CN107359934A - 单通道双信号实时传输方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单通道双信号实时传输方法及系统，本发明方法包括如下步骤：先对待传输的第一信号和第二信号进行采样；在同一采样点处，先对第一信号进行PFM调制，确定单通道内的传输信号的实时频率，然后在确定传输信号的实时频率后，对第二信号的采样电压进行PWM调制，确定单通道内的传输信号的实时占空比；信号解调时，先对传输信号先进行PFM解调得到对应的第一信号的采样电压，然后对传输信号先进行PWM解调得到对应的第二信号的采样电压。本发明系统结构简单，能够实现在单通道内对两种信号进行实时传输，利用率较高。

Description

单通道双信号实时传输方法及系统
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，特别的涉及一种单通道双信号实时传输方法及系统。
背景技术
信道又被称为通道或频道，是信号在通信系统中传输的通道，由信号从发射端传输到接收端所经过的传输媒质所构成。现有信道在同一时间只能传输一种信号，现有文献中，对两个信号的同时传输通常采用的方式为混频或者调频调幅叠加，接收端采用滤波或者鉴频方式解调。此类方法中，散射光传输距离很短，且发射功率需要很高；而采用不同波长的LED以及相对应的光传感器来接收，则会增加系统复杂度和原材料的浪费；若是用两个通道同一滚元同时传两个信号则会产生相互干扰，无法采用PFM或者PFM调制，还有一种方式可以多信道传输，采用高聚焦方式例如激光来点对点传输，但是，这样还是一个通道传一个信号，同时由于高聚焦方式，接收端很不容易对准发射装置，同时两端还得固定不能移动，为工程的安装带来了困难；还有一种方法是将两种不同的载波信号在发射端和波，在接收端分波将其分离，然后通过进一步处理以恢复原信号，但此方案所使用设备昂贵且技术复杂。
另外，传统电缆传输双信号主要通过时分复用即将时间划分成一段段等长的时分复用帧，用户在每个TDM帧中占用固定的时隙；频分复用即将信道总的频率带宽划分成多个区间，用户使用不同的频率区间；码分复用即用户使用不同的码型。但其各路信号间易干扰，线路利用率低。
其次光纤通信采用波分复用实现双信号传输即是将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号，但其设备昂贵，技术复杂。
以上两种主流传输方式均采用物理连接，固有生产成本高，铺设线路较麻烦以及工程安装较复杂。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种单通道双信号实时传输方法及系统，能够同时实时传输两种信号，增加通道的利用率，有利于简化设备。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种单通道双信号实时传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、采用相同的采样频率同时对待传输的第一信号和第二信号进行采样，分别获取第一信号的采样电压和第二信号的电压，采样频率为传输频率的2倍以下；
B、设定PFM调制的频率范围，将第一信号的采样电压与PFM调制的频率相对应，将第二信号的采用电压与PWM调制的占空比相对应；
C、信号的调制：在同一采样点处，先对第一信号的采样电压进行PFM调制，作为单通道内的传输信号的实时频率；然后对第二信号的采样电压进行PWM调制，作为上述频率下单通道内的传输信号的实时占空比；
D、信号的解调：采用与所述采样频率相同的接收频率接收单通道内的传输信号，并对当前接收到的传输信号先进行PFM解调，获取当前接收到的传输信号的实时频率和对应的第一信号的采样电压，然后在当前接收到的传输信号的实时频率下，进行PWM解调，得到当前接收到的传输信号的实时占空比和对应的第二信号的采样电压；
F、重复步骤C和D，完成第一信号和第二信号同时在单通道内的实时传输。
进一步的，所述步骤D中，将当前接收到的传输信号的实时频率设为f12，对应的实时占空比为Δ12；将上一时刻接收到的传输信号的实时频率设为f11，对应的实时占空比为Δ11；比较f11和f12，若f11＝f12，将实时频率f12所对应的电压值作为第一信号的采样电压，继续解码该实时频率f12下的实时占空比Δ12，将该实时占空比Δ12所对应的电压值作为得到第二信号的采样电压；若f11≠f12，则令Vf12＝Vf11，即将上一时刻接收到的传输信号的实时频率f11所对应的电压值作为第一信号的采样电压，继续解码该实时频率f11下的实时占空比Δ11，将该实时占空比Δ11所对应的电压值作为得到第二信号的采样电压。
