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频分复用、霍夫曼编码、网络流量、Web Server、DSK语音、同步与定时和串行通信系统设计.doc
DZ089频分复用、霍夫曼编码、网络流量、Web Server、DSK语音、同步与定时和串行通信系统设计
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DZ089频分复用、霍夫曼编码、网络流量、Web Server、DSK语音、同步与定时和串行通信系统设计,毕业设计
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摘 要 摘 要 综合课题毕业设计包括 8个设计课题：频分复用 、霍夫曼编码、网络流量、Web Server、 DSK语音、同步与定时和 串行通信。 传输专题要求理解通信各个环节的电路以及功率和带宽的计算，然后 利 用Protel绘制出各个单元电路，例如振荡电路、调制电路、分频电路等等。 霍夫曼编码是在充分理解了霍夫曼编码的原理之后编写一个软件来实现霍夫曼编码的功能，并分析压缩率。 网络流量课题的设计目的是通过从不同的角度对数据进行分析，得到结论，然后利用网络知识解释分析流量变化原因。 Web Server专题要求 了解嵌入式系 统开发环境，通过服务器端程序的编写了解 基本的动态网站的设计方法。 DSK 语音设计要求理解 DSK 语音在工程实现上的方法。根据设计要求，给出一种语音编解码的实现方案，基于 TI公司提供的 TMS320VC5416 DSK 给出实现结果；通过本实验体会并初步学会 DSP技术的实现方法及开发流程。 同步与定时专题要求设计 AD9959 的外围电路，然后设计一个软件来控制AD9959使之输出我们需要的频率。 串行通信专题要求进一步了解串行通信的基本原理；掌握串行接口芯片的工作原理和编程方法。 关键 词 ： 频分复用 ，霍夫曼编码，网络 流量， Web Server， DSK 语音，同步与定时，串行通信 ntsABSTRACT Abstract This diploma design contains eight projects: FDM, Huffman code, Network flux, Web server, DSK voice process, DDS and Serial communicate. FDM project requires deep understanding of the process of communication, then design some important parts of the circuit. In Huffman code project, I design a software which help us to make Huffman code come true. Network flux project let us analyze the flux between two nets. Web server projects aim is make us know the basic method of how to design a website based on C/S. DSK voice process offers a solution to transmit voice through DSP process. In DDS design we design circuit for AD9959, and then we use VB to write a program to control the AD9959 to generate the frequency we desire. Keywords: FDM, Huffman code, Network flux, Web server, DSK voice process, DDS and Serial communicate nts目 录 目 录 第一章 传输专题（频分复用） . 1 1.1 设计 原理 . 1 1.2 系统的带宽和功率计算 . 2 1.2.1 功率计算 . 