（信号与信息处理专业论文）多路无线报警系统研究.pdf

abs tract t h e w o r k i n g p r i n c i p l e s o f m u l t i p a t h w i r e l e s s p a n a l a r m a n d r e a l i z a t i o n o f i t s h a r d w a r e a n d s o f t w a r e a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l . i n t h i s s y s t e m mc s 5 1 s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r t e c h n o l o g y , a s s e m b l y l a n u a g e p r o g r a m mi n g t e c h n o l o g y ,v o c i e s i g n a l p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , p r o t e 1 9 9 p r i n t e d c i r c u i t b o a r d ( p c b ) d e s i g n t e c h n o l o g y , wi r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y e t c . ， a r e a d o p t e d . o f t h i s a r t i c e , c h a p t e r o n e s t u d i e s t h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f m u l t i p a t h w i r e l e s s p a n a l a r m . c h a p t e r t w o d i s c u s s e s t h e o v e r a l l f u n c t i o n s a n d p r o j e c t o f t h e s y s t e m. c h a p t e r t h r e e a n d f o u r d e m o s t r a t e i t s w o r k i n g p r i n c i p l e s a n d r e a l i z a t i o n o f h a r d wa r e a n d s o f e wa r e . t h i s r e s e a r c h c o m b i n e s t h e d e s i g n m e t h o d a n d r e a l i z a t i o n , a n d c o n s i d e r s t h e d e s i g n m e t h o d t o b e m o r e i m p o r t a n t , i t c a n n o t o n l y b e u s e d i n t h e d e v e l o p m e n t o f d e t e c t i n g a n d c o n t r o l s y s t e m b u t a l s o f o r r e s e a r c h e r s r e f e r e n c e . k e y wo r d : mi c r o c o m p u t e r u n i t , d e t e c t i n g a n d c o n t r o l v o i c e s i g n a l , s i g n a l p r o c e s s i n g , wi r e l e s s c o mm u n i c a t i o n 第2页 第一章 概述 近年来由于电子学和微型计算机技术的迅速发展和广泛应用，给现代 家庭管理及报带系统的选择带来了新的变革，出现了新的面貌。下面概述 无线通信技术、传感器新材料技术、单片机技术、语音处理技术等的变革 和未来的发展。随着社会发展与人民生活水平的不断提高，各类社会保障 服务日益显得重要。 目前正在广泛应用利用闭路的监视器来实现远端监视与报鳌功能。在 日常生活中，远程监视有许多应用实例，常见的是交通部门对城市路况的 实时监视等。但这种监视系统是基于专用通信线路实现的，如光缆等。但 是在许多场合下铺设专用通信线路是不现实的，一是费用高，二是国家法 律不允许乱铺乱设。于是人们的眼光很自然地转到了电话线上来，这是现 成的公用通信网络，它普及率高，成本低，可以充分利用。随着计算机多 媒体技术特别是数字图象压缩技术的不断发展，利用电话线进行远程监视 与报普的可能性越来越大。通过电话网络 自动完成对外求助是一种极为方 便有效的手段， 相关的应用设计正逐步推出。 此类设计涉及通信、计算机、 数码语音等多方面的应用技术及规程。 1 . 