电信综合实验指导书

1、电子信息工程专业综合实验指导书山东建筑大学信息与电气工程学院电子信息工程教研室2011年2月实验一、手持型远程抄表仪表初步设计一、实验目的1理解和掌握嵌入式系统的设计理念与设计方法。2掌握Protel 原理图设计方法。二、实验说明手持抄表器在使用抄表机之前，抄表以往的工作方式是采用人工、卡片抄表方式，这种抄表方式具有明显的不足：如手工抄写电量时字迹不清，在往PC机里转录数据的时候容易发生错误；抄表人员不到现场只进行估抄，不能够抄表到位；抄表人员对于熟悉的用户电量少抄或者不抄，容易发生人情电；手工抄表效率低下，在查询、记录、传输这几个环节上，手工操作的方式使工作效率大大降低。手持抄表机在电表定位

2、查询、电量数据的采集、传输、处理方面发挥着巨大的作用。抄表器功能：1、查询定位：可采用红外抄读、激光条码抄读、键盘输入表号或用户号等方式进行用户电表的查询和定位，查询定位后，有关当前用户的所有用电信息（上月电量、当前电量、已抄未抄等）都显示在抄表机上。2、设备检查：抄表机提供相应的设备故障登记程序，当电能表、集中器等设备存在异常状况的时候，如表坏、报停等情况，可以存入到抄表机的Flash中，当信息传输到用电管理系统端时，可在PC机的屏幕上清楚的显示出来。3、抄表：当设备不存在异常状况时，抄表人员可通过红外或手输的方式抄收电表或集中器上当月的用户电量。抄表机能够对当前抄表状态（如时间）进行记录，

3、为判断是否存在估抄、漏抄提供了依据；4、数据传输：当抄表工抄录数据完毕，将抄表机送回微机室，由数据管理人员将抄表机中的数据通过USB数据线或RS232串行方式传送给工作站处理，并将处理后的数据发送到服务器数据库中备份。由后台MIS管理系统进行下一步的电量统计、分析、打印报表等工作；三、实验设备序号名 称型号与规格数量1计算机通用12ARM试验箱13Protel 99 软件四、实验内容1嵌入式最小系统设计 根据实验说明选定嵌入式CPU主芯片，掌握芯片的功能，各管脚功能并根据所选芯片选择设计嵌入式最小系统。包括电源电路、时钟电路（晶振）、复位电路等电路。如图1所示。2存储器扩展电路设计 根据实验说

4、明选择至少两种功能进行设计，根据选择的设计功能选择存储器芯片，并设计CPU芯片与存储器连接电路。 3自选功能电路设计根据实验说明，选择至少两种功能进行设计，根据选择功能选择各功能芯片包括显示（LCD）功能、语音功能、数模转换功能（ADC）、LED显示与键盘输入功能、USB传输、UART通信串口功能、IC卡读写器设计（基于I2C）、等如图2所示。4根据所选功能电路，在Protel画出车载系统的硬件设计电路。五、预习思考题 根据嵌入式系统设计，复习各种硬件设计，分析车载系统功能，预习Protel设计软件。六、实验报告1分析基于嵌入式车载系统的功能实现。2简述并画出设计功能结构图，并用Protel实

5、现硬件设计图纸。3心得体会及其他。晶振电路CPU芯片复位电路电源 图1 最小系统电路数据采集器液晶显示屏操作键盘UART通信接口CPU芯片Flash存储器IC卡读写器数据存储器USB/RS232接口 图2 功能结构图实验二、建筑物与建筑群结构化综合布线系统安装与测试一、实验目的与要求结构化综合布线系统如今已是智能建筑电气工程设计必不可少的内容之一。对于毕业设计选择建筑工程类电气设计特别是弱电系统设计题目的学生，在开始毕业设计工作之前，通过本实验，使学生加深对建筑物及建筑群弱电布线和计算机通信工程相关知识的理解和掌握，提高设计的基本技能及分析、解决实际工程问题的能力，更好地完成毕业设计任务。实验

