摘 要...........................................................................................................................1 关键词.........................................................................................................................1
Abstract ......................................................................................................................1 Key words .................................................................................................................... 2
1 前言........................................................................................................................2 1.1 选题的目的与意义 ...................................................................................... 2 1.2 简述模拟信号与数字信号 ........................................................................... 2 2 设计任务与要求.................................................................................................... 2 2.1 设计任务 ...................................................................................................... 2 2.2 基本要求 .................................................................................................... 3 3 总体方案设计与方案论证.................................................................................... 3 3.1总体方案设计 ............................................................................................... 3 3.2 方案论证与选择 .......................................................................................... 4 3.2.1 无线传输方式的选择 ........................................................................ 4 3.2.2 模数转换 ............................................................................................ 4 4 硬件电路与软件设计的实现.............................................................................. 8 4.1 硬件电路的实现 ........................................................................................ 8 4.1.1 控制处理器外围电路 ...................................................................... 10 4.1.2 红外发射电路的实现 ...................................................................... 10 4.1.3 模数转换电路的实现 ...................................................................... 10 4.2 软件设计 .................................................................................................... 11 4.2.1 发射机软件设计 .............................................................................. 11 5 系统调试与调试中的问题.................................................................................. 12 5.1 模数转换的调试 ........................................................................................ 12 5.2 红外发射接收的调试 ................................................................................ 12 参考文献.................................................................................................................. 13 附 录........................................................................................................................ 13 附录1 发射机程序 ................................................................................ 13
模拟信号数字无线传输系统的设计
摘 要