1无线通信技术 无线通信作为通信系统的一部分， 其基本模型和其它的通信系统一样由 以下几个基本部分组成， 信息源和收信者、 发送设备、 传输介质、 接收设备。 对于无线数字通信系统来说， 发送设备常可以分为信道编码与信源编码 两部分。 信源编码是将连续信号转换为数字信号; 而信道编码则是使数字信 号与传输媒介匹配， 提高传输的可靠性和有效性. 无线通信的传输媒介自然 就是无线的空气。 无线数字通信系统的接收设备完成发送设备的反变换的功 能，即进行解调、 译码、 解密等其任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原 始信息，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。 无线通信技术的发展在公用无线通信网经历了几代演变。 由最初的模拟 蜂窝移动电话系统到以 g s m 系统和 c d ma系统为首选的第二代移动通信 网， 现在己经逐步进入第三代移动通信时代。 第二代数字蜂窝系统已经成熟， 在多址方式上主要采用 t d ma和 c d ma . 9 0年代初，美国提出了 c d ma 第 a页 崖监无线扭菠系v f wv一一一一一一_a子 科拉士学硕十讼女 数字蜂窝移动通信系统。 1 9 9 3 年3 月美国t i a通过了c d ma空中接口标准 i s -9 5 ，成为与 t d ma并驾齐驱的数字蜂窝系统，由实用化阶段逐渐走向 商用化阶段，并在香港、韩国、美国正式投入商用取得了很大的成功。 但是 作为第二代系统采用的 n -c d ma比采用 t d ma的数字移动系统的性能、 容量和传输速度都有所提高， 但还是受到传输频带窄的限制， 不能真正发挥 c d m人 的特性。而后正在开发的第三代移动通信的特点是多媒体化和智能 化。可提供多元传输速率、高性能、高质量的服务。而采用 w-c d ma方 式能使 c d ma的特性得到充分发挥，能提供从声音、传真、数据、图像到 动画等的多媒体移动通信服务，能降低投资、运营费用及手机的价格。 在进入 3 g移动通信时代的时候， 又产生了软件无线电这一作为无线通 信领域的一项突破性关键技术， 己引起国内外越来越多的关注。 软件无线电 的背景是在军事通信中提出的。 未来高技术战争的指挥自动化体系要求通信 保障具备协同、机动、保密、 抗千扰和抗毁五种能力， 而现有的无线电台都 是根据特定用途进行设计的，存在着工作频段、 调制方式的差异。 美国军方 在美国国家远程系统会议上首次提出了“ 软件无线电” 的概念。 希望用这种 新技术来解决三军无线电台多频段、 多工作方式的互通问题， 并得到了美国 军方的一致认可。 而且在民用方面，随着通信技术的迅猛发展， 新的通信体 制与标准不断提出， 通信产品的生存周期减小，开发费用上升， 导致以硬件 为基础的传统通信体制无法适应这种新局面。 同时， 不同体制间互通的要求 日趋强烈， 并且随着通信业务的不断增长， 无线频谱变得越来越挤， 对现有 通信系统的频带利用率及抗干扰能力提出了更高的要求。 但是沿着现有通信 体制的发展，很难对频带重新规划。 软件无线电的基本思想是以硬件作为其通用的基本平台， 把尽可能多的 无线及个人通信的功能用软件来实现， 从而将无线通信新系统、 新产品的开 发逐步转移到软件上来， 其产值也在软件上体现出来。 其最终目的是使通信 系统摆脱硬件布线结构的束缚， 在系统结构相对通用和稳定的情况下， 通过 软件来实现各种功能， 使得系统的改进和升级都非常方便、 代价小，同时不 同系统间很容易互连与兼容。 1 . 2单片机技术 所谓单片机就是将 c p u . r a m. r o m、定时/ 计数器和多种 i / o接 口电路都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，也称为微控制器。 第 5页 $p* 4 划笙挽 系统皿究一 _ _申 子科生 支 大 学m 已二 i x 交 由于单片机控制功能强、 体积小、 成本低、 功耗小等一系列特点， 使它在工 业控制、智能仪器、节能技术改造、通信系统、 信号处理及家用电器产品中 得到广泛的应用。随着数字技术的发展及单片机在电子系统中的广泛应用， 在很大程度上改变了原有的传统设计方法。 以往采用模拟电路、 数字电路实 现电路系统， 大部分功能单元都可以通过对单片机硬件功能的扩展及专有程 序的开发， 来实现系统提出的要求。 这意味着许多电路设计问题转将化为程 序设计问题。 这种用软件取代硬件实现和提高系统性能的设计思想称之为微 控制技术。微控制技术最基本的研究对象是单片机，在微控制系统设计中， 系统设计和软件设计起着关键作用。 1 . 3 语音处理技术 自本世纪三十年代以前， 语音信号的处理及传输均是以模拟的方式进行 的。自从三十年代末脉冲编码调制 ( p c m)原理和声码器 ( v o c o d e r )的 概念被提出后， 语音数字编码便一直沿着这两个方向发展， 并且一直是通信 和信号处理领域的研究热点。 语音数据压缩目的是能在尽可能低的传输速率上获得高质量的编码效 果， 即使对语音信号可以在窄带信道中传输而语音质!下降的不多或尽可能 不下降: 而且压缩后的数字语音的数据量相对更小， 更适于存储和易于加密; 数字语音具有的这些优点使它具有强大的生命力。 