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
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,频分复用,霍夫曼,编码,网络流量,web,server,dsk,语音,同步,定时,以及,串行,通信,通讯,系统,设计
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ABSTRACTAbstractThis 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目 录目 录第一章 传输专题(频分复用) .11.1 设计原理 .11.2 系统的带宽和功率计算 .21.2.1 功率计算 .21.2.2 带宽计算 .21.3 单元电路设计 .31.3.1 振荡电路 .31.3.2 同向输入放大器 .41.3.3 加法器 .41.3.4 调制电路 .51.3.5 滤波器 .51.3.7 四 二转换器电路 .61.3.8 频率合成器 .71.4 系统总电路图 .81.5 总结和体会 .12第二章 霍夫曼编码 .132.1 设计目的与要求 .132.2 设计原理 .132.3 设计过程 .142.3.1 霍夫曼编码的软件流程 .152.3.2 设计结果 .152.4 设计结果分析 .162.4.1 生成测试文件 .162.4.2 随机文件读取 .172.4 总结 .19第三章 网络流量监测及分析 .213.1 设计背景和目的 .213.2 设计要求 .213.3 监测及分析的原理 .22目 录3.3.1 监测的原理 .223.3.2 监测软件 Sniffer.223.4 方法与过程 .223.5 数据包分析 .233.6 全天数据总流量变化图 .263.7 流量分析 .273.7.1 网络 进出流量分析 .273.7.3 TCP 和 UDP 流量分析 .283.7.4 FTP 流量分析 .283.8 安全漏洞 .293.9 结论与体会 .30第四章 WEB SERVER.314.1设计目的 .314.2设计环境 .314.2.1 硬件环境 .314.2.2 软件环境 .324.2.2.1 Linux 系统 .324.2.2.2虚拟机 .324.3 基本操作 .324.5 HTTP协议简介 .334.5.1 报文 .334.5.2 请求报文 .344.5.3 响应报文 .344.5.4 首部 .354.6 TCP通信流程 .364.7 程序功能实现 .374.7.1功能实现设计思想 .374.7.2程序中相关代码解释 .384.8程序最终效果 .414.9 总结 .42第五章 DSK 语音 .43目 录5.1 设计目的 .435.2 设计环境 .435.2.1 硬件设备 .435.2.2 软件 .445.3 设计原理 .455.3.1 DSK 语音编解码原理: .455.3.2 PCM3002 的结构框图如下图: .455.4 设计步骤 .455.4.1 PCM3002 CODEC API 介绍 .455.4.2 为设计好的方案画各部分的流程图。 .465.4.3 根据流程图用 C 语言写程序。 .465.4.4 编译调试 .475.5 总结 .49第 6 章 DDS 频率合成技术 .506.1 引言 .506.2 硬件电路设计 .526.3 软件设计 .546.3.1 程序重要模块分析 .556.3.2 总体流程图 .566.4 总结 .60第 7 章 串行通信 .617.1 引言 .617.2 设计方案 .617.2.1 8250A 简介 .617.2.2 8250A 内部寄存器。 .627.3 8250 与 PC 机通信 .647.3.1 串行口连接示意图 .647.3.2 设计流程图 .657.3.3 设计电路图 .657.4 设计改进 .66目 录7.4.1 程序改进 .667.4.2 硬件改进 .677.5 总结 .69参考文献 .70致 谢 .71外文资料原文 .72译 文 .74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 =1,2. 公式(1-1))()1(gmcc fififin其中: 与 分别为第 +1 路与 路的载频频率;ici:每一路调制信号的最高频率,本设计中为 3.4KHz;mf电子科技大学学士学位论文2:邻路间保护带。gf邻路间的保护频带 越大,则在邻路信号干扰指标相同的情况下,对带通gf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 路信号的总的频带宽度最小应等于:n公式(1-2)mmggmn fBnffffB 1)()(1)(式中 = ,它是一路信号占用的带宽。1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 300Hz3400Hz ,电缆传输频带 60KHz156KHz,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 AB,12 路,BA, 12 路。