数据采集与处理

数据采集与传输系统

摘要

该数据采集与传输系统以89C51及89C2051为核心，由数据采集模块、调制解调模块、模拟信道、测试码发生器、噪声模拟器、结果显示模块等构成。在本方案中仅使用通用元器件就较好的实现了题目要求的各项指标。其中调制解调模块、噪声模拟器分别采用单片机和可编程逻辑器件实现。本数据采集与传输系统既可对8路数据进行轮检，也可设置为对一路数据单独监控。本系统硬件设计应用了EDA 工具，软件设计采用了模块化的编程方法。传输码元速率为16kHz～48kHz的二进制数据流。另外，还使用了“1”：“01”、“0”：“10”的Manchester编码方法使数据流的数据位减少,从而提高传输速率。

一、方案设计与论证

首先，我们分析一下信道与信噪比情况。本题中码元传输速率为16k波特，而信号被限定在30k～50kHz的范围内，属于典型的窄带高速率数字通信。而信噪比情况相对较好。这是因为信号带宽仅为20kHz，而噪声近似为0～43kHz（145%

）的窄带白噪声，这样即

Ts

使在信号和噪声幅度比值为1：1的情况下，带内的噪声功率仍然比较小，所以系统具有较高的信噪比。

方案一：

常用的数字调制系统有：ASK、FSK、PSK等。其中FSK具有较强的抗干扰能力，但其要求的的带宽最宽，频带利用率最低，所以首先排除。ASK理论上虽然可行，但在本题目中，由于一个码元内只包括约两个周期的载波，所以采用包络检波法难以解调，也不可行。另外，对于本题目，还可以考虑采用基带编码的方法进行传输，如HDB3码，但这种编码方法其抗干扰能力较差，因此也不太适合。

方案二：

PSK调制方式具有较强的抗干扰能力，同时其调制带宽相对也比

较窄，因此我们考虑采用这种调制方式。为了简化系统，在实际实现时，我们采用了方波作为载波的PSK调制方式。当要求的数据传输速率较低（≤24kbps）时，对原始数据处理的方法如下：“1”用“1010”（0相位两个周期的方波）表示；

“0”用“0101”（π相位两个周期的方波）表示。

上述调制方法能传输的最大码元速率为24kbps，当要求的数据传输速率大于24kbps时，对原始数据处理的方法如下：

“1”用“10”（0相位一个周期的方波）表示；

“0”用“01”（π相位一个周期的方波）表示。

同时我们为了避免PSK调制方式复杂的载波提取电路的设计，在具体设计时采用了异步传输和软件解调相结合的解调方法，即：首先利用异步传输的起始位，确定数据的初始相位，避免了PSK解调时相位的随机性；然后利用简单的软件判决进行数据的解调。这样做有以下优点：

1、只使用两个电平，有足够的定位信息，直流漂移较小。

2、信号频谱的主要部分在30k～50kHz的通带范围内，利于传输。

3、实现方法简单，避免了PSK解调时复杂的载波提取和位同步提取电路。

4、在数据速率较低时，系统具有一定的纠错能力。例如当收到1110时可判为1（1010），当收到0111时可判为0（0101）。本系统通过软件加入了自动纠错，能纠正码距为1的误码。

5、系统具有比较宽的数据传输范围：16kbps～48kbps。虽然在高端和低端传输速率时，已调信号的带宽已超出了信道的3dB带宽的范围，但由于已调信号的大部分能量仍然在信道的带宽范围之内，而信道噪声又比较小，所以对于正确解调影响不大。

在具体实现上采用单片机完成调制与解调，通信采用单片机间的串行通信来完成。这样做的好处是：

1、采用单片机串口通信，便于同步，定位方便。

2、单片机本身对于串行信号具有多次抽判的功能。

3、单片机可对接收到的1010四位序列进行软件判决，提高系统的抗噪性能。

4、系统可升级性好，可以根据需要，进行纠错编码。当信道条件改变时也能较快适应。

系统原理框图如下

图1.1 系统原理框图

二、系统实现及理论分析

1．带通滤波器模块

带通滤波器N 阶全极点传递函数近似式如上式，可看出带通滤波器的传递函数是由低通滤波器的传递函数变换而来的。四阶带通滤波器可由低通滤波器和高通滤波器级连而成，因此可以把一个截止频率为30KHZ 的高通滤波器和一个截止频率为50KHZ 的低通滤波器级联起来，采用切比雪夫型高低通滤波器级联，经计算中心频率约为40KHZ 。

切比雪夫型低通滤波器其幅频公式如下：

()H j ω=

e 和K 1为常数C n 为N 阶切比雪夫型多项表达式，ωc 为截止频率。N 增加则波纹系数增加。

将低通滤波器传递函数的s 换为1/s 即可得到高通滤波器的传递函数。

滤波器采用归一化设计，求出归一化系数后查表得到所需阻容参数。为此我们用VB 编写了一个滤波器快速设计软件，只要填入频率值和所选电容值就可得出其他电路参数。

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1110n n S n S Bs

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