2 1.2.2 带宽计算 . 2 1.3 单元电路设计 . 3 1.3.1 振荡电路 . 3 1.3.2 同向输入放大器 . 4 1.3.3 加法器 . 4 1.3.4 调制电路 . 5 1.3.5 滤波器 . 5 1.3.7 四 二转换器电路 . 6 1.3.8 频率合成器 . 7 1.4 系统总电路图 . 8 1.5 总结和体会 . 12 第二章 霍夫曼编码 . 13 2.1 设计目的与要求 . 13 2.2 设计原理 . 13 2.3 设计过程 . 14 2.3.1 霍夫曼编码的软件流程 . 15 2.3.2 设计结果 . 15 2.4 设计结果分析 . 16 2.4.1 生成测试文件 . 16 2.4.2 随机文件读取 . 17 2.4 总结 . 19 第三章 网络流量监测及分析 . 21 3.1 设计背景和目的 . 21 3.2 设计要求 . 21 3.3 监测及分析的原理 . 22 nts目 录 3.3.1 监测的原理 . 22 3.3.2 监测软件 Sniffer . 22 3.4 方法与过程 . 22 3.5 数据包分析 . 23 3.6 全天数据总流量变化图 . 27 3.7 流量分析 . 27 3.7.1 网络进出流量分析 . 27 3.7.3 TCP 和 UDP 流量分析 . 28 3.7.4 FTP 流量分 析 . 29 3.8 安全漏洞 . 29 3.9 结论与体会 . 30 第四章 WEB SERVER . 31 4.1设计目的 . 31 4.2设计环境 . 31 4.2.1 硬件环境 . 31 4.2.2 软件环境 . 32 Linux 系统 . 32 虚拟机 . 32 4.3 基本操作 . 32 4.5 HTTP协议简介 . 33 4.5.1 报文 . 33 4.5.2 请求报文 . 34 4.5.3 响应报文 . 34 4.5.4 首部 . 35 4.6 TCP通信流程 . 36 4.7 程序功能实现 . 37 4.7.1功能实现设计思想 . 37 4.7.2程序中相关代码解释 . 38 4.8程序最终效果 . 41 4.9 总结 . 42 第五章 DSK语音 . 43 nts 目 录 5.1 设计目的 . 43 5.2 设计环境 . 43 5.2.1 硬件设备 . 43 5.2.2 软件 . 44 5.3 设计原理 . 45 5.3.1 DSK 语音编解码原理： . 45 5.3.2 PCM3002 的结构框图如下图： . 45 5.4 设计步骤 . 45 5.4.1 PCM3002 CODEC API 介绍 . 45 5.4.2 为设计好的方案画各部分的流程图。 . 46 5.4.3 根据流程图用 C 语言写程序。 . 46 5.4.4 编译调试 . 47 5.5 总结 . 49 第 6 章 DDS 频率合成技术 . 50 6.1 引言 . 50 6.2 硬件电路设计 . 52 6.3 软件设计 . 54 6.3.1 程序重要模块分析 . 55 6.3.2 总体流程图 . 56 6.4 总结 . 60 第 7 章 串行通信 . 61 7.1 引言 . 61 7.2 设计方案 . 61 7.2.1 8250A 简介 . 61 7.2.2 8250A 内部寄存器。 . 62 7.3 8250 与 PC 机通信 . 64 7.3.1 串行口连接示意图 . 64 7.3.2 设计流程图 . 65 7.3.3 设计电路图 . 65 7.4 设计改进 . 66 nts目 录 7.4.1 程序改进 . 66 7.4.2 硬件改进 . 67 7.5 总结 . 69 参考文献 . 70 致 谢 . 71 外文资料原文 . 72 译 文 . 74 nts 第一章 传输专题 1 第一章 传输专题 （频分复用） 1.1 设计原理 用于传输信号的许多系统都可以提供一个比信号所要求的频带宽的多的带宽。利用正弦幅度调制把它们的频谱在频率上进行搬移，使已调信号的频谱不再重叠，那样就能够在同一个宽带信道上同时传输这些信号 。 这就是频分复用的概念。 在 频分复用系统中，每一个信号的频谱 在正的和负的频率上重复，因此已调信号就占据了原始信号两倍的带宽， 这一点在频带的利用上是不经济的。所以我们采用单边带调制频分复用。 频分复用 系统的 原理方框图如下图所示。 