通信技术毕业设计（论文）光通信教学实验模块数据协议

1、宜宾职业技术学院宜宾职业技术学院 毕业论文 光通信教学实验模块光通信教学实验模块数据协议数据协议 系系 部部 电子信息工程系电子信息工程系 专专 业业 名名 称称 通信技术通信技术 班班 级级 通信通信 10911091 姓姓 名名 学学 号号 指指 导导 教教 师师 2010 年年 09 月月 14 日日 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 i 光通信教学实验模块光通信教学实验模块数据协议数据协议 摘摘 要要 本设计运用单片机的仿真系统实现信号的发送和接受，完成点对点的通信。 采用二进制数字调制对信号进行编码与解调，运用 2psk 调制方法进行二进制数 字调制与解调，并

2、利用抗噪声性能对信号进行处理。运用奇偶校验的方法进行 信道编码，以提高信号传输的可靠性。实现了光通信系统的仿真设计的目的， 达到了良好预期效果。 关键词：关键词：光通信；数据协议；二进制数字调制；奇偶校验 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 ii 目目 录录 1 1 引引 言言.1 2 2 设计目的和要求设计目的和要求.2 2.1 设计目的.2 2.2 具体要求.2 3 3 调制方案及选择调制方案及选择.3 3.1 调制技术的选择.3 3.2 纠错方式选择.4 4 4 系统框图系统框图 .6 5 5 通信协议的调制方式通信协议的调制方式.8 5.1 2psk 信号的调制.

3、8 5.2 2psk 信号的解调.8 5.3 2psk 信号的调制解调过程 .9 5.4 2psk 信号的功率谱及带宽 .9 5.5 2psk 的抗噪声性能.10 6 6 通信协议的信道编码方式通信协议的信道编码方式 .11 结束语结束语.15 致致 谢谢.16 参考文献参考文献.17 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 1 光通信教学实验模块光通信教学实验模块数据协议数据协议 1 1 引引 言言 光通信是一种以光波为传输媒质的通信方式，它具有传输频带宽、通信 容量大和抗电磁干扰能力强等优点。 利用红外线（波长 3000.76 微米）传输信息的通信方式，可传输语言、 文字

4、、数据、图像等信息，其通信容量大、保密性强、抗电磁干扰性能好， 设备结构简单，体积小、重量轻、价格低。在我们的实验模块是实现信息短 距离的传输，在实际运用中因在 大气信道中传输时易受气候影响 ,传输的距 离也就是 4000 米。我们设计的传输距离是 5 米。 红外通信是利用 950nm 近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通 信信道。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发 射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉转换成电信号，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。 一个完整的通信系统由信源、发送设备、信道、接受设备、信宿和相应的 信

5、令、协议、标准等构成。由信源输出的基带信号由于具有频率较低的频谱分 量，一般不能直接作为传输信号送到信道中去。所以，就要经过调制将基带信 号转换成适合在信道上传输的信号；在接收端同样需要相反的变换，由解调完 成。在此，采用 2psk 的编码方式对信号进行调制解调，并根据编码方式确定算 法。已调信号在传输过程中会因为干扰而产生误码，为提高通信的可靠性对信 号进行检验，发现错误。选择采用差错控制奇偶编码的方式对信号进行检验以 提高通信的可靠性。 光通信的信道容量不断增加，实现了超长距离的传输。未来光通信的发展 将是直接面向用户，将会把无线光通信引入千家万户，实现多媒体信息畅通无 阻的进入信息的高速

6、公路。 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 2 2 2 设计目的和要求设计目的和要求 2.12.1 设计目的设计目的 光通信是以光波为传输媒介的通信方式，具有传输频带宽、通信容量大和 抗电磁干扰能力强的特点。在照明的 led 上追加可视光通信功能，进行双向 通信。 因为我们制作的产品是仅仅是实验系统，用一个小系统来实现光传输。因 此，我们要实现的是光的短距离传输，利用光的低损耗实现点对点的双向通信。 在发送端首先要把传送的信息变为电信号，然后调制到光源发出的光束上，使 光的强度随电信号的幅度（频率）化而变化，并通过大气介质发送出去；在接 收端，检测器收到光信号后把它变换成

