光通信教学实验模块——数据协议 毕业论文.docx

光通信教学实验模块数据协议摘 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：光通信；数据协议；二进制数字调制；奇偶校验 目 录1 引 言12 设计目的和要求22.1 设计目的22.2 具体要求23 调制方案及选择33.1 调制技术的选择33.2 纠错方式选择44 系统框图65 通信协议的调制方式85.1 2psk信号的调制85.2 2psk信号的解调85.3 2psk信号的调制解调过程95.4 2psk信号的功率谱及带宽95.5 2psk的抗噪声性能106 通信协议的信道编码方式11结束语15致 谢16参考文献17光通信教学实验模块数据协议1 引 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、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公路。2 设计目的和要求2.1 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电信号，经解调后恢复原信息。2.2 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3 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。3.1 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。模拟调频器 k s(t) e0(t) f1e0(t) f2 s(t) (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 1s(t)s2psk(t)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）3.2 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。只要正确传输的次数多于传错的次数，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。4 系统框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。接收设备信宿信道发送设备信源（发送端） （接收端）噪声源图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“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。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。同 步信宿解密器译码器解调器调制器编码器加密器信源信道噪声源图4.2 点对点数字通信的一般模型5 通信协议的调制方式5.1 2psk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 不归零 s(t) (a)相乘法 (b)相位选择法图5.1 2psk的相干解调5.2 2psk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。抽判lpfbpf 2psk y(t) z(t) x(t) s(t) ancosct 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n = 0 时 x(t) =1/2 cosn=1/2n = 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”5.3 2psk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an10110100111码元相位0000000本地载波相位100000000000本地载波相位21*2极性+-+-+-+1*2极性-+-+-+-n110110100111n201001011000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。5.4 2psk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。 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 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(baud/hz)5.5 2psk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”y(t)=-s(t)+ni(t)=acosct+nc(t)cosctns(t)sinct，发“0”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 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：10110，010100110，0001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：10100，010100100，0001奇偶校验能够检测出信息传输过程中的部分误码（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8421000001100010200100300111401000501011601101701110810000910011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、aebc、bd、becd、cede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