图 1-1 频分复用原理图 由于消息信号往往不是严格的限带信号，因而在发送端各路消息首先经过低通滤波，以便限制各路信号的最高频率，为了分析问题的方便，这里我们假设各路的 fm 都相等。然后对各路信号进行线性调制，各路调制器的载波频率不同。 在选择载频时，应考虑到边带频谱的宽度。同时 为了防止邻路信号间的相互干扰，还应留有一定的保护频带，即 )()()1(gmcc ffifif i =1， 2. n 公式（ 1-1） 其中 : )1( ifc与 )(ifc分别为第 i +1 路与 i 路的载频频率 ； nts电子科技大学学士学位论文 2 mf:每一路调制信号的最高频率 ,本设计中为 3.4KHz； gf:邻路间保护带。 邻 路间的保护频带gf越大，则在邻路信号干扰指标相同的情况下，对带通滤波器的技术指标的要求就可以放宽一些 ,但这时占用的总的频带就要加宽，这对提高信道复用率不利。因此在实际中，通常提高带通滤波器的技术指标，尽量减小邻路间的保护频带gf。 各路已调信号相加送入信道之前，为了免它们的频谱重叠，还要经过带通滤波器。在信道中传送的 n 路信号的总的频带宽度最小应等于： mmgmgmn fBnfffnfnnfB 1)1()(1()1(公式（ 1-2） 式中 1B =gm ff ，它是一路信号占用的带宽。 在频分复用系统的接收端，首先用带通滤波器 (BPF)来区分各路信号的频谱 ,然后通过各自的相干解调器解调 ,再经低通滤波后输出 ,便可恢复各路的调制信号。 1.2 系统的带宽和功率计算 在这个系统中首先要解决带宽和功率问题。 1.2.1 功率计算 每调制一次 ,电压幅度就衰减 1/2,经过两次调制 ,电压幅度衰减为原来的1/4。在二 四线转换中 ,电压 还要衰减 1/2，总的电压衰减为 1/8。按照功率与电压的关系，总功率就衰减了 1/64。而根据设计要求 ,线路上的信号总功率为 0.9mw,分到每一路信号的功率为 0.9/24mw。由此可见要加放大器对发射信号进行放大。同理也要加放大器对接受信号进行放大。经过计算要对发射信号放大 24倍。 1.2.2 带宽计算 实际中语音信号频带 300Hz 3400Hz，电缆传输频带 60KHz 156KHz，每路话音信号取 4kHz 作为标准频带，由题目所给 ,电缆传输频带 60kc156kHz,带宽96kHz。由于是全双工 ,96kHZ 的带宽 正好可容纳 24 路信号 ,即 A B， 12 路 ,B A，12 路。它们在一个信道上传输 ,这样就充分利用了信道资源。 nts 第一章 传输专题 3 在采用滤波法的时候要考虑过渡带。因为实际中语音信号频带 300Hz3400Hz，所有允许过渡带为 600HZ。而实现滤波器的难易与过渡带相对于载频的归一化值有关。过渡带相对于载频的归一化值计算方法如下式 ： CL ff /1公式（ 1-3） 题目要求 =0.01 ，随着载频的提高，就满足不了题目要求，所有我们采用二次调制。第一次用 12KHz,16KHz,20KHz 调制形成前群。按最高载频计算 , =600/20*103=0.03,即 3% 。第二次用 84KHz,96 KHz,108 KHz,120KHz 调制 ,按最高载频 120KHZ 计算 , =24*103/120*103 =0.2 1.3 单元电路设计 单元电路包括振荡电路、放大器、幅度调制电路、解调电路、 滤波器、加法器、四二转换器电路、载频提取电路 、频率合成电路。 1.3.1 振荡电路 电感分压反馈型振荡器电路，如图 1 1 所示。 图中：电阻1bR、2bR、eR、eC构成直流偏置电路；电容bC为隔直流电容。 1L 、2L 和 C 为振荡元件。 图 1-1 振荡器电路 nts电子科技大学学士学位论文 4 设输入信号在基极的瞬时极性为正。在共集 放大器中，集电极输出信号在同一瞬间的瞬时极性为负。此信号经过电抗元件 1L 、 2L 和 C 构成的振荡回路，在 1L两端的瞬时极性和集电极上的一样，也为负。那么，在 2L 下端的瞬时极性就应该为正。 因此回送给基极的反馈信号与输入信号的瞬时极性符号相同，故此电路为正反馈环路，满足相位平衡条件。如果这个电路同时还满足 AB1，那么该电路就可以起振。 A 是放大器的开环增益； B 是反馈网络的反馈系数。