它们在一个信道上传输,这样就充分利用了信道资源。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:公式(1-3)CLf/1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 11 所示。图中:电阻 、 、 、 构成直流偏置电路;电容 为隔直流电容。1bR2eCbC、 和 为振荡元件。1L2C图 1-1 振荡器电路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 、 和 构成的振荡回路,在1L2C两端的瞬时极性和集电极上的一样,也为负。那么,在 下端的瞬时极性就1L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:公式(1-4)CLf102取 100 , 7mH,则 6KHz。CpF1L0f1.3.2 同向输入放大器同向输入放大器电路如图 12 所示。信号 自同向端输入, 和 组成sUeRf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 12 放大器输出信号与输入信号的关系是:公式(1-5)sfUR)/(10我们取 900 , 100 ,则放大倍数是 10。fR11.3.3 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 13 所示:第一章 传输专题5图 13 同向加法器当满足 = = = 时,输出信号与输入信号的关系是:1R23f= + + 公式(1-6)0U1s23s1.3.4 调制电路我们采用 MC1596 来实现调制。 图 14 调制电路1.3.5 滤波器k 称为过渡比,定义为 spk公式(17)k1 称为分辨参数,定义为电子科技大学学士学位论文612Ak 公式(18)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: 1lg102公式(19)40l2A公式(110) kN1lg公式(111)通带截止频率 f1KHz ,阻带截止频率 f3.7KHz , 2589.0102A 7.3/1psk54.96/于是得到 N4.03623,我们取 N5。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。第一章 传输专题71.3.7 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 15 所示:图 15 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 ,经参考分频器 R 分频后,得到参sf考频率 = /R 送到鉴相器的一输入端,VCO 输出频率 经 N 分频后rfs 0f送到鉴相器的二输入端。环路锁定时有 = /N, 因此 VCO 输出信号频rf0率为 = N /R= N 。即输出信号频率 为输入参考信号频率 的 N0fsfrf rf倍,改变 N(分频系数)就可得到不同频率的输出。图 16 是频率合成的原理图。电子科技大学学士学位论文8图 16 频率合成原理图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 17 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:第一章 传输专题9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图 18 前群调制原理图前群调制模块的电路图如下图所示:图 19 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:电子科技大学学士学位论文10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图 110 二次调制原理图电路图如下图所示:图 111 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,第一章 传输专题11BPF 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图 111 解调模块的原理图解调模块的电路图:图 112 解调模块的电路图整个解调电路的原理框图如图所示:电子科技大学学士学位论文12低通滤波相干解调相干解调相干解调 低通滤波低通滤波 64khz68khz104khzOut1Out2Out12截止频率 4khz带通滤波器 26468khz6064khz带通滤波器12104108khz信号频率合成器频率合成器频率合成器60KHz图 113 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。 