調(diào)制部分輸入波特率為16kbps?48kbps，輸出波特率為96kbps;解調(diào)部分輸入波特率為96kbps，輸出波特率為16kbps?48kbps。），而且在一片單片機上同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)也較困難，因此調(diào)制部分與解調(diào)部分均采用了兩片89C2051來分別管理數(shù)據(jù)的輸入與輸出，以減輕每一片單片機的負擔。這兩片單片機之間通過并口實時傳輸數(shù)據(jù)，具體電路原理圖見（圖2.5）。

圖2.5調(diào)制解調(diào)模塊電路原理圖圖2.5調(diào)制解調(diào)模塊電路原理圖在串口加入了一個衰減器使輸出電壓可以在0-1V的范圍內(nèi)連續(xù)變化。輸入口使用LM311比較器構(gòu)成電平判決電路。該電路如（圖2.6）。圖2.6圖2.6電平判決電路原理圖.采集結(jié)果顯示模塊在此模塊中，我們采用了EDM12816B型圖形點陣式液晶顯示器，它的分辨率為128X16。這樣我們可以利用自制的字模生成軟件編制易懂的中文分級菜單界面，人機交互性較好。電路原理圖見附錄總圖。三、其它功能的實現(xiàn).噪聲模擬發(fā)生器:通常產(chǎn)生偽隨機序列的電路為一反饋移位寄存器。一般的，線性反饋移位寄存器由于理論比較成熟，實現(xiàn)比較簡單，實際中常常使用。由線性反饋移位寄存器產(chǎn)生出的最長的二進制數(shù)字序列成為最大長度線性反饋移位寄存器序列，通常簡稱為m序列。圖示為一般的線性反饋移位寄存器的組成：其中若c=0則表示此線斷開，c=1則表示接通。由于n級移位寄存器共有2n個可能的不同狀態(tài)，除全0外，只剩2n-1個，那末，任何n級線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的序列的周期最長為2n-1o設n級移位寄存器的初始狀態(tài)為：aa2...a，經(jīng)過一次移位后，狀態(tài)變?yōu)閍aa...a 。經(jīng)過n此移位后，狀態(tài)為aa...aa。再位移一次0-1-2-n+1 nn-110時，移位寄存器左端新得到的輸入a為：a=ca十ca 十...十ca=￡ca（模2）。n1n—1 2n-2 n0 :n-ii=1故對任意狀態(tài)a，有：a=lLcak k ik-ii=1令f(x)=c+cX+cx2+...+cxn=ILcXi01 2 n ii=0這一方程即為特征方程（或特征多項式）。由此可以得出f⑴=1+X3+X7的線性反饋移位寄存器。當各級觸發(fā)器均處于0狀態(tài)時，電路就停止產(chǎn)生序列信號，即產(chǎn)生了阻塞現(xiàn)象。這是由于序列發(fā)生器在0狀態(tài)下不具有自啟動特性，所以需要在反饋中增加一個防止全0的修正項，即得到如下圖所示的序列發(fā)生電路。在輸出口加入了一個衰減器使輸出電壓可以在0-1V范圍內(nèi)連續(xù)變化。（衰減器電路圖請見調(diào)制解調(diào)器電路圖）圖3.1偽隨機序列發(fā)生電路原理圖方案一采用普通數(shù)字邏輯單元器件產(chǎn)生，此方案所需器件多，結(jié)構(gòu)復雜。方案二我們利用Altera公司的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨓PM7128支持在系統(tǒng)可編程(ISP)功能，由強大的EDA設計軟件MAX+PlusII支持，編程、修改、調(diào)試十分方便。采用7128產(chǎn)生偽隨機序列滿足方程f(x)=1+X3+x7，此方案簡單易行，只需把編譯好的文件下載到可編程器件中即可。而且可以仿真，在編譯好文件后就可以看出自己的設計是否正確。偽隨機序列實現(xiàn)如下圖3.2：Name Value，I51.0ms 52.0ms 53.0ms圖3.2偽隨機序列電路仿真結(jié)果.測試碼發(fā)生器測試碼發(fā)生器方案一：采用數(shù)字邏輯電路。由帶預置的并入串出移位寄存器、移位