6、基本要求： 1提高学生综合运用知识的能力，通过独立思考，深入钻研有关问题，学会独立分析、解决实际问题的方法。 2通过实际安装和操作，培养学生动手能力。 3通过实际操作，加深学生对综合布线系统各子系统及相关各种材料的认识。4通过实际操作，让学生初步掌握基本的工程安装规范。二、实验内容在系统学习综合布线系统基本理论及相关标准和规范的基础上，学习并掌握一般布线系统的安装技术1配线架的辨识、布置与安装认识机柜式配线架、普通安装配线架、110系列配线架、RJ45配线架。了解机柜式配线架的安装方法。了解普通配线架的安装方法。了解线缆管理器或过线槽的作用、配置及安装方式。2水平电缆的辨识与卡接认识水平电缆，

7、掌握电缆各种标示的含义。掌握电缆在配线架内的走线方式和卡接顺序。掌握常用卡接工具的功能和使用方法。掌握水平电缆的卡接规范。3垂直电缆的辨识与卡接认识大对数电缆的标识。掌握电缆在配线架内的走线方式和卡接顺序。掌握常用卡接工具的功能和使用方法。掌握垂直电缆的卡接规范。4信息插座的辨识与安装认识常用的各种信息插座面板。掌握一般信息插座模块的接线规范和线序排列。掌握信息插座模块的卡接技术。掌握信息插座的和面板的安装。5设备子系统、管理子系统的维护了解配线架的标识方法。了解跳线的作用、种类和使用方法。6链路测试理解链路和信道的概念。掌握基本链路的测试方法。掌握一般常用测试仪表的使用方法。了解综合测试仪的

8、测试功能和使用方法。三、实验报告要求1对所有实际动手操作完成的实验内容，要求写出实验步骤；2对测试结果进行完整记录，写入实验报告；3对异常测试结果进行分析，在报告中写明原因。4对本实验项目提出意见和建议。四、成绩评定1考核依据1）学生在实验期间的实际表现及工作能力。2）实验报告质量。2评分方式实验成绩按百分制计分，系统安装占本实验总成绩的60%，实验报告占本实验总成绩的40%。五、时间安排 本实验计划学时为25天。实验三、数字图像的退化与复原一、实验目的1掌握数字图像的存取与显示方法。2理解数字图像运动模糊、高斯模糊以及其他噪声引起模糊（图像降质现象）的物理本质。3掌握matlab的开发环境。

9、4掌握降质图像的逆滤波复原和维纳滤波复原方法。 二、实验原理此实验是对数字图像处理课程的一个高级操作。在深入理解与掌握数字图像退化的基础理论上，利用逆滤波与维纳滤波方法对数字图像进行复原。1 图像的退化 数字图像在获取过程中，由于光学系统的像差、光学成像衍射、成像系统的非线性畸变、成像过程的相对运动、环境随机噪声等原因，图像会产生一定程度的退化。2 图像的复原 图像复原是利用图像退化现象的某种先验知识，建立退化现象的数学模型，再根据模型进行反向的推演运算，以恢复原来的景物图像。因而图像复原可以理解为图像降质过程的反向过程。3 图像降质的数学模型图像复原处理的关键问题在于建立退化模型。输入图像f

10、(x,y)经过某个退化系统后输出的是一幅退化的图像。为了讨论方便，把噪声引起的退化即噪声对图像的影响一般作为加性噪声考虑。原始图像f(x,y)经过一个退化算子或退化系统H(x,y)的作用，再和噪声n(x,y)进行叠加，形成退化后的图像g(x,y)。图1表示退化过程的输入和输出关系，其中H(x,y)概括了退化系统的物理过程，就是要寻找的退化数学模型。f(x,y)H(x,y)+n (x,y)g(x,y)图1 图像的退化模型数字图像的图像恢复问题可以看作是：根据退化图像g(x,y)和退化算子H(x,y)的形式，沿着反向过程去求解原始图像f(x,y)。图像退化的过程可以用数学表达式写成如下形式： g(