带通滤波器 1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 21 分布率 1U a1 A2 a3 a4 a5 a6 a70.20 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 22 分布率 2U a1 a2 a3 a4 a5 a60.20 0.19 0.18 0.17 0.15 0.11电子科技大学学士学位论文14对 a5 与 a6 分别指定“ 1”与“0”后,再作概率相加并重新按概率排序得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 0000;a6 按线线将所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的顺序排好,其码字为 0001用霍夫曼编码所得的平均比特率为: 码长出现概率上例为:0.22+0.19 2+0.183+0.173+0.153+0.14+0.014=2.72 bit可以算出本例的信源熵为 2.61bit,二者已经是很接近了。采用霍夫曼编码时有两个问题值得注意:首先,霍夫曼码没有错误保护功能,在译码时,如果码串中没有错误,那么就能一个接一个地正确译出代码。但如果码串中有错误,哪怕仅是 1位出现错误,不但这个码本身译错,更糟糕的是一错一大串,全乱了套,这种现象称为错误传播(error propagation)。计算机对这种错误也无能为力,说不出错在哪里,更谈不上去纠正它。其次,霍夫曼码是可变长度码,因此很难随意查找或调用压缩文件中间的内容,然后再译码,这就需要在存储代码之前加以考虑。尽管如此,霍夫曼码还是得到广泛应用。2.3 设计过程下面是软件的流程图以及软件的最终界面。程序由下面几个模块组成:ReadFileAndCollectData():找出源文件路径和名称,读文件把数据移到缓存区中。CountTheFourBit():统计数据低四位和高四位的出现次数共 16 种。CaculateAndSaveTheHuffmanCode():给 16 种符号创建霍夫曼码字。CompressAndSaveFile():写霍夫曼文件头、码表、文件,算出压缩率率。第二章 霍夫曼编码152.3.1 霍夫曼编码的软件流程找出源文件路径和名称读文件把数据移到缓存区中统计数据低四位和高四位的出现次数共 16 种写霍夫曼文件头、码表、文件,算出压缩率率显示各节点的比率找出次数最少的两个节点给 16 种符号创建霍夫曼码字将转换后的霍夫曼码字保存到缓存区中再次读入文件转换成霍夫曼码字图 21 软件流程2.3.2 设计结果根据设计要求所完成软件的最终效果如图 22 所示。图 22 软件界面电子科技大学学士学位论文16对话框包括显示输入文件路径和名称,压缩文件和名称,压缩率,还有 16个节点所占比例。这个比例可以帮助我们判断源文件的分布。生成的压缩文件的大小有 4 个组成部分:文件头、霍夫曼码表、文件名和转换过后的霍夫曼码字。压缩率是源文件和转换过后的霍夫曼码字的比值。2.4 设计结果分析通过选择大量满足不同分布(比如:均匀分布、正态分布等)的测试文件,作出各种分布的概率密度函数曲线,通过图表分析不同分布情况下的压缩比。下面就生成测试文件和随机文件两个方面来分析。软件中的压缩率是源文件与生成的压缩文件之比,压缩后的文件包括 4 个部分:文件头、码表、文件名和霍夫曼码字。2.4.1 生成测试文件1均匀分布如表 21 所示。 表 21 均匀分布压缩率表节点概率 压缩率1/2 3.33331/3 2.41/4 21/5 1.6777测试文件生成时取 0,1,3,F 这 16 个节点,当只取 0 和 1 时,节点概率就是 1/2,依此类推。可见随着节点的增加,压缩率呈下降趋势。2 分布如表 22 所示。n表 23 分布压缩率表n节点个数 压缩率1 2.33332 2.14293 2.11434 2.1分布表示节点个数是 n 个,比如说 n3,则节点是 3 个,每个节点出现的n2第二章 霍夫曼编码17概率分别是 , 个, 个,个数以 2 的幂次方增长。可见随着节点的021n2增加,压缩率也呈下降趋势。根据霍夫曼编码的原理,可以知道均匀发布时压缩率是最小的,而 分布时n2压缩率最大。这和生成测试文件的实验结果是完全一致的。下面我们就随机文件的压缩率做一个分析。2.4.2 随机文件读取我们从软件中读到随机文件中的节点分布的概率密度,然后用柱状图画出,就可以看出概率分布与压缩率的关系。图 23 概率分布与压缩率关系图 1图 24 概率分布与压缩率关系图 2电子科技大学学士学位论文18图 25 概率分布与压缩率关系图 3图 26 概率分布与压缩率关系图 4图 27 概率分布与压缩率关系图 5第二章 霍夫曼编码19图 28 概率分布与压缩率关系图 6从这个变化趋势图中可以清楚的看到随机文件的分布越接近均匀分布,压缩率越小,压缩效果越不好,分布中越接近 分布,压缩率越高,压缩效果就越好,n2这也和霍夫曼编码的原理是一致的。均匀分布和 分布如下图所示。图 29 各类分布由此可以得出所有的压缩算法都有自身的应用场合,适合于什么样的信源才能达到最佳效果。2.4 总结在设计中,为了方便分析比较概率分布与压缩率的关系,在软件上添加了 16个文本框用来显示 16 个节点的概率。