一种单通道双信号实时传输系统，其特征在于，包括信号处理发送模块和信号接收处理模块，所述信号处理发送模块包括用于对待传输的第一信号和第二信号进行放大偏置处理的放大偏置电路和A/D模块，用于对待传输的第一信号进行PFM调制确定单通道内的传输信号的频率的PFM调制模块，用于对待传输的第二信号进行PWM调制确定单通道内的传输信号的占空比的PWM调制模块；
所述信号接收处理模块包括用于对接收到的传输信号频率进行PFM解调得到第一信号的PFM解调模块，用于对接收到信号的占空比进行PWM解调得到第二信号的PWM解调模块，用于对解调后得到的第一信号和第二信号进行处理的D/A模块和滤波电路和功率放大电路。
进一步的，所述A/D模块、PFM调制模块以及PWM调制模块均集成在所述信号处理发送模块的发射端FPGA模块上；所述PFM解调模块、PWM解调模块以及D/A模块均集成在所述信号接收处理模块的接收端FPGA模块上。
进一步的，所述信号处理发送模块还包括用于对单通道内的传输信号进行无线发送的红外发射电路；所述信号接收处理模块还包括用于对单通道内的传输信号进行无线接收的红外接收电路。
进一步的，还包括用于对无线发射信号进行中转的中继转发模块，所述中继转发模块包括用于对红外信号进行接收、放大以及整形的接收处理模块，以及用于对接收的红外信号进行转发的转发模块。
综上所述，本发明方法能够在单通道内同时对两种信号进行实时传输，增加通道的利用率；本发明系统结构简单，能够实现在单通道内对两种信号进行实时传输，利用率较高。
附图说明
图1为单通道双信号实时传输系统的结构示意图。
图2为双信号采样示意图。
图3为双信号解调示意图。
图4为接收的传输信号波形图。
图5为信号处理发送流程图。
图6为信号接收处理流程图。
图7为传输距离测试图。
图8为中继转发装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施时：如图1所示，一种单通道双信号实时传输系统，包括信号处理发送模块1和信号接收处理模块2，所述信号处理发送模块1包括用于对待传输的第一信号和第二信号进行放大偏置处理的放大偏置电路11和A/D模块，用于对待传输的第一信号进行PFM调制确定单通道内的传输信号的频率的PFM调制模块，用于对待传输的第二信号进行PWM调制确定单通道内的传输信号的占空比的PWM调制模块，以及用于对单通道内的传输信号进行无线发送的红外发射电路12。
所述信号接收处理模块2包括用于对接收到的传输信号频率进行PFM解调得到第一信号的PFM解调模块，用于对接收到信号的占空比进行PWM解调得到第二信号的PWM解调模块，用于对解调后得到的第一信号和第二信号进行处理的D/A模块和滤波电路21和功率放大电路22，以及用于对单通道内的传输信号进行无线接收的红外接收电路23。
其中，所述A/D模块、PFM调制模块以及PWM调制模块均集成在所述信号处理发送模块1的发射端FPGA模块13上；所述PFM解调模块、PWM解调模块以及D/A模块均集成在所述信号接收处理模块2的接收端FPGA模块24上。
还包括用于对无线发射信号进行中转的中继转发模块3，所述中继转发模块3包括用于对红外信号进行接收、放大以及整形的接收处理模块31，以及用于对接收的红外信号进行转发的转发模块32。
本实施例中，由于涉及大量的数据处理，故采用增强型FPGA。该处理器具有双采样功能和保持功能，并且数据处理频率高，存储运算能力强。调制与解调均采用频率调制(PFM)和脉宽调制(PWM)方法。其传输过程如下，首先语音信号通过滤波、放大等操作，接着发射端FPGA便对该信号进行采集。通过红外发射与接收装置传递该采集信号。最后接收端FPGA采样接收信号，经过D/A转换、滤波放大后输出。
具体实施时，信号处理发送模块1和信号接收处理模块2均没有使用集成芯片，只使用电容、电阻和开关管等基本元器件。信号的整形放大电路则采用的共射级放大电路来实现。
具体设计时，发射电路损耗包括红外发射管和限流电阻的功率损耗，在整个装置中功耗最大。与集成功放相比，红外发射驱动性能更好、效率更高，电路更为简便。由于红外发光管发光功率并不是完全相同的，采用全部并联红外发光管使用效果不佳，因此采用两组串联红外发光管发射电路再并联的方式。其中每一组由三个红外发光管串联组成，供电端由功率三极管驱动的三个4700μF的耐压大电容以储存能量。若检测电源供电电流过大，则在电路中加入测试后合适功率负载限流。
功率负载R与红外发光管个数应满足以n下关系：
