一種水下數字通信系統的硬件設計

時間：2025-12-16 14:32:37 通信工程畢業論文

一種水下數字通信系統的硬件設計

　　一種水下數字通信系統的硬件設計【1】

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

　　【關鍵詞】水下通信數字通信硬件設計

　　1 系統組成和總體框圖

　　正如一般的數字通信系統，水下數字通信系統也包括發射系統、信道和接收系統三個部分，整個系統的總體框圖如圖1所示。

　　發射系統的主要任務是把原始話音信號轉變成電信號送入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，形成低碼率的數字信號，調制部分是根據海水信道的特點和要求把壓縮編碼后的數字信號以適當的方式調制到一定頻率的載波上，最后送往發射機，經天線發送出去。

　　接收系統對信號的處理過程基本與發射系統一一對應，是一個相反的過程，主要包括接收信號的預處理放大、濾波、自增益控制、信號的解調，然后輸入到AMBE-2000進行解壓縮，D/A數模轉換，最后重建原始語音信號。

　　2 AD73311芯片與AMBE-2000芯片連接電路的設計

　　2.1 聲碼器芯片的特點

　　系統設計時，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量，就要求對語音進行A/D變換時盡量提高采樣數據，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據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良的語音質量。

　　AMBE-2000的主要參數和特點如下：

　　(1)具有高品質的語音質量，抗比特錯誤和背景噪聲;

　　(2)低成本，無需外部存儲器;

　　(3)壓縮數據速率為2.0kbps～9.6kbps，可軟件調節;

　　(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據流(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，輸出信道數據。

　　相反，解碼器接收信道數據流，然后合成語音數據流。

　　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換，一路為模/數轉換，一路為數/模轉換。

　　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。

　　目前，該芯片廣泛應用于語音信號處理、無線個人通信、電話以及數據通信等領域中。

　　該芯片的內部結構如圖3所示。

　　從結構圖可以看出，AD73311由輸入可編程增益放大器、模擬Σ-Δ調制器、抗混疊數字濾波抽取器、反鏡像數字濾波內插器、數字Σ-Δ調制器、1bit數/模轉換器、開關電容低通濾波器、連續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位數據。

　　在發送和接收模式時，數據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、數據模式、混合模式、模擬環路模式、數字環路模式。

　　其中前三種是正常的工作模式，后兩種是調試模式，僅在調試時使用。

　　五種工作模式由內部的控制寄存器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串行口輸入的數據將作為命令字以初始化內部控制寄存器組，之后AD73311根據初始化命令字進入相應的工作模式，在此之前AD73311串行口輸出的碼字是無效的。

　　數據模式：此時AD73311串行口輸出的是A/D轉換的16位數據，輸入的是D/A轉換的16位數據。

　　AD73311一旦進入數據模式，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，也可能是數據。

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

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

　　這時硬件上可采用發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外圍電路的設計

　　在應用AMBE-2000進行系統設計時，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，經麥克風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的數字接口，RESET為復位端，SCLK為串行時鐘輸出端;SDO、SDOF為串行數據輸出端和同步信號端;SDI、SDIF為串行數據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的外圍電路根據設計要求接高/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)兩個引腳需要根據選用的AD芯片進行相應的配置。

　　在本系統中，選用的是16位線性AD芯片AD73311，因此，Pin84和Pin85應配置為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的數據輸入、輸出端分別與AMBE-2000編譯碼串口的編譯碼器數據發送、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據傳輸時鐘相連。

　　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生，頻率為16.384MHz。

　　3 AT89S52控制單元的設計

　　AT89S52具有以下標準功能：8k字節Flash，256字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。

　　另外，AT89S52可降至0Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。

　　空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。

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

　　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定性和電磁抗干擾性。

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

　　而且，從經濟性的角度來看，AT89S52不但硬件結構簡單，而且價格低、功能強，性價比高。

　　4 2ASK調制、解調電路的設計

　　調制電路的設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。

　　要想實現該調制方式，就需要采用數字鍵控法，通過一個開關電路(即HEF4066芯片組成)實現，如圖5。

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

　　數字信號起到一個控制開關電路的作用，信號為“1”時，開關打開，載波信號能夠通過，而數字信號為“0”時，開關關閉，載波不能通過。

　　因此，數字信號可以用載波信號的有無來表示。

　　ASK解調電路主要由包絡檢波電路、LC濾波電路、LM324電路組成、4011整形電路組成，如圖6。

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

　　在解調時，2ASK信號先經過包絡檢波解調出數字信號，再經過濾波和放大電路，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，解調主要通過硬件的方法實現。