对于程序中出现的一些 bug,经过分析调试进行了修改。比如,如果后缀名的长度大于 3 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ABSTRACTAbstractThis 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目 录目 录第一章 传输专题(频分复用) .11.1 设计原理 .11.2 系统的带宽和功率计算 .21.2.1 功率计算 .21.2.2 带宽计算 .21.3 单元电路设计 .31.3.1 振荡电路 .31.3.2 同向输入放大器 .41.3.3 加法器 .41.3.4 调制电路 .51.3.5 滤波器 .51.3.7 四 二转换器电路 .61.3.8 频率合成器 .71.4 系统总电路图 .81.5 总结和体会 .12第二章 霍夫曼编码 .132.1 设计目的与要求 .132.2 设计原理 .132.3 设计过程 .142.3.1 霍夫曼编码的软件流程 .152.3.2 设计结果 .152.4 设计结果分析 .162.4.1 生成测试文件 .162.4.2 随机文件读取 .172.4 总结 .19第三章 网络流量监测及分析 .213.1 设计背景和目的 .213.2 设计要求 .213.3 监测及分析的原理 .22目 录3.3.1 监测的原理 .223.3.2 监测软件 Sniffer.223.4 方法与过程 .223.5 数据包分析 .233.6 全天数据总流量变化图 .263.7 流量分析 .273.7.1 网络 进出流量分析 .273.7.3 TCP 和 UDP 流量分析 .283.7.4 FTP 流量分析 .283.8 安全漏洞 .293.9 结论与体会 .30第四章 WEB SERVER.314.1设计目的 .314.2设计环境 .314.2.1 硬件环境 .314.2.2 软件环境 .324.2.2.1 Linux 系统 .324.2.2.2虚拟机 .324.3 基本操作 .324.5 HTTP协议简介 .334.5.1 报文 .334.5.2 请求报文 .344.5.3 响应报文 .344.5.4 首部 .354.6 TCP通信流程 .364.7 程序功能实现 .374.7.1功能实现设计思想 .374.7.2程序中相关代码解释 .384.8程序最终效果 .414.9 总结 .42第五章 DSK 语音 .43目 录5.1 设计目的 .435.2 设计环境 .435.2.1 硬件设备 .435.2.2 软件 .445.3 设计原理 .455.3.1 DSK 语音编解码原理: .455.3.2 PCM3002 的结构框图如下图: .455.4 设计步骤 .455.4.1 PCM3002 CODEC API 介绍 .455.4.2 为设计好的方案画各部分的流程图。 .465.4.3 根据流程图用 C 语言写程序。 .465.4.4 编译调试 .475.5 总结 .49第 6 章 DDS 频率合成技术 .506.1 引言 .506.2 硬件电路设计 .526.3 软件设计 .546.3.1 程序重要模块分析 .556.3.2 总体流程图 .566.4 总结 .60第 7 章 串行通信 .617.1 引言 .617.2 设计方案 .617.2.1 8250A 简介 .617.2.2 8250A 内部寄存器。 .627.3 8250 与 PC 机通信 .647.3.1 串行口连接示意图 .647.3.2 设计流程图 .657.3.3 设计电路图 .657.4 设计改进 .66目 录7.4.1 程序改进 .667.4.2 硬件改进 .677.5 总结 .69参考文献 .70致 谢 .71外文资料原文 .72译 文 .74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 =1,2. 公式(1-1))()1(gmcc fififin其中: 与 分别为第 +1 路与 路的载频频率;ici:每一路调制信号的最高频率,本设计中为 3.4KHz;mf电子科技大学学士学位论文2:邻路间保护带。gf邻路间的保护频带 越大,则在邻路信号干扰指标相同的情况下,对带通gf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 路信号的总的频带宽度最小应等于:n公式(1-2)mmggmn fBnffffB 1)()(1)(式中 = ,它是一路信号占用的带宽。1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 300Hz3400Hz ,电缆传输频带 60KHz156KHz,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 AB,12 路,BA, 12 路。它们在一个信道上传输,这样就充分利用了信道资源。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:公式(1-3)CLf/1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 11 所示。