一種水下數(shù)字通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計

時間：2022-10-05 18:27:11 通信工程畢業(yè)論文我要投稿

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　　一種水下數(shù)字通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計【1】

　　摘要針對水下通信及甚低頻工作的特點，本文根據(jù)水下電流場通信的原理和系統(tǒng)設(shè)計中的一些參數(shù)，選擇合適的芯片，在此基礎(chǔ)上完成了一種水下數(shù)字通信系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。

　　【關(guān)鍵詞】水下通信數(shù)字通信硬件設(shè)計

　　1 系統(tǒng)組成和總體框圖

　　正如一般的數(shù)字通信系統(tǒng)，水下數(shù)字通信系統(tǒng)也包括發(fā)射系統(tǒng)、信道和接收系統(tǒng)三個部分，整個系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

　　發(fā)射系統(tǒng)的主要任務(wù)是把原始話音信號轉(zhuǎn)變成電信號送入A/D，A/D對輸入的模擬信號進行采樣量化，然后輸入到AMBE-2000進行壓縮編碼，形成低碼率的數(shù)字信號，調(diào)制部分是根據(jù)海水信道的特點和要求把壓縮編碼后的數(shù)字信號以適當?shù)姆绞秸{(diào)制到一定頻率的載波上，最后送往發(fā)射機，經(jīng)天線發(fā)送出去。

　　接收系統(tǒng)對信號的處理過程基本與發(fā)射系統(tǒng)一一對應(yīng)，是一個相反的過程，主要包括接收信號的預(yù)處理放大、濾波、自增益控制、信號的解調(diào)，然后輸入到AMBE-2000進行解壓縮，D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后重建原始語音信號。

　　2 AD73311芯片與AMBE-2000芯片連接電路的設(shè)計

　　2.1 聲碼器芯片的特點

　　系統(tǒng)設(shè)計時，為了獲得最好的通信效果，則信號的載波頻率最好選在甚低頻段，這樣就使得通信帶寬變得比較窄。

　　而要保證水下通話的語音質(zhì)量，就要求對語音進行A/D變換時盡量提高采樣數(shù)據(jù)，如此一來，較高的語音采樣和有限的帶寬就成一對矛盾因素。

　　為了解決以上問題，本方案考慮使用聲碼器芯片對采樣后的語音數(shù)據(jù)進行進一步的壓縮編碼，減小信息的冗余度，降低傳輸比特率或存儲空間。

　　聲碼器芯片考慮選用美國DVSI(Digital Voice System Inc)公司的AMBE-2000。

　　這是一款適應(yīng)性強、高性能、單芯片的語音壓縮編解碼器，它能在低速率下提供優(yōu)良的語音質(zhì)量。

　　AMBE-2000的主要參數(shù)和特點如下：

　　(1)具有高品質(zhì)的語音質(zhì)量，抗比特錯誤和背景噪聲;

　　(2)低成本，無需外部存儲器;

　　(3)壓縮數(shù)據(jù)速率為2.0kbps～9.6kbps，可軟件調(diào)節(jié);

　　(4)糾錯速率范圍為50bps～7.2kbps;

　　(5)具有VAD/CNI功能;

　　(6)具有DTMF信號檢測和產(chǎn)生功能;

　　(7)低功耗(3.3V供電時，功率僅65mW;休眠式時僅0.11mW);

　　(8)工作溫度范圍：-40℃～+100℃;

　　(9)具有語音激活檢測和舒適噪聲插入功能;

　　(10)16ms的回音消除模功能;

　　(11)雙音多頻的檢測和產(chǎn)生;

　　(12)最小的算法處理延遲。

　　AMBE-2000可以看作由兩個獨立的單元組成：編碼器和解碼器。

　　編碼器接收語音采樣數(shù)據(jù)流(16位線性、8位A律、8位μ律)，對其進行壓縮編碼，在給定的速率下，輸出信道數(shù)據(jù)。

　　相反，解碼器接收信道數(shù)據(jù)流，然后合成語音數(shù)據(jù)流。

　　編碼器和解碼器的時序是完全異步的。

　　芯片基本工作原理如圖2。

　　2.2 AD/DA芯片的特點

　　AD芯片選用的是AD公司推出的16位線性AD芯片AD73311，該芯片與聲碼器芯片AMBE-2000連接方便，是一款低成本，低功耗的通用模擬前端。

　　可同時完成兩路信號的轉(zhuǎn)換，一路為模/數(shù)轉(zhuǎn)換，一路為數(shù)/模轉(zhuǎn)換。

　　采樣頻率和輸入輸出增益均可通過編程來改變，并且可以同時允許8個芯片的級聯(lián)。

　　目前，該芯片廣泛應(yīng)用于語音信號處理、無線個人通信、電話以及數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域中。