11、x,y)=Hf(x,y)+n(x,y) (1)在这里，n(x,y)是一种统计性质的信息。在实际应用中，往往假设噪声是白噪声，即它的频谱密度为常熟，并且与图像不相关。在对退化系统进行了线性系统和空间不变系统的近似之后，连续函数的退化模型在空域中可以写成：g(x,y)=f(x,y)*h(x,y)+n(x,y) (2)在频域中可以写成：G(u,v)=F(u,v)H(u,v)+N(u,v) (3)其中，G(u,v)、F(u,v)、N(u,v)分别是退化图像g(x,y)、原图像f(x,y)、噪声信号n(x,y)的傅立叶变换；H(u,v)是系统的点冲击响应函数h(x,y)的傅立叶变换，称为系统在频率域上的

12、传递函数。可见，图像复原实际上就是已知g(x,y)求f(x,y)的问题或已知G(u,v)求F(u,v)的问题，它们的不同之处在于一个是空域，一个是频域。4 逆滤波逆滤波是非约束复原的一种。非约束复原是指在已知退化图像g的情况下，根据对退化系统H和n的一些了解和假设，估计出原始图像，使得某种事先确定的误差准则为最小。由于g = Hf + n (4)我们可得：n = g - Hf (5)逆滤波法是指在对n没有先验知识的情况下，可以依据这样的最有准则，即寻找一个，使得H在最小二乘方误差的意义下最接近g，即要使n的模或范数（norm）最小： (6)上式的极小值为： (7)如果我们在求最小值的过程中，不

13、做任何约束，由极值条件可以解出为： (8)对上式进行傅立叶变换得： (9)可见，如果知道g(x,y)和h(x,y)，也就知道了G(u,v)和H(u,v).根据上式，即可得出F(u,v)，再经过反傅立叶变换就能求出f(x,y)。 逆滤波是最早应用于数字图像复原的一种方法，并用此方法处理过由漫游者、探索者等卫星探索发射得到的图像。5 维纳滤波维纳滤波是最小二乘类约束复原的一种。在最小二乘类约束复原中，要设法寻找一个最有估计，使得形式为的函数最小化。求这类问题的最小化，常采用拉格朗日乘子算法。也就是说，要寻找一个，使得准则函数 (10)为最小。求解得到 (11)式中，。如果用图像f和噪声的相关矩阵R

14、f和Rn表示Q，就可以得到维纳滤波复原方法。具体维纳滤波复原方法的原理请参考相关图书。三、实验仪器和设备PC机1台，原始Lena图像文件，matlab编程软件四、预习要求1复习matlab编程软件的使用方法；2复习数字图像处理的一些相关知识；3复习数字图像退化与复原的基本原理；4学习在matlab中如何进行数字图像的退化与复原操作。五、实验内容及步骤1安装Matlab6.x软件实验平台 （如系统已安装Matlab 6.软件 ，直接进第二步）。 2. 读取Lena图像并显示。 3. 设计运动滤波器、设计高斯模糊噪声滤波器。 4. 生成退化或降质图像并显示。 5. 修改相关滤波器参数，观察图像退化

15、或降质程度。 6. 设计逆滤波器，并对降质图像进行复原，比较复原图像与原始图像。 7. 设计维纳滤波器，并对降质图像进行复原，比较复原图像与原始图像。 8. 计算退化图像、不同方法复原后图像的信噪比。六、实验报告要求1. 要求写出上述8个步骤的原代码。 2. 对上述现象进行分析，并得出相关结论。七. 思考题1. 在运动模糊中，图像退化与哪些因素有关？2. 描述无约束图像复原的病态性质。3. 说明噪声对图像复原的影响实验四、数字信号处理在双音多频拨号系统中的应用一、实验目的1了解双音多频信号的产生、检测、包括对双音多频信号进行DFT时的参数选择等。2初步了解数字信号处理在是集中的使用方法和重要性