图中:电阻 、 、 、 构成直流偏置电路;电容 为隔直流电容。1bR2eCbC、 和 为振荡元件。1L2C图 1-1 振荡器电路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 、 和 构成的振荡回路,在1L2C两端的瞬时极性和集电极上的一样,也为负。那么,在 下端的瞬时极性就1L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:公式(1-4)CLf102取 100 , 7mH,则 6KHz。CpF1L0f1.3.2 同向输入放大器同向输入放大器电路如图 12 所示。信号 自同向端输入, 和 组成sUeRf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 12 放大器输出信号与输入信号的关系是:公式(1-5)sfUR)/(10我们取 900 , 100 ,则放大倍数是 10。fR11.3.3 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 13 所示:第一章 传输专题5图 13 同向加法器当满足 = = = 时,输出信号与输入信号的关系是:1R23f= + + 公式(1-6)0U1s23s1.3.4 调制电路我们采用 MC1596 来实现调制。 图 14 调制电路1.3.5 滤波器k 称为过渡比,定义为 spk公式(17)k1 称为分辨参数,定义为电子科技大学学士学位论文612Ak 公式(18)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: 1lg102公式(19)40l2A公式(110) kN1lg公式(111)通带截止频率 f1KHz ,阻带截止频率 f3.7KHz , 2589.0102A 7.3/1psk54.96/于是得到 N4.03623,我们取 N5。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。第一章 传输专题71.3.7 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 15 所示:图 15 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 ,经参考分频器 R 分频后,得到参sf考频率 = /R 送到鉴相器的一输入端,VCO 输出频率 经 N 分频后rfs 0f送到鉴相器的二输入端。环路锁定时有 = /N, 因此 VCO 输出信号频rf0率为 = N /R= N 。即输出信号频率 为输入参考信号频率 的 N0fsfrf rf倍,改变 N(分频系数)就可得到不同频率的输出。图 16 是频率合成的原理图。电子科技大学学士学位论文8图 16 频率合成原理图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 17 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:第一章 传输专题9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图 18 前群调制原理图前群调制模块的电路图如下图所示:图 19 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:电子科技大学学士学位论文10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图 110 二次调制原理图电路图如下图所示:图 111 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,第一章 传输专题11BPF 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图 111 解调模块的原理图解调模块的电路图:图 112 解调模块的电路图整个解调电路的原理框图如图所示:电子科技大学学士学位论文12低通滤波相干解调相干解调相干解调 低通滤波低通滤波 64khz68khz104khzOut1Out2Out12截止频率 4khz带通滤波器 26468khz6064khz带通滤波器12104108khz信号频率合成器频率合成器频率合成器60KHz图 113 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。 