其起振频率 公式 为 1： CLf 10 21公式（ 1-4） 取 C 100 pF ， 1L 7mH，则0f 6KHz。 1.3.2 同向输入放大器 同向输入放大器电路如图 1 2 所示。信号sU自同向端输入，eR和fR组成反馈网络，跨接在输入端和反相输入端之间，形成串联电压负反馈。 图 1 2 放大器 输出信号与输入信号的关系是： sf URRU )/1( 10 公式（ 1-5） 我们取fR 900 ， 1R 100 ，则放大倍数是 10。 1.3.3 加法器 加法器总共要 4 个，在前群调制时需要 3 个，在二次调制时需要一个来插入导频。 同向比例加法器如图 1 3 所示： nts 第一章 传输专题 5 图 1 3 同向加法器 当满足 1R = 2R =3R=fR时，输出信号与输入信号的关系是： 0U=1sU+2sU+3sU公式（ 1-6） 1.3.4 调制电路 我们采用 MC1596 来实现调制。 图 1 4 调制电路 1.3.5 滤波器 k 称为过渡比，定义为 spk 公式（ 1 7） k1 称为分辨参数，定义为 nts电子科技大学学士学位论文 6 11 2 Ak公式（ 1 8） 我们假设峰值通带纹波 1dB，最小阻带衰减 40dB，所要用到的公式有： 11 1lg10 2 公式（ 1 9） 401lg10 2 A 公式（ 1 10） kkN1lg11lg公式（ 1 11） 通带截止频率 f 1KHz，阻带截止频率 f 3.7KHz， 25895.02 100002 A 7.3/1 psk 51334.1961/1 k 于是得到 N 4.03623，我 们取 N 5。 高通滤波器是用于在两次调制时获取上边带或者下边带的。 第一次用 12KHz,16KHz,20KHz 调制形成前群后，取上边带，我们举调制频率 12KHz 为例，通带截止频率是 12300Hz 和 15400Hz，阻带截止频率是 11700Hz和 15700Hz。通带宽均为 4KHz 第二次用 84KHz,96KHz,108KHz,120KHz 进行调制 ,取下边带 ,从而将四个前群调制到了 60KHZ108KHZ 的频带上。我们举调制频率 84KHz 为例，通带截止频率是 72KHz 和 60Hz，阻带截止频率是 96Hz 和 36KHz。通带宽均为 12KHz。 1.3.7 四 二转换器电路 由于语音信号是收和发同时存在 (收二线 ,发二线 ),所以是四线 ,而传输线是二nts 第一章 传输专题 7 线 ,这就需要进行四 二线转换。在将二次群信号送入电缆传输时 ,为了使发送方不至于收到自己发出的信号 ,采用混合线圈。混合线圈原理是一个平衡电桥 ,使本端发送的信号不能渗漏到本端的接收信号处而形成回波。 输入端是 B1 和 GND，输入被 R2 和 R3 分压，输出端是 A2 和 A1，传输线二线输入和输出是一样的。当电桥平衡时 (4 个电阻大小相等 ),发端信号在收端 A, B 两点产生的电位相等 ,A 到 B 间无电流流过 ,所以收端不会收到发端信号。而对发端和收端来说 ,输入 ,输出阻抗均为 600。具体电路如图 1 5 所示： 图 1 5 四二转换器 1.3.8 频率合成器 由 振荡器 电路 产生标准频率源sf，经参考分频器 R 分频后，得到参考频率 rf =sf/R 送到鉴相器的一输入端， VCO 输出频率0f经 N 分频后送到鉴相器的二输入端 。 环路锁定时有 rf =0f/N， 因此 VCO 输出信号频率为0f= N sf/R= N rf 。即输出信号频率0f为输入参考信号频率 rf 的 N倍，改变 N(分频系数 )就可得到不同频率的输出 。图 1 6 是频率合成的原理图。 图 1 6 频率合成原理图 nts电子科技大学学士学位论文 8 CD4046是低频 多功能单片集成 锁相环路。具有电源电压范围宽、功耗低和输入阻抗高等优点，最高工作频率为 1MHz。 由 CD4046 组成的频率合成器如 下 图所示。 图 1 7 频率合成器 1.4 系统总电路图 前群调制的载波分别为 12KHz,16KHz,20KHz。分为 4 个前群调制模块。