7、电信号，经解调后恢复原信息。 2.22.2 具体要求具体要求 如表 2.2.1 为此设计的具体要求 传输距离 5m 基带信号调制方式2psk 编码方式 信道编码方式奇偶监督码 纠错方式奇偶校验 信号传输形式参杂纠错码形式 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 3 3 3 调制方案及选择调制方案及选择 通信系统的性能指标是衡量一个通信系统好坏与否的标准。没有这些指标 就无法评价一个系统，也无法设计一个系统。通信的目的是为了迅速、准确的 传输信息，因此通信系统的指标主要从信息传输的有效性和可靠性两方面来考 虑。 有效性是指信息传输的效率问题，即衡量一个通信系统传输信息的多少和

8、快慢，可靠性则是指系统接收信息的准确程度。这两个指标常常是相互矛盾的， 在实际中常常依据系统的实际要求采取相对统一的方法，即在满足一定可靠性 的指标下，尽量提高信息的有效性；或者在维持有效性的情况下，尽可能提高 系统的可靠性。因此，我们就在二者相对平衡的情况下，采取调制技术和信道 编码的方式以保证信息传输的有效性和可靠性。 3.13.1 调制技术的选择调制技术的选择 方案一：二进制数字幅度调制（2ask） 。设信源发出的是由二进制符号“0” 、 “1”组成的序列，假定 0 出现的概率为 p，1 出现的概率为 1-p，它们彼此独 立。应用该二进制序列去控制一个连续的载波，使载波时有时无地输出。有

9、载 波输出时表示发送“1” ，无载波输出时表示发送“0” 。 方案二：采用二进制频率调制（2fsk） 。信息源发出的是由二进制符号“0” 、 “1”组成的序列，假定“0”出现的概率为 p， “1”出现的概率为 1-p，他们彼 此独立。则 fsk 信号便是“0”符号对应于载频 1，而“1”符号对应于载频 2。fsk 的产生有两种方法，一种是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调 频而获得如图 3.1（a）所示。另一种方法是采用键控法，即利用受矩形脉冲序 列的开关电路对两个不同的独立频率进行选通如图 3.1（b）所示。 s(t) e0(t) f1e0(t) f2 s(t) 模拟调 频器 k 宜宾职业

10、技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 4 (a) (b) 图 3.1 2fsk 信号的产生 方案三：二进制相移键控（2psk） 二进制相移键控信号的表达式时域为 s2psk(t)=s(t) cosct 其中: s(t)=nang(t ntb) an=+1，概率为 p；an=-1，概率为（1-p） 假设 g(t)是幅度为 1 宽度为 tb的矩形脉冲，则 2psk 信号可表示为 s2psk(t) =cosct 这种以载波的不同相位直接去表示相应数字信息的相移键控，被成为绝对 相移方式。 2psk 的典型波形图如图 3.2 所示。 1 0 1 1 0 0 1 s(t) s2psk(t)

11、图 3.2 2psk 信号的波形 将 2psk 和 2ask 的时域表达式相比较，形式是相同的，但它们的区别在于， 2psk 信号是双极性脉冲序列的双边带调制，而 2ask 信号是单极性脉冲序列的 双边带调制。 综合 2ask、2fsk、2psk 三种调制方式,2psk 的系统误码率最小。所以，选 择方案三二进制相移键控（2psk） 3.23.2 纠错方式选择纠错方式选择 方案一：重复码，是用于单向信道的简单纠错码。在没有反向信道的单向 系统中最简单的纠错方法就是将有用的信息按照约定的次数重复发送。只要正 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 5 确传输的次数多于传错的次数

12、，根据最大似然法则，就可以用少数服从多数的 原则排除差错，使接收端接收正确信息。 方案二：奇偶监督码，又称为奇偶检验码，它是在 n1 位信息码元后面附 加一位监督码元，构成一个 n 位的编码，使码长为 n 的码组中 1 的个数保持为 奇数或偶数。码组中 1 的个数保持为奇数称为奇校验码，保持为偶数的称为偶 校验码。 我们的实验系统采用奇偶校验码的编码方式。奇偶校验它虽存在着只能检 错不能纠错的缺点，但是，它的处理过程简单、效率较高，在出现错误的情况 下，我们可以人为在接收端重新接收。因此，信道编码选择方案二。 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 6 4 4 系统框图系统框