16、。3掌握matlab的开发环境。二、实验原理双音多频（Dual Tone Multi Frequency, DTMF）信号是音频电话中的拨号信号，由美国AT&T贝尔公司实验室研制，并用于电话网络中。这种信号制式具有很高的拨号速度，且容易自动监测识别，很快就代替了原有的用脉冲计数方式的拨号制式。这种双音多频信号制式不仅用在电话网络中，还可以用于传输十进制数据的其它通信系统中，用于电子邮件和银行系统中。这些系统中用户可以用电话发送DTMF信号选择语音菜单进行操作。DTMF信号系统是一个典型的小型信号处理系统，它要用数字方法产生模拟信号并进行传输，其中还用到了D/A变换器；在接收端用A/D变换器将其

17、转换成数字信号，并进行数字信号处理与识别。为了系统的检测速度并降低成本，还开发一种特殊的DFT算法，称为戈泽尔(Goertzel)算法，这种算法既可以用硬件（专用芯片）实现，也可以用软件实现。下面首先介绍双音多频信号的产生方法和检测方法，包括戈泽尔算法，最后进行模拟实验。下面先介绍电话中的DTMF信号的组成。在电话中，数字0-9的中每一个都用两个不同的单音频传输，所用的8个频率分成高频带和低频带两组，低频带有四个频率：679Hz,770Hz,852Hz和941Hz；高频带也有四个频率：1209Hz,1336Hz,1477Hz和1633Hz.。每一个数字均由高、低频带中各一个频率构成，例如1用6

18、97Hz和1209Hz两个频率，信号用表示，其中，。这样8个频率形成16种不同的双频信号。具体号码以及符号对应的频率如表4.1所示。表中最后一列在电话中暂时未用。 表4.1 双频拨号的频率分配 列行1209Hz1336Hz1477Hz633Hz697Hz 123A770Hz 4 5 6 B852Hz 7 8 9C942Hz * 0 # D DTMF信号在电话中有两种作用，一个是用拨号信号去控制交换机接通被叫的用户电话机，另一个作用是控制电话机的各种动作，如播放留言、语音信箱等。2 电话中的双音多频（DTMF）信号的产生与检测（1）双音多频信号的产生假设时间连续的 DTMF信号用表示，式中是按照

19、表10.10.1选择的两个频率，代表低频带中的一个频率，代表高频带中的一个频率。显然采用数字方法产生DTMF信号，方便而且体积小。下面介绍采用数字方法产生DTMF信号。规定用8KHz对DTMF信号进行采样，采样后得到时域离散信号为 形成上面序列的方法有两种，即计算法和查表法。用计算法求正弦波的序列值容易，但实际中要占用一些计算时间，影响运行速度。查表法是预先将正弦波的各序列值计算出来，寄存在存储器中，运行时只要按顺序和一定的速度取出便可。这种方法要占用一定的存储空间，但是速度快。 因为采样频率是8000Hz，因此要求每125ms输出一个样本，得到的序列再送到D/A变换器和平滑滤波器，输出便是连

20、续时间的DTMF信号。DTMF信号通过电话线路送到交换机。 （2）双音多频信号的检测在接收端，要对收到的双音多频信号进行检测，检测两个正弦波的频率是多少，以判断所对应的十进制数字或者符号。显然这里仍然要用数字方法进行检测，因此要将收到的时间连续 DTMF信号经过A/D变换，变成数字信号进行检测。检测的方法有两种，一种是用一组滤波器提取所关心的频率，根据有输出信号的2个滤波器判断相应的数字或符号。另一种是用DFT（FFT）对双音多频信号进行频谱分析，由信号的幅度谱，判断信号的两个频率，最后确定相应的数字或符号。当检测的音频数目较少时，用滤波器组实现更合适。FFT是DFT的快速算法，但当DFT的变