　　該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　從結(jié)構(gòu)圖可以看出，AD73311由輸入可編程增益放大器、模擬Σ-Δ調(diào)制器、抗混疊數(shù)字濾波抽取器、反鏡像數(shù)字濾波內(nèi)插器、數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器、1bit數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電容低通濾波器、連續(xù)時間低通濾波器和輸出可編程增益放大器等部分組成。

　　AD73311通過串行口與處理器接口，傳送的是16位數(shù)據(jù)。

　　在發(fā)送和接收模式時，數(shù)據(jù)都是以串行時鐘速率(SCLK)來傳送的。

　　由于串口的輸入和輸出采用了一個共同的串行寄存器，因此，AD73311與主處理器之間的通信都是由編解碼自身發(fā)起，這樣可以有效避免被送往編解碼器的信息被編解碼ADC的輸出值所破壞。

　　AD73311有五種工作模式，分別為：程序模式、數(shù)據(jù)模式、混合模式、模擬環(huán)路模式、數(shù)字環(huán)路模式。

　　其中前三種是正常的工作模式，后兩種是調(diào)試模式，僅在調(diào)試時使用。

　　五種工作模式由內(nèi)部的控制寄存器A中的四位(CRA：0～3)控制。

　　程序模式：AD73311啟動或重置后即工作于程序模式，此時AD73311串行口輸入的數(shù)據(jù)將作為命令字以初始化內(nèi)部控制寄存器組，之后AD73311根據(jù)初始化命令字進入相應(yīng)的工作模式，在此之前AD73311串行口輸出的碼字是無效的。

　　數(shù)據(jù)模式：此時AD73311串行口輸出的是A/D轉(zhuǎn)換的16位數(shù)據(jù)，輸入的是D/A轉(zhuǎn)換的16位數(shù)據(jù)。

　　AD73311一旦進入數(shù)據(jù)模式，就不能再得到控制信息，所以就永遠處于這一模式，除非重啟動。

　　這時硬件上可采用發(fā)送接收幀同步信號同步方式。

　　混合模式：此時16位碼字可能是控制字，也可能是數(shù)據(jù)。

　　碼字的最高位MSB用來標識這個碼字是控制命令字(MSB=1)還是數(shù)據(jù)(MSB=0，低15位是有效數(shù)據(jù))。

　　在混合模式下，數(shù)字信號處理器(DSP)可以根據(jù)系統(tǒng)的運行狀況適時改變AD73311的工作參數(shù)。

　　這時硬件上可采用發(fā)送接收幀同步信號異步方式，便于DSP的自主控制。

　　2.3 AD73311芯片與AMBE-2000外圍電路的設(shè)計

　　在應(yīng)用AMBE-2000進行系統(tǒng)設(shè)計時，必須考慮三個問題：A/D-D/A芯片的選擇;信道接口的選擇和語音、FEC速率。

　　AD73311外圍電路的設(shè)計為：芯片的左邊為模擬輸入輸出接口，模擬輸入接口采用的是單端方式，經(jīng)麥克風(fēng)輸入的模擬語音信號較小，因此，在AD73311之前需要加一級運放。

　　AD73311輸出端的最小負載電阻為150Ω，由于使用的喇叭的電阻較小，所以在喇叭之前加一級運放作為功率放大用。

　　AD73311的右邊與AMBE-2000的數(shù)字接口，RESET為復(fù)位端，SCLK為串行時鐘輸出端;SDO、SDOF為串行數(shù)據(jù)輸出端和同步信號端;SDI、SDIF為串行數(shù)據(jù)輸入端和同步信號端;SE為串行端口使能端，MCLK為外部主頻時鐘輸入端。

　　AMBE-2000的外圍電路根據(jù)設(shè)計要求接高/低電平(注意：引腳不管接高電平，還是低電平都應(yīng)有一個獨立的10KΩ的上拉或者下拉電阻，以防止強電流通過這些引腳，損壞芯片)。