13、图 信源是原始基带信号，经发送设备将原始基带信号编码后，再采取调制技 术将信号转换为适合在信道中传输的信号，最后将数字信号送到信道中进行传 输。信号在信道的传输过程中由于实际信道的传输特性不尽理想以及无处不在 的加性噪声干扰，在接收端将产生误码。为提高通信的可靠性，必须的采用信 道编码，即差错控制编码，使系统的传输质量提高 12 个数量级，并滤除噪声 源。接收端的接受设备再将数字信号转换为模拟信号，经编译码还原为原始基 带信号，送至信宿，完成整个通信过程。如图 4.1 为通信系统的一般模型。 （发送端） （接收端） 图 4.1 通信系统的一般模型 数字通信中存在一些突出问题：第一，数字信号传输

14、时，信道噪声或干扰 所造成的差错，原则上是可以控制的，通过差错控制来实现，这就需要在发送 端增加一个编码器，在相应端就需要一个解码器；第二，当需要实现保密通信 时，可对数字基带信号进行认为“扰乱” （加密） ，此时在收端就必须进行解密； 第三，由于数字通信传输的是按一定节拍一个接一个传送的数字信号，因此， 接收端必须有一个与发送端相同的节拍，否则，就回因为手法不吊不一致而造 成混乱。另外，为了表达消息的内容，基带信号都是按消息特征进行编组的， 于是，在收发之间一组组的编码的规律也必须一致，否则接受消息的真正内容 将无法恢复。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步” ，而称编 组一致为

15、“群同步”或“帧同步” ，故数字通信中还必须有“同步”这个重要问 题。 信源发送设备信道接收设备信宿 噪声源 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 7 图中调制器/解调器、加密器/解密器、编码器/译码器等环节也不是在所有 通信中都会采用，这取决于设计的条件和要求。在我们的光通信实验系统中， 由于我们只是一个简单的实验模块，只是运用我们以前学习过的知识，所以在 我们的实验模块中不参杂加密与解密。 在数字通信中，传输的信号幅度是离散的，以二进制为例，信号的取值只 有两个，这样接受端就只需判别两种状态。信号在传输过程中受到噪声的干扰， 必然会使波形失真，接收端对其进行抽样判决，以

16、辨别是两种状态中的哪一个。 只要噪声的大小不足以影响判决的正确性，接收端就能正确接收。如图 4.2 为 点对点数字通信的一般模型。 图 4.2 点对点数字通信的一般模型 信 源 加 密 器 编 码 器 调 制 器 信道 解 调 器 译 码 器 解 密 器 信 宿 噪声源同 步 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 8 5 5 通信协议的调制方式通信协议的调制方式 5.15.1 2psk2psk 信号的调制信号的调制 2psk 信号的调制器可以采用相乘器，也可以采用相位选择器（键控法） 。 方框图如图 5.1 所示。 s(t) s2psk(t) s2psk(t) 双极性 载波

17、 不归零 s(t) (a)相乘法 (b)相位选择法 图 5.1 2psk 的相干解调 5.25.2 2psk2psk 信号的解调信号的解调 由于 2psk 信号的功率谱中五载波分量，所以必须采用相干解调，其框图如 图 5.2 所示。 2psk y(t) z(t) x(t) s(t) an cosct 解调器 定时脉冲 图 5.2 2psk 相干解调 不考虑噪声时，带通滤波器输出可表示为 y(t) = cos(ct+n) 与本地载波相乘后 z(t) = cos(ct+n) cosct = 1/2cosn +1/2 cos(2ct+n) 经低通滤波器滤波，输出 bpflpf 抽判 宜宾职业技术学院

18、电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 9 n = 0 时 x(t) =1/2 cosn=1/2 n = 时 x(t) =1/2 cosn= -1/2 根据发送端产生 2psk 信号时用 n = 0 和 n =分别来表示“1”和 “0”的规定，以及接收端 x(t)与 n的关系，抽样判决器的判决规则为 x(t)0，判为“1” x(t)1，判为“0” 5.35.3 2psk2psk 信号的调制解调过程信号的调制解调过程 2psk 信号的调制和解调过程通过列表说明。如表 5.3.1 表 5.3.1 2psk 信号的调制和解调过程 信码 an 10110100111 码元相位 0000000 本地载