通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统，如果我们在发送端的信息源中包括一个模/数转换装臵，在接收端包括一个数/模转换装臵，在发送端与接收端之间通过红外作为载波进行通信，则可以实现模拟信号数字无线传输。本文主要从三个方面进行设计与实现：（1）AT89S51单片机对A/D转换器的控制，从而对模拟信号进行抽样、量化、编码后转换为数字信号；（2）单片机对数字信号进行编码与38Khz红外载波调制通过红外线发射；（3）接收机接收到的调制信号经红外接收头进行解调还原数字信号，再经单片机的处理，通过D/A，以及信号的放大，最后再经过低通滤波器还原成模拟信号，从而实现模拟信号数字无线传输演示的全过程。
关键词:模拟信号数字传输；无线传输；红外通信；模数转换
Analog Digital Wireless Transmission Communication
System
Abstract
Communication system is divided into analog communication systems and digital communication systems, if we send the client's information sources include a A / D converter, the receiver includes a D / A converter, in between the transmitter and the receiver as by infrared carrier to communicate, you can transmit analog signal digital infrared communications. This article mainly focuses on three aspects: (1) AT89S51
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microcontroller on the A / D chip to control the analog signal sampling, quantization, encoded into digital signals; (2) single chip digital signal processing and modulation 38KHZ IR through infrared emission; (3) base station receives the first modulated signal by the infrared receiver to demodulate digital signal reduction by the microcontroller processing, through the D / A, and signal amplification and finally through the reduction of low-pass filter into an analog signal, in order to achieve different place communication.
Key words: Analog signal digital transmission ；wireless transmission ；infrared communication ；analog _digital conversion
1 前言
1.1 选题的目的与意义
移动通信是现代通信技术和计算机技术高度发展和紧密结合的产物。随着数字化信息技术的广泛应用，现代通讯技术正以前所未有的高速度发展着，其庞大的信息传输工程则主要依靠于数字通信技术。因此，模拟信号通过数字传输已成为当今发展的趋势。
现在很多的通信实验设备都忽视了让人清晰直观的了解信号在整个通信系统中是怎样转换和传输的，导致很多人做了通信实验后仍对信号转换传输的整个过程感到模糊。本系统从模拟信号的输入波形、模拟信号转换成数字信号再进行调制的波形、接收解调后的波形到最后接收机还原模拟信号的波形都能够清晰直观的看到，使人更加深刻的了解模拟信号数字无线传输的整个过程，达到一个演示的目的。所以，对于本选题，我觉得意义重大，有必要也有实际需要把它做出来展现给大家，让人更加直观的看到模拟信号数字无线传输的整个过程。 1.2简述模拟信号与数字信号
模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。时间上连续的模拟信号，例如连续变化的图像（电视、传真）信号等，时间上离散的模拟信号是一种抽样信号。数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点。（1） 保密性差。模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。（2）抗干扰能力弱。电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多[2]。
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数字化传输与交换的优越性主要体现在三个方面。（1）加强了通信的保密性。（2）提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成一整齐的脉冲（称为整形或再生）。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码，在电路中设臵了检验错误和纠正错误的方法，即在出现误码时，可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路。（3）可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换统一起来，可以形成一个综合数字通信网。 模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过 PCM脉码调制方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相的方法转换为模拟信号[1]。
2 设计任务与要求
2.1 设计任务
本次任务主要是完成一个模拟信号数字无线传输演示系统的设计与实现。能够用示波器观看模拟信号的输入波形、模拟信号转换成数字信号再进行调制的波形、接收解调后的波形到最后接收机还原模拟信号的波形。 2.2 基本要求
（1）设计一个发射机与一个接收机。 （2）模拟信号源输入正弦波，将输入的模拟信号转换为数字信号通过无线发送。 （3）接收机接收数字信号还原模拟信号。
3 总体方案设计与方案论证
模拟信号数字无线传输，一般需三个步骤：
(1) 把模拟信号数字化，即模数转换（A/D），将原始的模拟信号转换为时间离散和值离散的数字信号 (2) 进行数字方式传输
(3) 把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）