前群调制模块原理图如 下 图所示： 图 1 8 前群调制原理图 第一路信号 加法器 第二路信号 调制电路 1 第三路信号 调制电路 2 调制电路 3 nts 第一章 传输专题 9 前群调制模块的电路图如 下 图所示： 图 1 9 前群调制电路图 4 个前群调制组成二次调制， 第二次用 84KHz,96 KHz,108 KHz,120KHz 载波调制 ， 导频也是在这里插入， 原理框图如下： 图 1 10 二次调制原理图 前群调制模块 1 前群调制模块 2 前群调制模块 3 前群调制模块 4 调制电路 1 调制电路 2 调制电路 3 调制电路 4 加法器 放大器 四 -二转换器 导频 输出 nts电子科技大学学士学位论文 10 电路图如 下 图所示： 图 1 11 二次调制电路图 通过窄带滤波器可以提取出导频，然后通过频率合成器可以生成相干检波所需的载波。 解调模块的原理图 ， 图 1 11 解调模块的原理图 BPF 截止频率（ 60+4N）KHz(64+4N)KHz 放大器 乘法检波器 LPF截止频率 4KHz 窄带滤波器 频率合成器 信号 输出 nts 第一章 传输专题 11 解调模块的电路图： 图 1 12 解调模块的电路图 整个解调电路的原理框图如图所示： 低通滤波 相干解调 相干解调 相干解调 低通滤波 低通滤波 64khz 68khz 104khz Out1 Out2 Out12 截止频率 4khz 带通滤波器 2 6468khz 6064khz 带通滤波器 12 104108khz 信号 频率合成器 频率合成器 频率合成器 60KHz 带通滤波器 1 nts电子科技大学学士学位论文 12 图 1 13 解调电路原理框图 1.5 总结和体会 在设计过程中， 我复习了通信原理和通信电子线路的相关知识，将这些知识应用到设计中来，对频分复用有了更深入的理解。并且 我对 Protel 的操作熟练多了，对电路图的绘制有了进一步提高；对于通信过程中所要涉及到的 各个模块有了更深的了解 。 nts 第 二 章 霍夫曼编码 13 第 二 章 霍夫曼编码 2.1 设计目的与要求 通过本专题设计，掌握熵编码的原理和方法，并熟悉 C 语言的使用。 霍夫曼（ Huffman）编码是 1952 年为文本文件而建立，是一种统计编码。属于无损压缩编码 。 霍夫曼编码的码长是变化的 ，对于出现频率高的信息，编码的长度较短；而对于出现频率低的信息，编码长度较长。这样，处理全部信息的总码长一定小于实际信息的符号长度。 2.2 设计原理 Huffman 于 1952 年提出一种编码方法，该方法完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短的码字，有时称之为最佳编码，一般就称 Huffman 编码。下面引证一个定理，该定理保证了按字符出现概率分配码长，可使平均码长最短。 定理：在变字长编码中，如果码字长度严格按照对应符号出现的概率大小逆序排列，则其平均码字长度为最小。 现在通过一个实例来说明上述定理的实现 过程。设将信源符号按出现的概率大小顺序排列为 ： 表 2 1 分布率 1 U a1 A2 a3 a4 a5 a6 a7 0.20 0.19 0.18 0.17 0.15 0.10 0.01 给概率最小的两个符号 a6 与 a7 分别指定为“ 1”与“ 0”，然后将它们的概率相加再与原来的 a1a5 组合并重新排序成新的原为： 表 2 2 分布率 2 U a1 a2 a3 a4 a5 a6 0.20 0.19 0.18 0.17 0.15 0.11 对 a5 与 a 6 分别指定“ 1”与“ 0”后，再作概率相加并重新按概率排序 得 nts电子科技大学学士学位论文 14 U：（ 0.26 0.20 0.19 0.18 0.17） 直到最后得 U：（ 0.61 0.39） 霍夫曼编码的具体方法：先按出现的概率大小排队，把两个最小的概率相加，作为新的概率和剩余的概率重新排队，再把最小的两个概率相加，再重新排队，直到最后变成 1。每次相加时都将“ 0”和“ 1”赋与相加的两个概率，读出时由该符号开始一直走到最后的“ 1”， 将路线上所遇到的“ 0”和“ 1”按最低位到最高位的顺序排好，就是该符号的霍夫曼编码。 例如 a7 从左至右，由 U 至 U，其码字为 0
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