带通滤波器 1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 21 分布率 1U a1 A2 a3 a4 a5 a6 a70.20 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 22 分布率 2U a1 a2 a3 a4 a5 a60.20 0.19 0.18 0.17 0.15 0.11电子科技大学学士学位论文14对 a5 与 a6 分别指定“ 1”与“0”后,再作概率相加并重新按概率排序得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 0000;a6 按线线将所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的顺序排好,其码字为 0001用霍夫曼编码所得的平均比特率为: 码长出现概率上例为:0.22+0.19 2+0.183+0.173+0.153+0.14+0.014=2.72 bit可以算出本例的信源熵为 2.61bit,二者已经是很接近了。采用霍夫曼编码时有两个问题值得注意:首先,霍夫曼码没有错误保护功能,在译码时,如果码串中没有错误,那么就能一个接一个地正确译出代码。但如果码串中有错误,哪怕仅是 1位出现错误,不但这个码本身译错,更糟糕的是一错一大串,全乱了套,这种现象称为错误传播(error propagation)。计算机对这种错误也无能为力,说不出错在哪里,更谈不上去纠正它。其次,霍夫曼码是可变长度码,因此很难随意查找或调用压缩文件中间的内容,然后再译码,这就需要在存储代码之前加以考虑。尽管如此,霍夫曼码还是得到广泛应用。2.3 设计过程下面是软件的流程图以及软件的最终界面。程序由下面几个模块组成:ReadFileAndCollectData():找出源文件路径和名称,读文件把数据移到缓存区中。CountTheFourBit():统计数据低四位和高四位的出现次数共 16 种。CaculateAndSaveTheHuffmanCode():给 16 种符号创建霍夫曼码字。CompressAndSaveFile():写霍夫曼文件头、码表、文件,算出压缩率率。第二章 霍夫曼编码152.3.1 霍夫曼编码的软件流程找出源文件路径和名称读文件把数据移到缓存区中统计数据低四位和高四位的出现次数共 16 种写霍夫曼文件头、码表、文件,算出压缩率率显示各节点的比率找出次数最少的两个节点给 16 种符号创建霍夫曼码字将转换后的霍夫曼码字保存到缓存区中再次读入文件转换成霍夫曼码字图 21 软件流程2.3.2 设计结果根据设计要求所完成软件的最终效果如图 22 所示。图 22 软件界面电子科技大学学士学位论文16对话框包括显示输入文件路径和名称,压缩文件和名称,压缩率,还有 16个节点所占比例。这个比例可以帮助我们判断源文件的分布。生成的压缩文件的大小有 4 个组成部分:文件头、霍夫曼码表、文件名和转换过后的霍夫曼码字。压缩率是源文件和转换过后的霍夫曼码字的比值。2.4 设计结果分析通过选择大量满足不同分布(比如:均匀分布、正态分布等)的测试文件,作出各种分布的概率密度函数曲线,通过图表分析不同分布情况下的压缩比。下面就生成测试文件和随机文件两个方面来分析。软件中的压缩率是源文件与生成的压缩文件之比,压缩后的文件包括 4 个部分:文件头、码表、文件名和霍夫曼码字。2.4.1 生成测试文件1均匀分布如表 21 所示。 表 21 均匀分布压缩率表节点概率 压缩率1/2 3.33331/3 2.41/4 21/5 1.6777测试文件生成时取 0,1,3,F 这 16 个节点,当只取 0 和 1 时,节点概率就是 1/2,依此类推。可见随着节点的增加,压缩率呈下降趋势。2 分布如表 22 所示。n表 23 分布压缩率表n节点个数 压缩率1 2.33332 2.14293 2.11434 2.1分布表示节点个数是 n 个,比如说 n3,则节点是 3 个,每个节点出现的n2第二章 霍夫曼编码17概率分别是 , 个, 个,个数以 2 的幂次方增长。可见随着节点的021n2增加,压缩率也呈下降趋势。根据霍夫曼编码的原理,可以知道均匀发布时压缩率是最小的,而 分布时n2压缩率最大。这和生成测试文件的实验结果是完全一致的。下面我们就随机文件的压缩率做一个分析。2.4.2 随机文件读取我们从软件中读到随机文件中的节点分布的概率密度,然后用柱状图画出,就可以看出概率分布与压缩率的关系。图 23 概率分布与压缩率关系图 1图 24 概率分布与压缩率关系图 2电子科技大学学士学位论文18图 25 概率分布与压缩率关系图 3图 26 概率分布与压缩率关系图 4图 27 概率分布与压缩率关系图 5第二章 霍夫曼编码19图 28 概率分布与压缩率关系图 6从这个变化趋势图中可以清楚的看到随机文件的分布越接近均匀分布,压缩率越小,压缩效果越不好,分布中越接近 分布,压缩率越高,压缩效果就越好,n2这也和霍夫曼编码的原理是一致的。均匀分布和 分布如下图所示。图 29 各类分布由此可以得出所有的压缩算法都有自身的应用场合,适合于什么样的信源才能达到最佳效果。2.4 总结在设计中,为了方便分析比较概率分布与压缩率的关系,在软件上添加了 16个文本框用来显示 16 个节点的概率。对于程序中出现的一些 bug,经过分析调试进行了修改。比如,如果后缀名的长度大于 3
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