最早的语音编码系统是波形编码方法，如脉冲编码调制 ( p c m)等， 这是一种基于语音信号波形的编码方式，也叫波形编码 ( 或非参数编码)， 其 目的是力图使重建的语音波形保持原语音信号的形状， 这种编码器是把语 音信号当成一般的波形信号来处理， 而并未考虑语音信号的冗余度。 它的优 点是具有较强的适应能力，有较好的合成语音质量，然而编码速率高 ( 6 4 k b p s ) ， 编码效率极低。 脉冲编码调制( p c m ) 、 自 适应增量调制( a d m) , 自适应差分编码 ( a d p c m) 、自适应编码 ( a p c ) 等都是属于波形编码 ( 非 参数编码)， 当编码速率为6 4 k b p s 1 6 k p s 时， 有较高的编码质爱， 但当编 码速率再下降时， 其合成语音性能会下降得很快。 而声码器则是不同于波形 编码器的高效编码方式。声码器又称参数编码 ( 或模型编码)，它主要是对 提取的语音信号特征参数进行编码， 目的主要是使重建的语音信号具有尽可 能高的可懂度， 而不是要求重建波形保持原语音波形的形状。因此， 可能出 现的情况是即使重建语音的可懂度高， 其时域波形也可能与原语音的时域波 第 6页 主必无线扭整系统研究_ _申子科技大学硕+诊文 形有较大的差别， 这种编码器的优点是可达到极低的编码速率而语音依然可 懂。换言之，有较高的语音编码效率，编码速率可达到 8 k b p s . 4 . 8 k b p s甚 至更低。主要缺点是重建语音自然度低，韵律感差，合成语音质量差。声码 器的典型代表是通道声码器、共峰声码器及及线性预测声码器等等。 由于窄带信道要求有语音编码速率以及对语音信号的高效存贮， 促使语 音编码技术向着低编码速率，高可懂度和自然度的方向发展。在有线通信、 无线通信、 保密通信及语音应答系统中等各方面得到广泛的应用。 语音信号 的数字存储， 处理和传输无论在可靠性， 抗干扰， 易保密和廉价格等方面都 远胜于模拟语音。未来的 i s d n卫星通信、移动通信、微波接力通信和信息 高速公路以及保密电话等无一例外地都采用数字化语音传输和处理。 伴随着无线通信技术、单片机技术 家庭管理和报整系统也得到长足的进步 语音处理技术的发展和广泛应用， 也对建设具有先进的多媒体和通信 技术的自动报等网络系统提供良好的技术构架。 数字报鳌终端、图像监控系统、 数字报等接收机 比如说对开发研制了以用户 、多媒体接誉台为核心构成 的有、无线混合多媒体报警网络系统有很大的益处。 如 7页 第二章系统功能描述 随着社会发展与人民生活水平的不断提高， 各种社会保障服务日益显得 重要。 通过电话网络 自动完成对外求助是一种极其方便有效的手段。 完成这 些功能涉及到信息采集、 通信、 计算机、 语音信号处理等多方面的应用技术。 为了充分利用单片机在控制领域的优势以及硬件开发模块化的结构易 于调整的优势， 在该系统中采用了以单片机控制为中心， 各种不同功能模块 完成相应功能。 z . 1 系统方案构想 系统采用近几年来成熟的各项无线电通信技术、微控制技术、 语音处 理技术和功能化模块化、 结构化技术来构造基本的系统功能。 使该系统易于 维护和改进调整。 系统方案在通信应用方面主要有两种构想。 其一是主机和分机联系的无 线电通信采用单工通信。由于系统所需要的报警数据信号采用多路信号输 入， 免除布线困难和不易于调整的构造， 使用无线电通信达到系统可扩展性。 基于小型化系统的应用， 采用单工通信可以降低成本、 电路简化适用和易于 维护等特点。 其二就是无线电通信采用双工通信。 双工通信的优势在于能够 使主机和分机保持通信联系， 分机能够得到主机的控制信号并采取相应措施 完成既定功能。 当然双工通信必然导致成本上升和电路复杂化等， 但作为稍 大规模的报等等设施，这代价是值得付出的。 作为报普信号的采集者传感器部分，为了适用多种传感器的信号输入， 采用公共接口作为传感器信号的输出接口。 无论传感器的输出信号如何， 都 采用一个集成开关， 当传感器信号达到其预先设定值就打开集成开关， 使编 码发射模块得电工作，对该报带采集点的信息进行编码调制发射。 关于语音信号处理，采用 i s d 信息存储器件公司的语音处理芯片，其 优势在于能够断电保存和方便的进行语音信号的任意更改， 而且它还能采用 模拟存储技术使得语音信号还原更为真实。 就自 动拨号来说， 必须检测电话交换机的信号音以确认自 动拨号后的进 第 8页 程状态， 按照国家电信标准， 通过软硬件电路检测出信号音， 使单片机控制 下一进程的运行。 该系统采用模块化设计，能够方便的扩展其额外的功能。 2 . 2系统主要功能 该系统目前具有的主要功能有: 1 .接收 1 6 路无线报警探测点的报警信号输入 ( 可扩展至 3 2 路、 6 4 路 等 ) 。 2 . 无线收发模块发送无线编码信号至主机， 传输距离大于 6 0米。 而且 能够实现双向通信，以控制报带后续操作。 3 .多种预警、报鳌模式 ( 可设置蜂鸣、光显示、预置电话自动拨号模 式) ，还预留驱动动摄像机摄像取证报等设置口。 4 语音报誉信息任意设置，掉电存储，不丢失所存储语音信息。 5 任意设置预置报等电话号码。 