19、波相位 1 00000000000 本地载波相位 2 1*2极性 +-+-+-+ 1*2极性 -+-+-+- n110110100111 n201001011000 根据表中数据可见，2psk 信号实际上是以一个固定初相的微调载波最为参 考的，因此解调时必须有与此同频同相的本地载波，如表中本地载波相位 1。 如果本地载波的相位发生变化，0 相位变成 相位，或 相位变成 0 相位， 如表中本地载波相位 2，则在恢复数字信息时就发生“1”变“0”或“0”变 “1”的现象，成为“倒 ”现象。如表中恢复码元 n1与 n2为正确信息，n2 为发生“倒 ”现象后恢复的信息。 5.45.4 2psk2psk

20、 信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽 2psk 信号与 2ask 信号的时域表达式在形式上是完全相同的，所不同的只 是两者基带信号 s(t)的构成，一个由双极性 nrz 码组成，另一个由单极性 nrz 码组成。因此，求 2psk 信号的功率谱密度时，也可采用与求 2ask 信号功率谱 密度相同的方法。 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 10 2psk 信号的功率谱密度也可以表示成 pe(f)=1/4ps(f+fc)+ ps(f-fc) 以升余弦滚降信号为基带信号，此时 2psk 信号的功率谱密度如图 5.3 所示。 pe(f) -fc-fb -fc -fc+fb 0

21、fc-fb fc fc+fb f 图 5.3 2psk 信号的功率谱密度曲线 由图 5.3 可知： （1）当双极性基带信号以等概率出现时（p=1/2），2psk 信号的功率谱是 基带信号功率谱的线性搬移，其频带带宽是二进制基带信号的两倍。 即 2psk 信号的带宽为 b2psk = 2bs = 2/tb = 2fb （2）当双极性基带信号以不等概率出现时（p1/2），2psk 信号的功率 谱将由连续谱和离散谱两部分组成。 （3）因为系统的传码率为 rb = 1/tb，故 2psk 系统的频带利用也与 2ask 信号的相同。为： = (1/tb)/( 2/tb) = fb/2fb = 1/2(b

22、aud/hz) 5.55.5 2psk2psk 的抗噪声性能的抗噪声性能 2psk 信号是抑制载波的信号，只能采用相干解调，相干解调框图如图 5.2 所示。 信号在信道中传输，叠加了噪声，接收端输入信号为 yi(t) = acosct + n(t),发“0” yi(t) = -acosct + n(t),发“0” 经带通滤波器后输出信号为 y(t)=s(t)+ni(t)=acosct+nc(t)cosctns(t)sinct，发“1” 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 11 y(t)=-s(t)+ni(t)=acosct+nc(t)cosctns(t)sinct，发“0

23、” 与本地载波相乘后经低通滤波器滤除高频分量，在抽样判决器输入端得到 x(t)=a + nc(t),发“1” x(t)=-a + nc(t),发“0” 6 6 通信协议的信道编码方式通信协议的信道编码方式 最简单的检错方法是“奇偶校验”，即在传送字符的各位之外，再传送 1 位奇/偶校验位。可采用奇校验或偶校验。 奇校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为 奇数，如： 10110，0101 00110，0001 偶校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为 偶数，如： 10100，0101 00100，0001 奇偶校验能够检测出信息传输过程中的部分

24、误码（1 位误码能检出，2 位及 2 位以上误码不能检出），同时，它不能纠错。在发现错误后，只能要求重发。 但由于其实现简单，仍得到了广泛使用。 为了能检测和纠正内存软错误，首先出现的是内存“奇偶校验”。内存中 最小的单位是比特，也称为“位”，位有只有两种状态分别以 1 和 0 来标示， 每 8 个连续的比特叫做一个字节（byte）。不带奇偶校验的内存每个字节只有 8 位，如果其某一位存储了错误的值，就会导致其存储的相应数据发生变化， 进而导致应用程序发生错误。而奇偶校验就是在每一字节（8 位）之外又增加 了一位作为错误检测位。在某字节中存储数据之后，在其 8 个位上存储的数据 是固定的，因为

25、位只能有两种状态 1 或 0，假设存储的数据用位标示为 1、1、1、0、0、1、0、1，那么把每个位相加（111001015）， 结果是奇数。对于偶校验，校验位就定义为 1，反之则为 0；对于奇校验，则相 反。当 cpu 读取存储的数据时，它会再次把前 8 位中存储的数据相加，计算结 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 12 果是否与校验位相一致。从而一定程度上能检测出内存错误，奇偶校验只能检 测出错误而无法对其进行修正，同时虽然双位同时发生错误的概率相当低，但 奇偶校验却无法检测出双位错误。 奇偶监督码是一种增加二进制传输系统最小距离的简单和广泛采用的方法。 例如，单个