Ip＝(Vcc-nVd)/R
式中驱动电压Vcc、管压降Vd、峰值电流Ip均为定值。为提高电路的功率利用率，功率负载上的功率Pr越小越好，发光管个数n应无线接近Vcc/Vd。
经检验分析，令Vd＝(2.5～2.9)V，Vcc＝12V，R＝10Ω。求得峰值电流Ip＝1.5A。
红外接收电路：由三极管构成的共射放大电路，驱动管采用高频开关管降低功耗提高装置精度。电容C1提高电路抗干扰能力。三个红外接收管并联，接收电路对弱光信号的拾取能力强，有效传输距离更远。
输入信号有红外发光管接收，经100ρF的电容C1滤波后，耦合到第一个三极管Q1的基极。为实现信号进行三级放大整形。在三个三极管上，直流稳压电源通过电阻给发射结提供正向偏压，并给集电结提供反向偏压，使三极管工作在放大状态。也可调节电位器，改变集电极输出电压的同时，改变的基极偏置电压，使得三极管处于放大状态。
其中，中继转发装置的设计能使电路简便，是信号处理发送模块1和信号接收处理模块2的扩展。为了避免传统光通信对点传递数据的不足，使用了30°的定向大功率红外发射管，如图8所示，具体结构为：用多层圆形电路板搭建成类似球形的结构，所有板子的圆心被一根轴贯穿，并将每层电路板之间保持一定距离，使所有发射管的外表面构成了一个空间球形。这样的结构能够使的每个方向都能发射出信号。
同时，为了提高中继转发装置的应用范围，以用2000mA，11V的蓄电池为中继电路供电。在保证传递信号不失真的情况下，通过改变继接收装置共射级放大电路第一级开关管集电极电阻，同时增大中继发送装置功率负载的阻值，使功耗进一步减少。
本设计是在一个通道同时传输两种信号，实时进行。采用先处理PFM信号后处理PWM信号的顺序。信号处理过程中，首先需要对信号进行调制。在PFM信号的调制解调过程中，先对正弦波进行50K的固定频率采样。设所采到的电压值分十个等级0.1V～1V，如图2所示。分别对应210K～300K的PFM，采到0.1V即发送210K的PFM，以此类推。并且根据奈奎斯特定理，采样频率应大于信号最高频率的两倍。发送PFM的时候会有相应的延时，此延时也能有效避免信号重叠所导致的乱码。
在第一个5μs内利用FPGA的ADC对另一信号采集到特定的电压值。转换成相应的脉宽，例如采样到了0.8V的电压转化为80％的占空比，于是在第一个采样周期内发送了一个频率为210K占空比为80％的PWM。解调时先对PFM解调后对PWM解调，如图3所示。
在红外接收端，会出现如图4所示问题，在发送的PWM的频率改变处会使得占空比的识别出现误差，针对这样的情况。在接收到每个PWM波时捕获该PWM的频率，设第一次捕获到的PWM记频率为f11，对应的占空比为Δ11。与下一时刻记录的频率f12作比较。如果f11＝f12，则继续解码该频率下的占空比；如果f11≠f12，则令Vf12＝Vf11保持输出f11对应解码的电压值。继续比较f12与f13，若f12≠f13，输出电压值为Vf12；若f12＝f13，则输出f13所对应的电压Vf13。据此来减小在频率变化出占空比识别出错率高的情况。
在对信号处理发送模块和信号接收处理模块进行红外光通信时，为保证正确识别、接收信号，可以采用同步传输协议；采用同步传输协议可以使得发送和接收同步进行，再利用单片机对音频信号进行PFM、PWM的调制与解调，由此便可实现音频信号的无线传输。
具体实施时，信号处理发送流程如图5所示，包括发送校准模式和音频传输模式；信号接收处理流程如图6所示，接收时，先检测接收的信号是否异常；当发现信号出现异常时，点亮指示灯报警；无异常情况时，进行PWM捕获中断和PFM捕获中断，并根据同步传输协议解析信号和进行DA还原音频信号。
1、测试传输距离对信号的影响
发射端输入频率1kHz，幅值为1V的单音信号。输出端接8Ω电阻负载。传输方式为直传时，改变发射装置和接收装置距离L，得到红外接收管两端的PWM波占空比D；分别测试距离为L1、L2、L3、L4时发送的PWM占空比D1、D2、D3、D4和接收到的PWM占空比D11、D22、D33、D44。其占空比与传输距离的关系如表1所示。
表1传输距离测试
由表1数据分析可知，L＝3m和L＝12m时传输的PWM占空比失真度大，在L＝6m和L＝10m时，占空比D≤20％和D≥80％的时候有失真，但失真度较小；在20％≤D≤80％范围内基本无失真。
如图7所示，由表1得出传输距离测试图，在距离较近和较远的情况下PWM失真度大，在距离适中如6m～10m范围内PWM失真小，且失真体现为两侧向中间压缩，在远距离传输的情况下我们只需要在20％到80％中调节占空比即可，对线性失真进行非线性修正。