该系统包含有传感器模块、 编码发射模块、 解码接收模块、 主机控制模 块、语音信号处理模块、模拟拨号及信号音检测模块和l e d显示模块等。 2 . 3 系统功能框图 系统主要有两大功能模块构成， 分机完成信号检测和无线发射功能， 主 机完成无线接收和报警信号处理功能。 被测量 电量信号 集成传感器 集成开关 天线发射 使能编码发射 编码信号 图2 - 1 分机功能框图 第 夕 页 分机由传感器模块和编码发射模块构成， 完成报等信号探测和无线发射 功能。其框图如图2 - 1 . 主机由解码接收模块、 单片控制模块、 语音信号处理模块、 模拟拨号及 信号音检测模块和 l e d显示模块等组成。其功能完成接等并具用户设定进 行信号处理。其功能框图如图2 - 2 0 天线 电话 网络 图 2 - 2 主机功能框图 2 . 4 系统开发环境 该系统硬件开发采用p r o t e 1 9 9 应用软件制作印刷版电路， 软件开发采用 mc s 5 1 汇编借助d v c c - 5 1 - e d单片仿真器进行开发和调试硬件电路，测控 程序是用 mc s 5 1单片机的指令系统编制而成。开发过程应用了 mc s 5 1单 片机技术、p r o t e l 9 9 印刷电 路板设计技术、汇编语言编程设计技术等。 第 1 0 页 第三章系统硬件原理与设计实现 该系统硬件部分是以 8 9 c 5 1单片机为控制中心，其外围部件功能可分 划为无线收发模块、信号检测模块、语音处理模块、模拟拨号模块、显示模 块几部分组成。系统框图如图 3 - l 0 图3 - 1 系统硬件组成框图 通常情况下， 系统启动运行后单片机将不断的检测地址信息解码的输出 信号，当处于正常值守状态下，检测电路输入逻辑 “ 0 ”电平，否则有报带 信号输入时候则检测电路输入出现逻辑 1 ”电平。检测到逻辑高电平的时 候， 系统将根据预先设置的报苦模式进行报等， 之后又将回到正常值守状态。 3 . 1 单片机控制 第 月页 所谓单片机就是将 c p u , r a m, r o m、定时 / 计数器和多种 1 / o接 口电路都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机， 也称为微控制器。 由于 单片机控制功能强、体积小、成本低、功耗小等一系列特点，使它在工业控 制、智能仪器、节能技术改造、通信系统、 信号处理及家用电器产品中得到 广泛的应用。 5 1 系列单片机的基本结构如图 3 - 2 . p o p 1 p 2 p 3 t xd r xd i nt o i nt 1 图3 - 2 5 1 单片机结构 本系统采用 a t me l公司的 a t 8 9 c 5 1 单片机作为控制系统。a t 8 9 c 5 1 是一种低功耗高性能的8 位单片机，片内带有一个4 k字节的f l a s h可编程 可擦除只读存储器 ( p e r p m)，它采用了c mo s工艺和 a t me l公司的高 密度非易失性存储器 ( n u r a m)技术，而且其输出引脚和指令系统都与 mc s 5 1 兼容. 片内的f l a s h 存储器在系统内可改编程序或用常规的非易失性 存储器来编程。因而 a t 8 9 c 5 1 是一种功能强，灵活性高且性价比高的单片 机，可方便的应用在各种控制领域。 a t 8 9 c 5 1 的主要性能有 1 . 4 k b可改编程序 f l a s h 存储器 ( 可经受 1 0 0 0 次的写入/ 擦除周期)、 招 1 2 页 主盆r幽 臼- f 到玉一一一一一-一一一一一_申 子 科 拉大 学 g o t 十 i t l y 2 .全静态工作 ( o h z 一 2 4 mh 3、 3 .三级程序存储器保密、 4 . 1 2 8 x 8字节内部 r a m. 5 . 3 2条可编程 1 / 0线、 6 . 2 个 1 6 位定时器/ 计数器、 6 . 6 个中断源、 7 .可编程串行通道、 8 .片内时钟振荡器等。 其中a t 8 9 c 5 1 是用静态逻辑来设计的，工作频率可下降到 o h z ，并提 供两种可用软件来选择的省电方式，空闲方式 ( i d l e mo d e )和掉电方式 ( p o w e r d o w n mo d e )。在空闲方式中，c p u停止工作，而r a m、定时器/ 计数器、 串行口、 中断系统继续工作。 在掉电方式中， 片内振荡器停止工作， 由于时钟被 “ 冻结”， 到下一次硬件复位为止 使一切功能都暂停，只保存片内r a m中的内容，直 3 . 2 i / 0接 口 在单片机测控系统中， 必然会有被测信号的输入通道，即前向通道， 用 来采集必要的输入信息: 系统还必须有控制信号的输出通道， 用来实现对被 空对象的控制操作。 在本系统中， 前向通道主要用于无线接收解码信号的输 入和信号音检测输入， 而后向通道主要用于控制信号、 报带信号和模拟拨号 信号的输出。这些输入输出信号主要是开关信号。 1 / o接口中的抗干扰设计，由于抗干扰性能是任何测控系统可靠性的重 要指标，因而抗千扰设计是任何测控系统研制中不可忽视的一个重要内容。 为提高系统的抗干扰能力， 在i / 0接口中采用光电隔离藕合器来实现信号和 电源的可靠隔离。 