　　二極管峰值包絡檢波器有二極管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狀態。

　　在設計過程中要注意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 結論

　　水下數字通信系統的硬件是由AD、DA、聲碼器、單片機、濾波電路、AGC電路、放大電路和調制解調電路等組成。

　　各個模塊根據芯片的性能參數進行了選擇，并設計了各個芯片的外圍電路。

　　具體功能為：AD73311主要完成模數、數模轉換;AMBE-2000聲碼器對數字數據進行壓縮及解壓縮;單片機提供時鐘，并對數據進行處理和控制;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;調制采用2ASK，解調采用包絡檢波。

　　參考文獻

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

　　一種通信電源監控系統的設計【2】

　　【摘要】通信電源是通信設備的“心臟”。

　　本文設計的通信電源監控系統能監視通信電源設備，在正常工作狀態時能顯示參數及波形，有故障時能自動診斷、顯示出電源故障點或異常部位，并能自動發出報警和驅動控制機構動作來保護通信電源及其它設備。

　　【關鍵詞】監控系統;交流配電單元;數據采集

　　隨著通信事業的飛速發展、通信設備的不斷更新，現代通信對通信電源的要求也越來越高。

　　通信設備對電源系統的一般要求是：可靠、穩定、小型、高效率。

　　為了保證通信電源的正常運行，對電源的監控尤為重要。

　　設計一款經濟、實用、耐用的電源監控系統則為本文希望達到的目的。

　　一、通信電源框架結構及總體設計要求

　　一個完整的組合通信電源系統(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、監控系統。

　　電源監控系統以多級自下而上逐級匯接的方式構成。

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

　　組合電源系統中的設備監控單元就是通常說的監控模塊。

　　監控模塊通過RS485總線對各個被監控部分(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，并與后臺監控系統或遠端監控中心進行通訊，實現遠程監控功能。

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

　　通信系統的監控部分結構基本如圖2所示。

　　二、交流配電單元監控硬件設計

　　數據采集系統組成的結構，如圖3所示。

　　由于在數據采集系統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計對象，分析對其如何進行采集處理。

　　1. 交流配電單元數據采集硬件設計方案

　　1)幾個參數的確定。

　　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轉換器芯片ADC0809，則其轉換所需時間典型值為100us，此時所需的外部時鐘頻率為640Hz;轉換速率為1/100us，;采用AD528采樣保持器，捕捉時間6us，則采集時間=設定時間+捕捉時間，約為2ms;數據輸出緩沖采用ADC0809芯片來實現A/D轉換的功能。

　　該芯片可直接與CPU數據總線相接。

　　在A/D轉換期間，三態緩沖器未打開，A/D轉換器輸出呈高阻抗狀態;當A/D轉換完畢，用CPU發出的控制信號打開三態門緩沖器，使被轉換的數據輸出到數據總線上。

　　2)A/D轉換器與CPU之間的數據通信。

　　A/D轉換器與CPU之間通信采用中斷方式。

　　在此方式下，A/D轉換器的轉換信號(EOC)送到CPU的中斷輸入線上，向CPU申請，CPU響應中斷后，在中斷服務程序中讀取A/D輸出的數據。

　　ADC0809的數據輸出格式為并行(8位)輸出。

　　在中斷方式下，當轉換結束時EOC發出一脈沖向單片機提出中斷請求，單片機響應，并執行外部中斷1的中斷服務程序讀A/D轉換的結果，同時啟動ADC0809的下一次轉換。

　　3)交流配電監控系統中的抗干擾處理

　　在設計數據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，在本系統中，采取了多種抗干擾的措施。

　　a.利用光電耦合器實現微機控制電路與前面的設備之間的電氣隔離，使控制電路中的核心部分能正常可靠的工作。

　　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