21、换区间较小时，FFT快速算法的效果并不明显，而且还要占用很多内存，因此不如直接用DFT合适。下面介绍Goertzel算法，这种算法的实质是直接计算DFT的一种线性滤波方法。这里略去Goertzel算法的介绍（请参考文献19），可以直接调用MATLAB信号处理工具箱中戈泽尔算法的函数Goertzel，计算N点DFT的几个感兴趣的频点的值。 3 检测DTMF信号的DFT参数选择 用DFT检测模拟DTMF信号所含有的两个音频频率，是一个用DFT对模拟信号进行频谱分析的问题。根据第三章用DFT对模拟信号进行谱分析的理论，确定三个参数：（1）采样频率，（2）DFT的变换点数N，（3）需要对信号的观察时间

22、的长度。这三个参数不能随意选取，要根据对信号频谱分析的要求进行确定。这里对信号频谱分析也有三个要求： （1）频率分辨率，（2）谱分析的频谱范围，（3）检测频率的准确性。 1 频谱分析的分辨率。观察要检测的8个频率，相邻间隔最小的是第一和第二个频率，间隔是73Hz，要求DFT最少能够分辨相隔73Hz的两个频率，即要求。DFT的分辨率和对信号的观察时间有关， 。考虑到可靠性，留有富裕量，要求按键的时间大于40ms。 2 频谱分析的频率范围 要检测的信号频率范围是6971633Hz，但考虑到存在语音干扰，除了检测这8个频率外，还要检测它们的二次倍频的幅度大小，波形正常且干扰小的正弦波的二次倍频是很小

23、的，如果发现二次谐波很大，则不能确定这是DTMF信号。这样频谱分析的频率范围为6973266Hz。按照采样定理，最高频率不能超过折叠频率，即，由此要求最小的采样频率应为7.24KHz。因为数字电话总系统已经规定8KHz，因此对频谱分析范围的要求是一定满足的。按照，8KHz，算出对信号最少的采样点数为。 3 检测频率的准确性 这是一个用DFT检测正弦波频率是否准确的问题。序列的N点DFT是对序列频谱函数在0区间的N点等间隔采样，如果是一个周期序列，截取周期序列的整数倍周期，进行DFT，其采样点刚好在周期信号的频率上，DFT的幅度最大处就是信号的准确频率。分析这些DTMF信号，不可能经过采样得到周

24、期序列，因此存在检测频率的准确性问题。 DFT的频率采样点频率为（k=0,1,2,-,N-1），相应的模拟域采样点频率为（k=0,1,2,-,N-1），希望选择一个合适的N，使用该公式算出的能接近要检测的频率，或者用8个频率中的任一个频率代入公式中时，得到的k值最接近整数值，这样虽然用幅度最大点检测的频率有误差，但可以准确判断所对应的DTMF频率，即可以准确判断所对应的数字或符号。经过分析研究认为N205是最好的。按照8KHz，N205，算出8个频率及其二次谐波对应k值，和k取整数时的频率误差见表4.2。表4.28个基频Hz最近的整数k值DFT的k值绝对误差二次谐波Hz对应的k值最近的整数k值

25、绝对误差69717.861180.139139435.024350.02477019.531200.269154038.692390.30885221.833220.167170442.813430.18794124.113240.113188247.285470.285120930.981310.019241860.752610.248133634.235340.235267267.134670.134147737.848380.152295474.219740.219163341.846420.154326682.058820.058通过以上分析，确定8KHz，N205，。 4 DTMF信号的产生与识别仿真实验下面先介绍MATLAB工具箱函数goertzel，然后介绍DTMF信号的产生与识别仿真实验程序。G