光电藕合的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰， 从而使 i / 0通道上的信躁比大大提高。光电藕合器具有很强的抗干扰能力，主要是 由于: ( 1 )藕合器的输入阻抗小，而干扰源的阻抗则很大，因此能分压到光 电藕合器输入端的躁声会很小。 ( 2 )干扰躁声虽然有较大的电压幅度，但能量较小，只能形成微弱电 流， 而光电藕合器输入部分的发光二级管是在电流状态下工作的， 即使: 有 第 1 3页 很高的电压幅值的千扰，由于不能提供足够的电流也会被抑制掉 ( 3 ) 光电 藕合器是在密封条件下实 现输入回路和输出回路的光电 藕合， 不会受外界光的干扰 ( 4 )输入回路和输出回路之间分布电容很小，而且绝缘电阻很大，医 此其中一回路一边的干扰很难通过光电藕合器馈送到另一回路。 图 3 - 3为信号及电源隔离用光电祸合器的内部结构图。 图 3 - 3光电藕合器内部结构图 其中 ( a 7为普通型，一般用在 i o o k h z以下频率信号，( b )为高速型， 输出部分采用p i n 型光敏二极管和高速开关管组成复合结构， 具有较高的响 应速度。在本系统中， 对输入、输出信号的响应速度要求不是很高，因次在 工 / 0 接口中采用普通型光电隔离祸合器。 3 3 传感器 在我们工程检测中需要把非电量的传感器信号转换为电信号， 传感器的 种类繁多，原理各异， 这里主要概述防火、防盗等报替设施的传感器。目前 此类传感器有气体、火焰、烟、温度、红外线等传感器。 传感器由敏感元件和转换元件两个基本环节组成， 敏感元件是能够敏锐 感受某种不容易直接测量的物理的、 化学的、 生物的等非电信息， 并使之转 换为另一种可测量的非电童或电量的元件。 转换元件是能够将感受到的非电 量直接转换成电量的器件。 当然并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转 换元件。 选择和使用传感器， 必须了解表征传感器特性的各种性能指标。 这些通 常用的性能指标包括有输入特性、静态响应特性 ( 包括精确度、准确度、精 度、重复性、线性度、迟滞、灵敏度、分辨率、稳定性等)、动态响应特性 ( 工程上通过实验给出传感器的阶跃响应曲线和幅频特性曲线的某些特征 值来表示其动态特性) 。 另外对仪器和环境， 传感器也有一定的要求， 而被 测童的对象在安装传感器后也会有某种程度上的变化。 第 1 4 页 传感器的发展趋势表现在相关学科的新技术、 新材料、 新工艺，向着小 型化、 集成化和智能化方向发展。 这里谈一下智能化传感器。智能化传感器 是将多种信息的识别、检出、判别、存储、处理、程控等功能集于一体，除 具有检测功能外， 还具有自动补性、自校正、自诊断和逻辑操作、 程序控制、 判断、 决策、 检测最优化和自动实现计量等功能。 这些功能是多功能敏感器 件与微处理器或单片微型计算机相结合的结果。 本系统可以接入多个传感器信号的输入， 采用公共的接口使传感器信号 驱动编码发射模块对该地址及其数据信号进行编码而后通过无线通道发射 出去。作为报警数据采集的探头部分的框图如图3 - 4 a 、 f l,in911l , 广 给集成开关供电工作 t w哪7 7 8编码发射模块 接通编码无线发射模块电源 图 3 - 4探头部分框图 可以选用不同的传感器检测不同的信号， 有等情的时候都会产生一定的 电信号使得集成开关得电工作， 集成开关工作的目的是使编码块对该地址信 息和数据信息进行编码， 然后再加载到无线发射块调制发射出去。 无论采用 何种传感器， 都可以公共的接口使得传感器输出的信号能够驱动集成开关工 作即行。上图采用的是热释电红外线探测模块 h n 9 1 1 l ，其内部由高灵敏度 热红外线传感器、 放大器、 信号处理电路、 延时电路和高低电平输出电路等 组成。 静态是该模块输出低电平到集成开关， 集成开关并不工作。 当有人进 入监视区时，h n 9 1 1 l输出高电平到集成开关，集成开关得电工作即导通后 续电路电源而使编码发射电路部分工作。 3 . 4 信源编码 作为被传输的地址数据等有用信号也就是信源需要进行编码后再加载 到无线发射模块的振荡器上调制后经过天线向空中辐射出去， 达到无线传输 第 1 5页 -z a 浏m 曰i u 七 王 一 一 一 一 一_ 电 子 科 特士 学 硕十 价 亨 的目的。这里先概述信源编码的理论。 信源编码主要解决有效性问题。 通过对信源的压缩、 扰乱、 加密等一系 列处理，力求用最少的数码传递最大的信息量， 使信号更适宜传输。 从信息 论角度看， 信源编码的一个最主要目的是要解决数据压缩问题， 它构成了数 据压缩的理论基础。 为了对信息的有效的处理、交互与保存， 首先应将信息数字化， 就是把 模拟信号在幅度上、时间上离散化。 对于图像等多维信源， 还需要要在空间 上也同时离散化 ( 隐含在时间离散化中)。 常用的数字化的方法p e p c m， 包括取样( s a m p l i n g ) . 量化( q u a n t i z a t i o n ) 和编码( c o d i n g ) 三个步骤。数字化的过程常称为模一 数变换 ( a / d )。 编码就是将不同的消息有不同的码字来代表， 或称为从消息集到码字的 一种映射。