26、的奇偶监督将使码的最小距离由一增加到二。 一个二进码字，如果它的码元有奇数个 1，就称为具有奇性。例如，码字 “1011010111”有七个 1，因此，这个码字具有奇性。同样，偶性码字具有偶 数个 1。注意奇性检测等效于所有码元的模二加，并能够由所有码元的异或运 算来确定。对于一个 n 位字，奇性由式 6.1 给出： 奇性=a0a1a2an（6.1） 很明显，用同样的方式，我们也能够根据每一个码字的零的个数来构成奇 偶监督。 单个的奇偶监督码可描述为：给每一个码字加一个监督位，用它来构成奇 性或偶性监督。因此，若有一个码元是错的，就可以分辨得出，因为奇偶监督 将成为奇性。 在一个典型系统里，在

27、传输以前，由奇偶发生器把奇偶监督位加到每个字 中。原有信息中的数字在接收机中被检测，如果没有出现正确的奇、偶性，这 个信息标定为错误的，这个系统将把错误的字抛掉或者请求重发。用单个的奇 偶监督码仅能检出奇数个码元的错误。 十进数字 4 比特直接二进码奇性监督位 8421 000001 100010 200100 300111 401000 501011 601101 701110 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 13 810000 910011 奇偶监督可以用在数字系统的主要接口设备中。由于在每个信息中加了多 余度，仅当出现错误的概率和错误的危害足够大时，才采用奇偶监

28、督码。 为了说明奇偶监督码的应用，考虑下例。假设以 400 比特/秒的速率传输四 码位信息（100 字/秒)。设由试验数据或适当的计算确定了任何单个码位出现 错误的概率为 3.110-5。因为，每个字包含四个码位，接收到错字的概率大约 为 1.25l0-4，即在 100 字/秒的传输速率下，平均每 80 秒错一个字。 加一个奇偶监督位后，每个字需要五个码位，从而，将传输速率降低到 80 字秒，能够检测一个错误，并且能指令发送机重发错了的信息以校正信息。 出现两个错误的概率计算如下：如果五个码位是 a、b、c、d、e，那么两个错 误可能以下述 10 种组合出现。即 ab、ac、ad、ae bc、

29、bd、be cd、ce de 出现任何一对的概率是(3.110-5)2，或 9.610-10，因此，在单个字里出 现两个错误的概率等于 109.610-10，或 9.610-9。以 80 字/秒的新的传输 速率，可能以每 1.310-6秒，即平均每 15 天，出现一个未被检出的错误。因 为三个错误能被检测出，四个码位错误的概率与两个错误相比可以忽略不计， 因此，我们在这里不考虑任何更多的错误。 奇偶校验内存中最小的单位是比特，也称为“位”，位有只有两种状态分 别以 1 和 0 来标示，每 8 个连续的比特叫做一个字节（byte）。不带奇偶校验 的内存每个字节只有 8 位，如果其某一位存储了错误

30、的值，就会导致其存储的 相应数据发生变化，进而导致应用程序发生错误。而奇偶校验就是在每一字节 （8 位）之外又增加了一位作为错误检测位。在某字节中存储数据之后，在其 8 个位上存储的数据是固定的，因为位只能有两种状态 1 或 0，假设存储的数据 用位标示为 1、1、1、0、0、1、0、1，那么把每个位相加 （111001015），结果是奇数，那么在校验位定义为 1，反之 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议 14 为 0。当 cpu 读取存储的数据时，它会再次把前 8 位中存储的数据相加，计算 结果是否与校验位相一致。从而一定程度上能检测出内存错误，奇偶校验只能 检测出错误而无法对其进行修正，同时虽然双位同时发生错误的概率相当低， 但奇偶校验却无法检测出双位错误。 由于我们的个人能力问题，我们采用最简单的奇偶校验。虽然奇偶校验存 在着无法检出双位错误和纠错的功能，但是它的处理是最简单的，当出现错误 的时候，我们可以选择人为的重新接收。 宜宾职业技术学院电子信息工程系光通信教学实验模块数据协议