A/D或D/A变换的过程通常由信源编（译）码器实现，所以通常将发端的A/D变换称为信源编码（如将语音信号的数字化称为语音编码），而将收端的D/A变换称为信源译码[2]。 3.1总体方案设计
本系统分为两大模块：发射机和接收机。 本组负责发射机模块。
发射机设计框图如图3.1所示，模拟信号源输入一个正弦波给A/D转换器，A/D转换器对输入的模拟信号进行抽样、量化、编码后转换为数字信号，控制处理器对
3
A/D转换器进行控制并将它转换的数字信号通过串口发送与38Khz红外载波进行调制通过红外线发射，调制方式为调幅。示波器1显示模拟信号源输出的波形，示波器2显示发射机发射的调制波。
图3.1 发射机设计框图
3.2 方案论证与选择 3.2.1 无线传输方式的选择
方案一：采用无线数据传输模块如PTR2000。PTR2000无线数据传输模块是一
种超小型、低功耗、高速率的无线数据传输模块。无线数据传输模块的性能优异，其显着特点是所需外围器件少，因而设计十分方便，模块在内部集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制/解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能，是目前集成度较高的无线数据传输产品。无线数据收发模块PTR2000采用抗干扰能力强的FSK调制/解调方式，其工作频率稳定可靠、外围组件少，功耗极低且便于设计生产，这些优异特性使得PTR2000非常适用于便携及手持产品。
方案二：采用红外传输方式[4]。此方案不仅体积小、成本低，而且在不需要增大发射功率的条件下能够工作在环境比较恶劣的现场或野外。红外通信的基本原理是利用940nm 近红外波段的红外线作为信息的载体，将二进制信号调制为若干脉冲信号，最后驱动红外线发射组件(如红外发光二极管) 发射红外信号。红外接收端收到红外脉冲信号后，将红外信号转换为电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。红外信号的调制方法比较常用的有两种:通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法。38Khz由晶振产生与基带信号进行调制通过红外发射出去，接收部分选用接收头HS0038[5]。 此两种方案对于本系统都可以，考虑到成本，本系统采用方案二。 3.2.2 模数转换
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模数转换器对输入的模拟信号进行抽样、量化、编码后转换为数字信号。 （1）抽样定理[2]
抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输按抽样定理得到的抽样值。因此，抽样定理为模拟信号的数字传输奠定了理论基础。
低通信号抽样定理：设一个连续模拟信号m(t)中的最高频率﹤Hf,则以间隔时间为1/2H T fm(t)将被这 些抽样值所完全确定。现用 表示此抽样信号序列，故有 ，波形如图3.2所示
图3.2 抽样过程
定理的意义：一个连续信号具有的无限个点的信号值，可由可数个点的信号值描述，从而可以实现数字化表示。抽样越密，可能的失真程度越低。实际系统中，采取 以避免失真。例如：语音信号带宽3300Hz，通常采取的抽样频率为8Khz。
（2）抽样信号的量化。
模拟信号抽样后变成在时间上离散的信号，但仍是模拟信号。这个抽样信号必须经过量化才成为数字信号。利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。
设模拟信号的抽样值为m(kT)，其中T是抽样周期，k是整数。此抽样值仍然是一个取值连续的变量，即它可以有无数个可能的连续取值。若我们仅用N个二进制数字码元来代表此抽样值的大小，则N个二进制码元只能代表 个不同的抽样值。因此，必须将抽样值的范围划分成M个区间，每个区间用一个电平表示。这样，共有M个离散电平，他们称为量化电平。用这M个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化。在图3.4中给出了一个量化过程的例子，图中，m(kT)表示模拟信号抽样值， 表示量化后的量化信号值， 是量化后信号的6个可能输出电平， 为量化区间的端点。这样我们可以写出一般公式：
当 （3.1）
5
按照公式(3.1)作变换，就把模拟抽样信号m(kT)变换成了量化后的离散抽样信号，即量化信号。
图3.4 量化过程
量化方式有两种：均匀量化与非均匀量化。
把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点。若设输入信号的最小值和最大值分别用a 和b 表示,量化电平数为 N ，则均匀量化时的量化间隔为：
（3.2） 均匀量化的不足之处在于：量化信噪比随信号电平的减小而下降。产生这一现象的原因是均匀量化的量化间隔∆是一个固定值，而量化噪声功率固定不变。这样，小信号时的量化信噪比难以达到既定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号的取值范围定义为信号的动态范围。可见，采用均匀量化时，输入信号的动态范围将受到较大的限制。解决的方法是采用非均匀量化。
非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号x 先进行压缩处理，再把压缩的信号y 进行均匀量化。所谓压缩器就是一个非线性变换电路，压缩器的入出关系表示为：
（3.3） 接收端采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复x。压缩特性的选取与信号的统计特性有关。具有不同概率分布的信号应该有其对应的最佳压缩特性使得量化噪声达到最小。实际上需要考虑压缩特性电路实现的易行性和稳定性。对数函数、指数函数、双曲线函数等都是一些可能的特性函数。
目前广泛采用的两种对数压扩特性是µ律压扩和A律压扩。美国采用µ 律压扩，我国和欧洲各国均采用A 律压扩。
µ 律压缩特性：压缩器的入出关系表示为：
（3.4）
x 为归一化输入，y 为归一化输出（归一化是指信号电压与信号最大电压之比，归一化后的最大值为1）。
A 律压缩特性：压缩器的入出关系表示为：
（3.5）
6
（3.6）
其中（3.6）是A 律的主要表达式，但它当x=0时，y→−∞，不能满足对压缩特性的要求，所以当x很小时应对它加以修正，即过零点作切线，这就是式(3.5)。式(3.5)是一个线性方程，对应国际标准取值A=87.6。A为压扩参数，A=1时无压缩，A值越大压缩效果越明显。 （3）编码方案。
量化后的信号，已经是取值离散的数字信号。下一步的问题的如何将这个数字信号编码。最常用的编码是用二进制的符号，例如‘0’和‘1’，表示离散数值。通常把从模拟信号抽样、量化，直到变换成为二进制符号的基本过程，称为脉冲编码调制。在脉冲编码调制中常用的二进制码型有三种：自然二进码、折叠二进码和格雷二进码。
自然二进码NBC就是一般的十进制正整数的二进制表示，编码简单、易记，而且译码可以逐比特独立进行。