下面介绍几种常见的编码方法。 3 . 4 . 1 统计编码 对于一个消息集中的不同消息，可以采用相同长度的不同码字来表示 ( 即消息集里的任何一个消息都由相同长度的码字来代表) ， 就叫作等长编。 与等长编码相对应， 对于一个消息集中的不同消息， 可以采用不同长度的码 字来表示， 这叫作不等长 ( 或变长) 编码方法。 采用变长码可以提高编码效 率，即对相同的信息量所需的平均编码长度可以短一些. = 艺p ( a ) l ; 其中1 代表消息集的编码平均码长，p ( a ; ) 代表任一消息的出现概率，l ; 代表对a ; 的编码长度。 不难看出，如果编码是对 p ( a , ) 大的a ,用短码; p ( a ) ) 小的a ;一一用长码， 则当这些信息符号互不相关时，1 就会比等长编码所需的码字长度短。 1 8 4 3 年莫尔斯电码的发明正是荃于这种认识。 莫尔斯码的形成可归纳为两条: 首先找到各信息符号的统计特性， 在根据各 符号出现的概率分配不同长度的码字。 这就形成了关于统计编码的概念。 对 于无记忆信源来说，主要是根据消息出现概率的分配特性来进行的压缩编 码，就叫作统计编码， 有时也叫概率编码。由于它主要是寻找概率与码字长 第 1 6 页 土 避k 生 透 蕊处 允 一 一 一 一 一 一_ _鱼 子 科 材 女 学 m,十 诊 玄 度间的最优匹配，故有时也叫作匹配编码。 变长码在编码时要预先知道各种信息符号出现的概率， 而译码也远比等 长编码复杂。 对于等长码只要使不同的消息对应不同的码字， 而收端只要能 正确识别出一个码字的起始位置就能正确译码; 但对变长编码要正确识别码 字起点就不是那么容易了， 并且还存在唯一可译性、 译码实时性及匀速输入 输出匹配的缓存等问题。 这里介绍一种变长的编码方法， 霍夫曼码。 该码是由霍夫曼1 9 5 2 年提出， 它完全依据字符出现概率来构造平均长度最短的异字头码字， 有时称之为最 佳编码，一般叫作霍夫曼码。 变长编码的基本定理是， 在编码中若各码字长度严格按照所对应符号出 现概率的大小逆序排练则其平均长度最小。 在应用此定理的基础上， 霍夫曼 码的实现方法如下: 1将信源符号出现概率按减小的顺序排列; 2 ， 将两个最小的概率进行组合相加， 并继续这一步骤， 始终将较高的概 率分支放在上部，直到概率达到1 . 0 为止; 3 . 对每队组合中的上边一个指定为1 ， 下边指定为0 ( 或相反上边一个指 定为0 ，下边指定为1 ); 4 . 画出由每个信源符号概率到1 . 0 处的路径，记下沿路径1 和0 ; 5 . 对于每个信源符号都写出1 , 0 序列，则从右向左就得到霍夫曼码。 霍夫曼码编码过程实际上是构成一棵二叉树的过程， 码字都是从“ 树根” 出发排列，显然编出来的码字都是异字头码，而且保证了码的唯一可译性。 同时每个信源集合都严格按照概绿大小排列， 按照变长编码定理可知编码是 最佳的。由于码长不等， 还存在一个输入与输出的速率匹配问题， 可以通过 设置一定容量的缓冲寄存器来解决。 随着微电子和计算技术的发展， 霍夫曼编码已经可以做成单片i c ， 并成 为许多国际标准中的主要技术内核之一。 霍夫曼码能够以较低的处理代价来 换取昂贵的通信开销是完全值得的。 但是在实际应用中， 霍夫受编码作为一种常用的数据压缩编码的方法还 存在着不足: 1 . 符号数受限于可实现的霍夫曼编码表尺寸 如果每个输入符号占一个字节，则码表最多需要2 5 6 个输入端，虽不难 实现但却限制了可能取得的数据压缩比， 单字符编码只能对付字符分布上的 冗余度，而非其它类型的冗余度。 第 1 7 页 崖 筋 五 蓝 妞 生 笼 盆 习 生 瑞 一 一 一 一 一_ _ _ _ 鱼早 科 村k 硕 十 译 文 2 . 复杂度 由于解释每一码字的基本方法是从树根开始， 以此根据面临的每一位是 0 或1 来决定沿哪一半子树继续翼码， 直到端结点， 这样码在运算时要对码字 的每一位做出逻辑判决。 对于用变长码压缩的大容量数据其解码系统的性能 价格比不会最高。 3 . 需要知道输入符号集的频率分布 在不同的输入符号集中， 符号出现的频率可能相差甚远， 需要付出太高 的代价来保证解码器和编码器采用的同一张码表。 常用的解决办法是单独统 计每个数据块并制订相应的码表， 这需要对数据块扫描两次， 第一次对符号 计数并对符号表排序， 第二次编码。 生成的码表必须随数据一起传送， 这就 降低了编码效率。 7 0 年代末，提出了另一类泛码一一语法解析码，习惯以它简称l z 码， 可以部分解决霍夫曼码所出现的问题。 该码是两名以色列人齐弗和兰佩尔所 提出的。l z 码的算法开创了基于字典编码的新分支。于霍夫曼码正好形成 鲜明的对比，l z 码将变长的输入符号串映射成定长 ( 或长度可预测)的码 字。 按照几乎相同的概率安排输入符号串， 从而频繁出现符号的串将比不常 出现符号的串包含更多的符号。l z 码实际上是一个基于字典的压缩编码算 法: 将长度不同的符号串编码成一个个新单词， 它们形成了一本短语词典的 索引。l z 码能够有效的利用字符出现频率冗余度、字符重复性和高使用率 模式冗余度，但通常不能有效地利用位置冗余度。l z 码从一个空的符号串 表开始工作， 然后在编、 解码过程中逐步生成表中的内容。 