時鐘等構(gòu)成。這樣構(gòu)成復雜，且時延Ts控制較難。方案二：采用單片機做測試碼發(fā)生器可輸出多種碼型并且可以通過LED顯示出碼元速率和碼型，功能強大、使用靈活，我們采取這種方案。測試碼采用89c2051單片機生成，通過鍵盤輸入發(fā)送的測試碼和發(fā)送的信息速率,同時用LED顯示。設置完成后，單片機就會由串口不停輸出測試碼。其電路圖如下，LED驅(qū)動采用MAX7219,MAX7219是MAXIM公司生產(chǎn)的LED驅(qū)動器。該芯片只需要三根控制/數(shù)據(jù)線，采用串行移位方式輸入數(shù)據(jù)，可十分方便地控制LED。葉由tOBiM—gmmnnnnnLEDIB3EOLEDLJ?GNDTT^D-!II'2」lFI&OYiFrztvocF3DFl.7n.lFl￡^TALlPIJ^TALIPI4□NDn.?IDM心IJ-L4K7VCC葉由tOBiM—gmmnnnnnLEDIB3EOLEDLJ?GNDTT^D-!II'2」lFI&OYiFrztvocF3DFl.7n.lFl￡^TALlPIJ^TALIPI4□NDn.?IDM心IJ-L4K7VCC圖3.3測試碼發(fā)生器電路原理圖.噪聲加法電路如果基帶傳輸系統(tǒng)中無碼間干擾又無噪聲，則連接在接收端的判決電路就能無誤碼地恢復出調(diào)制器發(fā)送的已調(diào)信號。但存在噪聲時，便難保證無誤碼。我們采用一款由運算放大器構(gòu)成的加法電路。其中信號的放大倍數(shù)為1，噪聲的放大倍數(shù)為3檔，分別是1，1/3,1/5。加法電路如（圖3.4）。1倍噪聲輸入-WV口.5倍噪聲輸入-WV50kQD.3倍噪聲輸入-AAA圖3.4加法電路原理圖.簡易誤碼率測試儀及網(wǎng)絡時延測試儀這種誤碼測試儀仍然由單片機構(gòu)成。原理圖如下，首先將被測系統(tǒng)串聯(lián)接入單片機的串口，單片機將預先設定的碼型經(jīng)由串行口發(fā)送至被測系統(tǒng)，同時開始計時，再利用雙工串口接收，并與原碼型比較，計算出待測系統(tǒng)的誤碼率，同時計算出網(wǎng)絡時延。這樣與常規(guī)構(gòu)成方式相比具有碼型可變、時延可自適應等優(yōu)點。具體實現(xiàn)方法可參考后面軟件流程圖部分的相應圖表（圖4.5）。A反饋序列 圖3.5誤碼及網(wǎng)絡時延測試儀原理框圖.信道數(shù)據(jù)的糾錯編碼為了降低誤碼率，我們還在程序中加入了前向糾錯碼。前向糾錯碼使接收端不僅能在收到的信碼中發(fā)現(xiàn)有錯碼，還能夠糾正錯碼。對于二進制系統(tǒng)，如果能夠確定錯碼的位置，就能夠糾正它。這種方法不需要反向信道（傳遞重發(fā)指令），也不存在由于反復重發(fā)而延誤時間，實時性好。而且使用單片機軟件可以較簡單的實現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，由于信道特性，不存在突發(fā)干擾，所以僅使用編碼和解碼都不太復雜的循環(huán)碼就可收到較好效果。循環(huán)碼的碼組由兩部分構(gòu)成：信息位和監(jiān)督位。信息位用來傳遞本碼組的有用信息，而監(jiān)督位用來對本碼組的碼元進行差錯監(jiān)督。[7,4]碼雖然只能糾一位隨機錯碼，可是比起能糾多位錯碼的BCH碼，具有編碼解碼簡單、易于用單片機實現(xiàn)的特點。如果生成矩陣為:1000101010011100101100001011G(x)=那么，整個碼組可以由信息位生成：Ea6a5a4a3a2a1a0]=[a6a5a4a3]XG(x)o其實我們在進行編碼時可以根據(jù)矩陣乘法編制算法。G(x)可以看作是~A5H~21H\6HOBH[a6a5a4a3a2a1a0]=a6X45H+a5X27H+a4X16H+a3X0BH(其中“+”指異或，或者模2加)用高級語言描述算法(假設編碼后的數(shù)據(jù)存于變量A)：A:=0;IFa6=1THENA:=AXOR45H;IFa5=1THENA:=AXOR27H;IFa4=1THENA:=AXOR16H;IFa3=1THENA:=AXOR0BH;根據(jù)G(x)，不難求得監(jiān)督矩陣H(x):111010001110101101001H矩陣的轉(zhuǎn)置為：-g_校正子S=RX^,即有S=r6X5+r5X7+r4X6+r3X3+r2X4+r1X2+r0X1而得到S的值5、7、6、3、4、2、1分別對應于D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0位有錯，接收到的R需要相應的異或40H、20H、10H、08H、04H