數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

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1、第5節(jié)電子綜合設(shè)計(jì)范例4----數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)用于8路模擬信號(hào)采集與單向傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)方框圖參見下圖。2、設(shè)計(jì)要求⑴基本要求①被測電壓為8路0-5V分別可調(diào)的直流電壓。系統(tǒng)具有在發(fā)送端設(shè)定8路順序循環(huán)采集與指定某一路采集的功能。②采用8位A/D變換器。③采用3dB帶寬為30~50kHz的帶通濾波器(帶外衰減優(yōu)于35dB/十倍頻程)作為模擬信道。④調(diào)制器輸出的信號(hào)峰-峰值Vsp-p為0~1V可變,碼元速率16kbps;制作一個(gè)時(shí)鐘頻率可變的測試碼發(fā)生器(如0101…碼等),用于測試傳輸速率。⑤在接收端具有顯示功能,要求顯示被測路數(shù)和

2、被測電壓值。⑵發(fā)揮部分①設(shè)計(jì)制作一個(gè)用偽隨機(jī)碼形成的噪聲模擬發(fā)生器,偽隨機(jī)碼時(shí)鐘頻率為96kHz,周期為73127位碼元,生成多項(xiàng)式采f(x)=x+x+1。其輸出峰-峰值Vnp-p為0~lv連續(xù)可調(diào)。②設(shè)計(jì)一個(gè)加法電路,將調(diào)制器輸出Vsp-p與噪聲電壓Vnp-p相加送入模擬信道。在解調(diào)器輸入端測量信號(hào)與噪聲峰-峰值之比(Vsp-p/Vnp-p),當(dāng)其比值分別為1、3、5時(shí),進(jìn)行誤碼測試。測試方法:在8路順序循環(huán)采集模式下,監(jiān)視某一路的顯示,檢查接收數(shù)據(jù)的誤碼情況,監(jiān)視時(shí)間為lmin。③在(Vsp-p/Vnp-p)=3時(shí),盡量提高傳輸速率,用上述第(2)項(xiàng)的測試方法,檢查接收數(shù)

3、據(jù)的誤碼情況。④其他(如自制用來定量測量系統(tǒng)誤碼的簡易誤碼率測試儀,其方框圖見下圖,等等)。二、方案設(shè)計(jì)與論證首先,分析一下信道與信噪比情況。本題中碼元傳輸速率為16kbps,而信號(hào)被限定在30~50kHz的范圍內(nèi),屬于典型的窄帶高速率數(shù)字通信?;鶐盘?hào)的帶寬為Bm=16kHz,經(jīng)調(diào)制后能量主要分布在2Bm=32kHz的頻帶內(nèi)(功率譜密度的主瓣),而噪聲近似為0~43kHz×((1/Ts)×45%)的窄帶白噪聲,因此經(jīng)過帶寬僅為20kHz的信道后信號(hào)與噪聲的能量損失比較大,而且兩者大致相當(dāng)。根據(jù)香農(nóng)公式C=Blog2(1+S/N)知,信號(hào)和噪聲幅度比值為3:1時(shí),信噪比約為9

4、,信道傳輸信息的極限能力約為66.5kbit/s;幅度比值為1:1時(shí),傳輸極限能力約為40kbit/s。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(qiáng)的抗干擾能力,但其要求的帶寬最寬,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(gè)碼元內(nèi)只包括約兩個(gè)周期的載波,所以采用包絡(luò)檢波法難以解調(diào),也不可行。PSK調(diào)制方式具有較強(qiáng)的抗干擾能力,同時(shí)其調(diào)制帶寬相對(duì)也比較窄,但其調(diào)制及解調(diào)設(shè)備比較復(fù)雜,制作和調(diào)試都比較困難。特別是由于本題中載波的頻率非常低,幾乎可與基帶信號(hào)相比擬,一個(gè)碼元內(nèi)只包括約兩個(gè)周期的載波,載波的提取和跟蹤非常困

5、難,因此解調(diào)設(shè)備的制作和調(diào)試也會(huì)比較困難,短時(shí)間內(nèi)很難完成調(diào)試。方案二:根據(jù)題目的特點(diǎn),由于信道的頻帶比較窄,我們考慮對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕鶐Ь幋a處理后使它的頻率變換到信道頻帶內(nèi),從而可以直接傳輸。當(dāng)要求的數(shù)據(jù)傳輸速率較低(≤24kbps)時(shí),對(duì)原始數(shù)據(jù)模仿PSK處理(下面有具體分析),方法如下:“1”用“1010”(0相位兩個(gè)周期的方波)表示“0”用“0101”(π相位兩個(gè)周期的方波)表示其中傳輸編碼后數(shù)據(jù)的頻率為96kHz,這樣上述編碼調(diào)制方法能傳輸?shù)淖畲蟠a元速率為24kbps。當(dāng)要求的數(shù)據(jù)傳輸速率大于24kbps時(shí),對(duì)原始數(shù)據(jù)處理的方法如下:“l(fā)”用“10”(0相位一個(gè)

6、周期的方波)表示“0”用“01”(π相位一個(gè)周期的方波)表示即進(jìn)行Manchester編碼。本設(shè)計(jì)采用方案二,系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)原理框圖三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及理論分析1、帶通濾波器模塊四階帶通濾波器可由低通濾波器和高通濾波器級(jí)聯(lián)而成,因此可以把一個(gè)截止頻率為30kHz的高通濾波器和一個(gè)截止頻率為50kHz的低通濾波器級(jí)聯(lián)起來,采用切比雪夫型高低通濾波器級(jí)聯(lián),經(jīng)計(jì)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:KH()jw=122()1+eCw/wnc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)。最后設(shè)計(jì)出的帶通濾波器通過EWB模擬得到的

7、頻譜響應(yīng)如圖2所示。從圖中所示的相頻特性可以看出,濾波器在30~50kHz處的相移基本上為線性,因此具有良好的群時(shí)延特性,信號(hào)通過該信道后不會(huì)有過多的相位失真,這對(duì)本系統(tǒng)所采用方案中的正確解調(diào)是非常重要的。圖2帶通濾波器的頻譜響應(yīng)2、數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊采用AD0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器和89C51控制數(shù)據(jù)采集。AD0809為8位8通道輸入的A/D變換器,滿足題目所提出的精度和速度要求。由單片機(jī)控制進(jìn)行順序循環(huán)采集或是指定通道采集。電路如圖3所示。圖3數(shù)據(jù)采集模塊電路圖4調(diào)制解調(diào)模塊電路圖5采集結(jié)果顯示模塊

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