从这个意义上说， 算法是自适应的。l z 编码只需要扫描一次数据，无需有关部门输入数据统 计量的先验信息， 而运行时间正比于消息的长度。由于码表是由空到满逐步 自适应地建立， 对每一消息的起始段的编码效果效率不高， 必须消息足够长， 以便算法能够积累足够的有关符号出现频率的知识， 从而对整段的压缩编码 效率提高。当然l z 算法也有弊病，在处理完一定量的信息后，自 适应算法 将失去自适应能力， 如果信源非均匀且冗余度特性随消息而变动， 那么若消 息长度远大于算法实现的自适应范围，编码的效率将会降低。 3 . 4 . 2 预测编码 现代统计学和控制论常运用“ 时间序列分析” 的概念来解决动态系统的 输出问题，这些理论的发展对于通信工程的理论与实践也发挥了很大的作 用。由于数字技术的发展， 现代数字信号处理技术也渗透到这些领域， 于是 第 1 9 页 崖盆迁璧姐里隽肖浏汾 一一一一一电 子科枯六学硕十论文 在这些理论的基础上形成了一支专门用语压缩多余数据的预测编码理论分 支。 假定数据源为一个数据模型， 并且源的输出数据始终和该模型的输出相 匹配， 我们就能够精确地预测这些数据。 实际上我们只可能是以某种最小化 的误差对下一个取样值进行预测。 目前真正使用的预测编码方案是差分脉冲 编码调制 ( d p c m)系统，它采用反馈方法预测估值。 含有量化器的d p c m系统是一个带反馈的非线性系统， 要严格进行分析很困 难，常用的分析方法是对预测器和量化器分别讨论，由此得到局部最优解。 当然预测器和量化器的设计实际上并非完全独立，均与信源的统计特性有 关。预测器的设计是d p c m的核心问题，因为预测器越好，差值可以越小， 编码效率也就越高。 预测编码广泛用于语音信号、遥测信号、 遥感图像、电视信号、 可视电 话、 会议电视和高清晰度电视等各种不同的信源的编解码。 本文将在以后的 章节介绍语音信号的编码。 3 . 4 . 3 信源编码设计实现 本系统的信源编码包括有地址位和数据位的信息进行等长编码。 探头的 信息采用台湾茂矽/ 毕智 ( mo s e l / v i t e l i c )公司的编解码对v d 5 0 2 6 和 v d 5 0 2 7 作为地址数据编码解码电路。该编码块内含振荡器，采用c mo s 工 艺， 能耗低。 编码电路能够对8 位地址码和4 位数据位进行复合编码， 译码电 路能对同地址位的编码信号进行解码输出包含在信号中的数据位信号。 3 . 5 无线收发电路 本系统对于报鳌探头和主机控制台的信息传输方式是通过无线电传输 报普多路数据信息。 本节将就先概述无线通信的基本原理， 而后简单介绍无 线通信领域从模拟到数字、 从固定到移动这两次无线通信领域大的突破和软 件无线电这一无线通信领域的一项突破性关键技术. 无线电波在空间传播的途径大概可分为四种。 地波， 沿地表面传播的无 限电波。天波，由电离层反射传播的无线电波，也称作电离层反射波。 直接 波，从发射天线出发， 直接到达接收天线的无线电波，也称作直射波。 地面 反射波，从发射天线出发，经过地面反射到达接收天线的无线电波。总之， 如果无线电波的导体结构 ( 即天线) 适合于将电磁场基露在空间， 而且送到 第 1 9 页 天线的电流频率足够高， 那么天线的高频能量就会以交变电磁场的形式向空 间传播。 3 . 5 . 1 无线电发射机 在无线电通信中， 声音、 图像以及其它需要的信息都是被加载到高频电 振荡上， 通过天线发射出去的。 发射机是用来产生高频电振荡， 把所要传送 的信号加载到高频振荡上，并使高频电振荡具有足够大的功率的无线设备。 无线电波发射机大体由三个基本部分组成， 振荡部分、 调制部分和放大部分。 下图3 - 5 为一个发射机示意图。 图 3 - 5发射机组成示意图 ( 1 ) 振荡部分的 任务是产生频率稳定的等幅高频振荡以用来运载所需 要传送的信息，被称之为 “ 载波”或 “ 载频”。振荡部分主要包括振荡器、 缓冲放大器、 倍频器和混频器。 振荡器是发射机的心脏， 是产生高频电振荡 的电路，常用的有l c 振荡器和石英振荡器两种。在振荡器和后级电路之间 接入一个缓冲放大器， 就能够起到隔离的作用以减少后级电路对振荡电路的 影响。 缓冲放大器的特点是只需要从振荡器吸取很小的功率就能向后级电路 提供足够大的输入功率。 缓冲放大器不仅能够将前级的信号放大之外， 它本 身电路的输入阻抗设计得很大， 而它的输出阻抗设计得很小， 这样后级电路 对振荡的影响就会变得很小。倍频器是用于从l c 调谐振荡电路的高次谐波 选择所要的频率。混频器是和倍频器利用在一起可以得到所需要的任何频 率。 ( 2 )调制部分的任务是将音频等有用信号加载到振荡部分产生的载波 上。 这样无法通过无线电传播的音频等低频率有用的信号就可以加载到高频 的电磁波上而传播很远。 高频载波本身不带有信息， 只是一种传递信息任务 的工具。 当载波为有用的低频率信号所调制后， 就能完成无线电传播信息的 第 2 0页 违监 无 线逻 色剐 o f 乙 一一 一一 一一_申 子 科 枯 士 学 硕 十 论 v- 目的。 调制的结果是将低频的信号频谱搬移到高频频谱上去， 再通过滤波器 得到需要发射的高频信号。 通常调制方式有两种。 