　　CODEC_SEL0(Pin84)和CODEC_SEL1(Pin85)兩個引腳需要根據(jù)選用的AD芯片進行相應(yīng)的配置。

　　在本系統(tǒng)中，選用的是16位線性AD芯片AD73311，因此，Pin84和Pin85應(yīng)配置為10B，采用硬件配置，無需進行軟件操作。

　　AD73311與AMBE-2000的連接電路采用比較常用的接法，連接關(guān)系見圖4。

　　從圖中可以看出，AD73311與AMBE-2000通過串口進行通信。

　　AD73311的數(shù)據(jù)輸入、輸出端分別與AMBE-2000編譯碼串口的編譯碼器數(shù)據(jù)發(fā)送、接收端相連。

　　AD芯片的幀同步脈沖端與聲碼器編譯碼串口的幀同步脈沖端相連。

　　AD芯片的串口時鐘端SCLK與聲碼器編譯碼串口的數(shù)據(jù)傳輸時鐘相連。

　　串口的幀同步脈沖和時鐘信號由AD73311提供。

　　主時鐘由晶振芯片產(chǎn)生，頻率為16.384MHz。

　　3 AT89S52控制單元的設(shè)計

　　AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。

　　另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。

　　空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。

　　掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。

　　AT89S52新增的這些功能，將使單片機在工作過程中具備更高的穩(wěn)定性和電磁抗干擾性。

　　因此，AT89S52作為水下數(shù)字通信系統(tǒng)的主控芯片，可以滿足控制、處理信息的要求。

　　而且，從經(jīng)濟性的角度來看，AT89S52不但硬件結(jié)構(gòu)簡單，而且價格低、功能強，性價比高。

　　4 2ASK調(diào)制、解調(diào)電路的設(shè)計

　　調(diào)制電路的設(shè)計采用二進制振幅鍵控方式(2ASK)，其某一種符號用(“1”或“0”)用有沒有電壓來表示。

　　要想實現(xiàn)該調(diào)制方式，就需要采用數(shù)字鍵控法，通過一個開關(guān)電路(即HEF4066芯片組成)實現(xiàn)，如圖5。

　　其中，載波信號由單片機的P1.0口提供，而數(shù)字信號通過單片機的串口輸出，通過4066這個開關(guān)電路，輸出2ASK信號。

　　數(shù)字信號起到一個控制開關(guān)電路的作用，信號為“1”時，開關(guān)打開，載波信號能夠通過，而數(shù)字信號為“0”時，開關(guān)關(guān)閉，載波不能通過。

　　因此，數(shù)字信號可以用載波信號的有無來表示。

　　ASK解調(diào)電路主要由包絡(luò)檢波電路、LC濾波電路、LM324電路組成、4011整形電路組成，如圖6。

　　2ASK信號的解調(diào)就是將載波信號的有無變成相應(yīng)的二進制碼元“1”和“0”。

　　在解調(diào)時，2ASK信號先經(jīng)過包絡(luò)檢波解調(diào)出數(shù)字信號，再經(jīng)過濾波和放大電路，輸出的信號送入4011比較器進行比較，當輸入信號幅度大于比較電平時，比較電路輸出一個邏輯高電平“1”。

　　信號幅度小于比較電平時，比較電路輸出一個邏輯低電平“0”，即通過整形電路變成單片機可以識別的方波信號，解調(diào)主要通過硬件的方法實現(xiàn)。

　　二極管峰值包絡(luò)檢波器有二極管D5和R79、C27低通濾波器組成。

　　在大信號檢波時(一般大于0.5V)，二極管處于受控的開關(guān)狀態(tài)。

　　在設(shè)計過程中要注意R、C的值要選擇得恰當，過大過小都可能引起電路的不正常工作。

　　5 結(jié)論

　　水下數(shù)字通信系統(tǒng)的硬件是由AD、DA、聲碼器、單片機、濾波電路、AGC電路、放大電路和調(diào)制解調(diào)電路等組成。

　　各個模塊根據(jù)芯片的性能參數(shù)進行了選擇，并設(shè)計了各個芯片的外圍電路。

　　具體功能為：AD73311主要完成模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換;AMBE-2000聲碼器對數(shù)字數(shù)據(jù)進行壓縮及解壓縮;單片機提供時鐘，并對數(shù)據(jù)進行處理和控制;濾波電路選用帶通濾波;AGC電路能夠保證電路的穩(wěn)定;放大電路包括低噪聲放大電路、功率放大電路和運放電路;調(diào)制采用2ASK，解調(diào)采用包絡(luò)檢波。

　　參考文獻

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　　[3]陳明等著.聲表面波傳感器[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997(11).

