数据采集与传输系统.pdf

第5节电子综合设计范例4----数据采集与传输系统

一、设计任务与要求

1、设计任务
设计制作一个用于8路模拟信号采集与单向传输系统。系统方框图参见下图。

2、设计要求
⑴基本要求

①被测电压为8路0-5V分别可调的直流电压。系统具有在发送端设定8路顺序循环采集与
指定某一路采集的功能。

②采用8位A/D变换器。
③采用3dB带宽为30～50kHz的带通滤波器(带外衰减优于35dB/十倍频程)作为模拟信道。
④调制器输出的信号峰-峰值Vsp－p为0～1V可变，码元速率16kbps；制作一个时钟频率
可变的测试码发生器(如0101…码等)，用于测试传输速率。
⑤在接收端具有显示功能，要求显示被测路数和被测电压值。
⑵发挥部分

①设计制作一个用伪随机码形成的噪声模拟发生器，伪随机码时钟频率为96kHz，周期为
127位码元，生成多项式采f(x)=x7+x3+1。其输出峰-峰值V为0～lv连续可调。
np-p
②设计一个加法电路，将调制器输出V与噪声电压V相加送入模拟信道。在解调器输入
sp-pnp-p
端测量信号与噪声峰-峰值之比(V/V)，当其比值分别为1、3、5时，进行误码测试。测试方
sp-pnp-p
法：在8路顺序循环采集模式下，监视某一路的显示，检查接收数据的误码情况，监视时间为lmin。
③在(V/V)=3时，尽量提高传输速率，用上述第(2)项的测试方法，检查接收数据的误
sp-pnp-p
码情况。
④其他(如自制用来定量测量系统误码的简易误码率测试仪，其方框图见下图，等等)。

二、方案设计与论证

首先，分析一下信道与信噪比情况。本题中码元传输速率为16kbps，而信号被限定在30～
50kHz的范围内，属于典型的窄带高速率数字通信。基带信号的带宽为B=16kHz，经调制后能量
m
主要分布在2B=32kHz的频带内(功率谱密度的主瓣)，而噪声近似为0～43kHz×((1/T)×45％)
ms
的窄带白噪声，因此经过带宽仅为20kHz的信道后信号与噪声的能量损失比较大，而且两者大致
相当。根据香农公式＝知，信号和噪声幅度比值为3:1时，信噪比约为9，信道传
CBlog2(1+S/N)
输信息的极限能力约为66.5kbit/s；幅度比值为1:1时，传输极限能力约为40kbit/s。
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。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，但其调制及解调设备比较复杂，制
作和调试都比较困难。特别是由于本题中载波的频率非常低，几乎可与基带信号相比拟，一个码
元内只包括约两个周期的载波，载波的提取和跟踪非常困难，因此解调设备的制作和调试也会比
较困难，短时间内很难完成调试。
方案二：根据题目的特点，由于信道的频带比较窄，我们考虑对基带信号进行适当的基带编
码处理后使它的频率变换到信道频带内，从而可以直接传输。当要求的数据传输速率较低(≤24

kbps)时，对原始数据模仿PSK处理(下面有具体分析)，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

其中传输编码后数据的频率为96kHz，这样上述编码调制方法能传输的最大码元速率为24
kbps。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：
“l”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

即进行Manchester编码。
本设计采用方案二，系统的原理框图如图1所示。

图1系统原理框图
三、系统实现及理论分析

1、带通滤波器模块

四阶带通滤波器可由低通滤波器和高通滤波器级联而成，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：

K
H(jw)=1
1+e2C2(w/w)
nc
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。最后设计出的带通滤
波器通过EWB模拟得到的频谱响应如图2所示。从图中所示的相频特性可以看出，滤波器在30～
50kHz处的相移基本上为线性，因此具有良好的群时延特性，信号通过该信道后不会有过多的相
位失真，这对本系统所采用方案中的正确解调是非常重要的。

图2带通滤波器的频谱响应
2、数据采集模块

数据采集模块采用AD0809模数转换器和89C51控制数据