一种是使载波信号的振荡 幅度随着音频信号的大小而变化，称之为“ 振幅调制”。另外一种是使载波 信号的振荡频率随着音频信号的大小而变化， 振幅保持不变， 称之为“ 频率 调制”。 ( 3 )功率放大器是用来把经过调制、并己变换成所需要频率的电信号 放大到具有足够的功率， 再利用天线以电磁波的形式发射出去。 通常有两种 形式。一种是线性放大器， 工作于甲或甲乙类状态的放大器， 其特点是波形 失真非常小，效率低，输出功率较小， 主要应用于要求波形失真小的单边带 发射机或采用低电平调制 ( 在功率放大级以前进行调制) 的调幅发射机。 另 外一种是非线性放大器， 工作于丙类状态的放大器， 其特点是失真较大， 但 电路简单， 效率较高， 广泛用于与波形失真无关的调频波功率放大和采用末 级调制 ( 即在功率级进行调制)方式的调幅波功率放大。 经过功率放大后的已调信号， 经过匹配网络的阻抗变换后就可以通过天 线辐射出去。 3 . 5 . 2 无线电接收机 无线电波通过发射机向空中辐射的电磁波都会在接收天线上感应出信 号电动势。 于是就要求无线电接收机在各种信号中选出所需要的信号， 进行 放大并变换成低频信号，以推动各种终端设备工作。 接收是与发射相对应的逆过程。这里谈下接收机最为关心的接收灵敏 度。由于内部噪声的存在，接收机的灵敏度就必须考虑到噪声的影响口 接收机的实际灵敏度e 的定义是， 在保持接收机输出端得到额定功率和 一定信噪比的条件下天线端所需要的信号最小电动势。 因而实际灵敏度总是 与接收机内部相联系的，内部噪声电平越高， 输出端信噪比就愈低，噪声系 数就愈大， 接收机灵敏度就越低。 反之， 接收机的噪声系数愈小， 其实际接 收灵敏度就愈高。 在输入端的额定信号功率为 。 u2 五 二 c 二_二 4 凡4 尺 ( 式3 - 1 ) 额定噪声功率为 凡 = k t.f 接收机的输入信噪比等于 ( 式3 - 2 ) 第2 1 页 乙二 尸1 ( 4 k t r ; f ) p. ( 式3 - 3 ) 、 ， 二 二 *. 二 _ 二 。p_ 、 . ， 一_ _ . 、._二、二 _二 _. 右 安 冰4 r ij ld侣 rx 比 了尸 必 现等寸 r al大寸n ，则t a收机 的灵敏 度 为 几 e 2 = 4 k t r ,n ( n f ) .f( 式3 - 4 ) 在上面的公式中，r 为 接收 机输入端的 输入电 阻; e为接收机的实际灵敏度; u : 为接收机输入端的 信号电压; k 为波尔兹曼常数，等于1 . 3 8 x 1 0 - 2 3 焦耳/ 度; t 为电阻的绝对温度; of 为与电阻r 相联的电路的带宽或等效噪声带宽。 由此可得要尽量减少接收机的噪声系数，才能保证有较高的实际灵敏 度 。 3 . 5 . 3 无线通信的发展和新技术的展望 无线通信领域从模拟到数字、 从固定到移动的发展是无线电通信的两次 大的突破。 8 0 年代中期，欧洲率先推出了泛欧数字移动通信网 ( g s m )的体系，并 于1 9 9 1 年7 月投入商用。 而美国的蜂窝通信协会( c t 工 a ) 向电子工业协会( e i a ) 提交了与原有的a m p s 模拟系统兼容的双模式系统的技术方案， 并得到美国联 邦通信委员会 ( f c c )批准，成为美国数字蜂窝移动通信系统的标准，称之 为i s - 5 4 ， 又称为d - a m p s 。到前为止开发并实现的多种数字蜂窝系统主要有 t d m a 和c d m a 两种制式的多种标准。 这也是目 前所广泛应用的第二代移动通信 系统。 作为第二代系统采用的n -c d m a 比采用t d m a 的数字移动系统的性能、容 量和传输速度都有所提高，但还是受到传输频带窄的限制，不能真正发挥 c d m a 的特性。 第三代移动通信的特点是多媒体化和智能化。 可提供多元传输 速率、高性能、高质量的服务。而采用w -c d m a 方式能使c d m a 的特性得到充 分发挥， 能提供从声音、 传真、 数据、 图像到动画等的多媒体移动通信服务， 能降低投资、 运营费用及手机的价格。 根据国际电联对第三代移动通信系统 的要求，目前各大电信公司联盟均己提出了自己的第三代移动通信系统方 案，主要以日本n t t d o c o m 。 公司为首提出的w -c d m a ;美国朗讯、摩托罗拉 第22 页 等公司提出的宽带c d m a o n e ; 欧洲西门子、 阿尔卡特等公司提出的t d -c d m a . 总的来说， 在第三代移动通信系统中采用c d m a 技术已达成共识， 但各自实现 方案还有较大差别。 在3 ( 3 受关注的同时，软件无线电作为无线通信领域的一项突破性关键 技术，己引起国内外越来越多的关注， 它甚至被称为二十一世纪 “ 无线电世 界的个人计算机” 以及无线通信领域继模拟到数字、 固定到移动的第三次突 破。 软件无线电是9 0 年代提出的一个新名词， 软件无线电概念最早出现于军 事通信领域， 其目的是实现军事通信中不同通信频段、 不同信道调制方式及 各种数据方式的互操作性。 美军提出军用无线电的未来将是多频段多模式无 线电mu l t i b a n d mu l t i m o d e r a d i o , ，即m b mmr) ，同时开始研制并实现 m b m