　　一種通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計【2】

　　【摘要】通信電源是通信設(shè)備的“心臟”。

　　本文設(shè)計的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)能監(jiān)視通信電源設(shè)備，在正常工作狀態(tài)時能顯示參數(shù)及波形，有故障時能自動診斷、顯示出電源故障點或異常部位，并能自動發(fā)出報警和驅(qū)動控制機構(gòu)動作來保護通信電源及其它設(shè)備。

　　【關(guān)鍵詞】監(jiān)控系統(tǒng);交流配電單元;數(shù)據(jù)采集

　　隨著通信事業(yè)的飛速發(fā)展、通信設(shè)備的不斷更新，現(xiàn)代通信對通信電源的要求也越來越高。

　　通信設(shè)備對電源系統(tǒng)的一般要求是：可靠、穩(wěn)定、小型、高效率。

　　為了保證通信電源的正常運行，對電源的監(jiān)控尤為重要。

　　設(shè)計一款經(jīng)濟、實用、耐用的電源監(jiān)控系統(tǒng)則為本文希望達到的目的。

　　一、通信電源框架結(jié)構(gòu)及總體設(shè)計要求

　　一個完整的組合通信電源系統(tǒng)(框圖如圖1)包括五個基本組成部分，分別是交流配電單元、整流部分、直流配電單元、蓄電池組、監(jiān)控系統(tǒng)。

　　電源監(jiān)控系統(tǒng)以多級自下而上逐級匯接的方式構(gòu)成。

　　每個監(jiān)控級一般按輻射方式與若干下級監(jiān)控級連接成一點對多點的監(jiān)控系統(tǒng)，最低一級為設(shè)備監(jiān)控單元(監(jiān)控模塊)與其監(jiān)控的若干設(shè)備的連接。

　　組合電源系統(tǒng)中的設(shè)備監(jiān)控單元就是通常說的監(jiān)控模塊。

　　監(jiān)控模塊通過RS485總線對各個被監(jiān)控部分(包括整流模塊、交、直流配電部分、蓄電池，有些還包括一些環(huán)境量)進行控制，控制液晶的顯示，接受鍵盤的操作，并與后臺監(jiān)控系統(tǒng)或遠端監(jiān)控中心進行通訊，實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

　　有些開關(guān)整流器內(nèi)部具有獨立的監(jiān)控單元，完成對整流器的參數(shù)檢測與控制、液晶顯示和與監(jiān)控模塊的信息傳遞等。

　　通信系統(tǒng)的監(jiān)控部分結(jié)構(gòu)基本如圖2所示。

　　二、交流配電單元監(jiān)控硬件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

　　由于在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有很多信號要被處理，這里我們以交流配電單元的輸入電壓為設(shè)計對象，分析對其如何進行采集處理。

　　1. 交流配電單元數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計方案

　　1)幾個參數(shù)的確定。

　　采樣周期為Ts<=1/2fc=1/2*50=10ms;分辨率大約為10/28=38mv;采用8位的A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809，則其轉(zhuǎn)換所需時間典型值為100us，此時所需的外部時鐘頻率為640Hz;轉(zhuǎn)換速率為1/100us，;采用AD528采樣保持器，捕捉時間6us，則采集時間=設(shè)定時間+捕捉時間，約為2ms;數(shù)據(jù)輸出緩沖采用ADC0809芯片來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能。

　　該芯片可直接與CPU數(shù)據(jù)總線相接。

　　在A/D轉(zhuǎn)換期間，三態(tài)緩沖器未打開，A/D轉(zhuǎn)換器輸出呈高阻抗狀態(tài);當A/D轉(zhuǎn)換完畢，用CPU發(fā)出的控制信號打開三態(tài)門緩沖器，使被轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線上。

　　2)A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間的數(shù)據(jù)通信。

　　A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間通信采用中斷方式。

　　在此方式下，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換信號(EOC)送到CPU的中斷輸入線上，向CPU申請，CPU響應(yīng)中斷后，在中斷服務(wù)程序中讀取A/D輸出的數(shù)據(jù)。

　　ADC0809的數(shù)據(jù)輸出格式為并行(8位)輸出。

　　在中斷方式下，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時EOC發(fā)出一脈沖向單片機提出中斷請求，單片機響應(yīng)，并執(zhí)行外部中斷1的中斷服務(wù)程序讀A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，同時啟動ADC0809的下一次轉(zhuǎn)換。

　　3)交流配電監(jiān)控系統(tǒng)中的抗干擾處理

　　在設(shè)計數(shù)據(jù)采集通道以及信號傳輸時，考慮到可能存在的干擾對通道造成的影響，在本系統(tǒng)中，采取了多種抗干擾的措施。

　　a.利用光電耦合器實現(xiàn)微機控制電路與前面的設(shè)備之間的電氣隔離，使控制電路中的核心部分能正�？煽康墓ぷ�。

　　采用光電耦合器后能有效抑制尖峰脈沖及噪聲干擾，從而提高通道上的信噪比。

　　b.接地處理