折叠二进码FBC是一种符号幅度码。左边第一位表示信号的极性，用‘1’与‘0’分别表示信号的正与负；第二位至最后一位表示信号的幅度，由于正、负绝对值相同时，折叠码的上半部分与下半部分相对零电平对称折叠，故名折叠码，且其幅度码从小到大按自然二进码规则编码。FBC适合于双极性信号的表示。
格雷码RBC 格雷码的特点是任何相邻电平的码组，只有一位码位发生变化，即相邻码字的距离恒为1。译码时，若传输或判决有误，量化电平的误差小。另外，这种码除极性码外，当正、负极性信号的绝对值相等时，其幅度码相同，故又称反射二进码。
如图3.5中所示为自然二进码，模拟信号的抽样值为3.15，3.96，5.00，6.38，6.80和6.42。若按照‚四舍五入‛的原则量化为整数值，则抽样值量化后变为3,4,5,6,7和6。在按照二进制数编码后，量化值就变成二进制符号：011,100,101,110,111和110。
图3.5 二进制编码
三种编码方式都适合此次设计，本系统选用自然二进码进行编码。 模数转换选用ADC0809芯片。如图3.6所示，ADC0809 是8位逐次逼近型A/D
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转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
图3.6 ADC0809内部结构图
ADC0809的工作频率范围为10Khz~1280Khz, ADC0809的时钟频率500Khz由SN74HC74N芯片提供。当频率范围为500KHZ 时，其转换时间t1=128us。系统的采样时间：
（3.7）
其中t2为单片机串口发送一串8bit数据的时间，当波特率设臵为1.2kbit/s时,
,由公式（3.7）知，采样时间Ts=6.638ms，则抽样频率fs=150.65Hz。故当输入10Hz的正弦波信号时，由抽样定理知，系统能够无失真的还原出模拟信号。
模拟信号的幅值范围为0V-5V，ADC0809为8位数据输出，量化范围为0-255，故量化误差为5/255，即0.0196V。
4 硬件电路与软件设计的实现
硬件电路主要由控制处理器外围电路、红外发射电路、红外接收电路、模数转换电路、数模转换电路、滤波电路组成。软件设计主要由接收机软件设计、发射机软件设计组成。本组负责硬件电路控制处理器外围电路、红外发射电路、模数转换电路，发射机软件设计。 4.1 硬件电路的实现
如图4.1所示为发射机原理图，主要包括单片机最小系统、红外发射电路和模数转换电路。
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图4.1 发射机原理图
下面就发射机各个模块原理进行分析。
4.1.1 控制处理器外围电路
如图4.2所示，控制器为单片机AT89S51，它的外围电路主要由复位电路、晶振电路组成。
图4.2单片机最小系统
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4.1.2 红外发射电路的实现
如图4.3所示，此电路为38Khz红外载波产生与基带信号的调制电路，红外发射是将数据信号（二进制脉冲码）调制在38Khz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去的。
图4.3 红外发射电路
4.1.3 模数转换电路的实现
如图4.4所示，模拟信号从ADC0809的IN0端口输入，当输入的模拟电压为+5V时，输出对应255，ADC0809的数据输出公式为：
（4.1） 其中Vin为输入模拟电压，Dout为输出数据。
ADC0809的工作频范围为10Khz-1280Khz,当频率范围为500Khz 时，其转换速度为128us，ADC0809时钟频率500Khz由SN74HC74N芯片提供，从CLK端口输出。
图4.4 模数转换电路
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4.2 软件设计
系统软件设计主要包括两个部分：发射机软件设计和接收机软件设计。 4.2.1发射机软件设计
发射机软件设计如图4.10所示，包括两部分:ADC0809数据采集与单片机串口[3]发送采集的数据。单片机串口初始化，波特率设臵为1.2Kbit/s。
图4.10 发射机程序流程图
ADC0809软件设计流程图根据它的时序图进行，流程图如图4.11所示：
图4.11 模数转换程序流程图
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5 系统调试
系统调试分为三部分：（1）模数转换的调试（2）红外接收发射的调试 5.1 模数转换的调试
用排线连接ADC0809的输出数据口到单片机的I/O，在ADC0809的模拟输入端输入一个直流电压（0V-5V）时，将ADC0809转换的数据送到液晶显示器上显示，看与模拟量量化值是否接近，然后改变直流电压，再看液晶显示器显示的数据与模拟量量化值是否接近。用来测试模数转换这部分是否正常。 5.2 红外发射接收的调试
用示波器看38khz的晶振是否起振，若起振，首先用单片机一直发送‘1’，用示波器看红外发射头端的波形是否为38khz，若正常，则红外发射部分正常。然后，用单片机串口发送端连续发送一个数值一定的值，接收机接收HS0038头将收到的数据送到单片机的串口接收端，然后用液晶显示显示收到的数值，比较这两个数据是否相同。相等则红外接收部分正常。
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参考文献
[1] 程佩青.数字信号处理教程(第三版)[M].清华大学出版社。 [2] 樊昌信.通信原理(第六版) [M].国防工业出版社。
[3] 唐文运.用于串行通信的红外传输系统的设计.电子技术应用。 [4] 周新.红外线通信技术概述。
[5] 石顺样 过巳吉.光电子技术及其应用(第一版) [M].成都:电子科技大学。
附 录
附录1 发射机程序
模拟信号转换数字基带信号通过38Khz红外载波发射程序： #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar Analog_Data=0;//模拟信号转换的数字量 sbit START=P0^0; sbit EOC=P0^1; sbit OE=P0^2; sbit ALE=P0^3; sbit lcdrs=P0^5; sbit lcdrw=P0^6; sbit lcden=P0^7; void main() { TMOD=0x20;//定时器T1选择工作方式2 TH1=0xe8;//波特率设臵为1.2K TL1=0xe8; ET1=0; //定时器1内部中断不允许 TR1=1; //开启定时器1 SM0=0;//串口选择模式1 SM1=1; while(1) { ALE=0; START=0; ALE=1; 13 START=1; ALE=0; START=0; while(!EOC);//等待ADC0832数据转化完成 EOC=1; Analog_Data=P1; SBUF=Analog_Data; while(!TI); TI=0; } 14 } 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容