2、测试最小中继电流
为中继装置提供5V的电压，输入1kHz单音信号。令发射装置和中继装置之间的距离L5＝5cm；中继装置与接收装置距离L6＝5cm。得到其中继电流，通过公式计算得到功率。只改变输入信号，将单音信号改为音频信号，其他条件均不变，测得该状态下的中继电流和功率。两次结果如表2所示。
表2中继电流测试表
该项测试实验证明了该系统实现了中继转发超低功耗的传输。若采用性能更为优良的发送、接收红外开关管，中继电流能够实现进一步降低，达到节能要求。
3、信号的选频效果测试
当发送装置输入信号频率范围为1～3kHz，声音无失真，效果良好。查看接收装置输出信号时，测出信号在500Hz-3kHz内无衰减，波形也完美，通带内无起伏。
4、测试输入、输出信号的差别
利用信号发生器输出两路信号，分别是频率为1kHz、幅值为1V的正弦信号和频率为3kHz、幅值为1.6V的正弦信号到FPGA的两个AD采样端口，然后用示波器查看FPGA的两个DA输出端口的信号；通过示波器查看得，FPGA的两个DA输出端口分别输出频率为8.1kHz，幅值为1V的波形完整的正弦波以及频率为12.1kHz，幅值为1.59V的波形完整的正弦波信号；实验结果表明，信号传输正常，误差在要求范围内。
本发明通过PFM与PWM调制方式同时对音频信号同时进行调制解调，实现了在一个传输通道里同时传输两个信号，并且可以进行较远距离、功耗较小传输。由于具有两种调制方式同时处理，通道的利用率增大。该装置发射电路和信号放大整形电路均使用分立元件构成。装置中设计PFM与PWM双重调制，大大的增加了传输通道的可用性。
本设计具有较为突出的优点：
1)PFM与PWM同步调制，同时传输，数据的传输精确度大大提高。
2)传输距离明显加长。在得到相通质量的音频输出信号的情况下，本设计以更精准的信号传出，传输距离能够随之加长。
3)该设计装置性价比高、功耗低、抗干扰、噪声低。同时系统结构简单，易于制作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单通道双信号实时传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、采用相同的采样频率同时对待传输的第一信号和第二信号进行采样，分别获取第一信号的采样电压和第二信号的电压，采样频率为传输频率的2倍以下；
B、设定PFM调制的频率范围，将第一信号的采样电压与PFM调制的频率相对应，将第二信号的采用电压与PWM调制的占空比相对应；
C、信号的调制：在同一采样点处，先对第一信号的采样电压进行PFM调制，作为单通道内的传输信号的实时频率；然后对第二信号的采样电压进行PWM调制，作为上述频率下单通道内的传输信号的实时占空比；
D、信号的解调：采用与所述采样频率相同的接收频率接收单通道内的传输信号，并对当前接收到的传输信号先进行PFM解调，获取当前接收到的传输信号的实时频率和对应的第一信号的采样电压，然后在当前接收到的传输信号的实时频率下，进行PWM解调，得到当前接收到的传输信号的实时占空比和对应的第二信号的采样电压；
F、重复步骤C和D，完成第一信号和第二信号同时在单通道内的实时传输。
2.如权利要求1所述的单通道双信号实时传输方法，其特征在于，所述步骤D中，将当前接收到的传输信号的实时频率设为f12，对应的实时占空比为Δ12；将上一时刻接收到的传输信号的实时频率设为f11，对应的实时占空比为Δ11；比较f11和f12，若f11＝f12，将实时频率f12所对应的电压值作为第一信号的采样电压，继续解码该实时频率f12下的实时占空比Δ12，将该实时占空比Δ12所对应的电压值作为得到第二信号的采样电压；若f11≠f12，则令Vf12＝Vf11，即将上一时刻接收到的传输信号的实时频率f11所对应的电压值作为第一信号的采样电压，继续解码该实时频率f11下的实时占空比Δ11，将该实时占空比Δ11所对应的电压值作为得到第二信号的采样电压。
3.一种单通道双信号实时传输系统，其特征在于，包括信号处理发送模块(1)和信号接收处理模块(2)，所述信号处理发送模块(1)包括用于对待传输的第一信号和第二信号进行放大偏置处理的放大偏置电路(11)和A/D模块，用于对待传输的第一信号进行PFM调制确定单通道内的传输信号的频率的PFM调制模块，用于对待传输的第二信号进行PWM调制确定单通道内的传输信号的占空比的PWM调制模块；
所述信号接收处理模块(2)包括用于对接收到的传输信号频率进行PFM解调得到第一信号的PFM解调模块，用于对接收到信号的占空比进行PWM解调得到第二信号的PWM解调模块，用于对解调后得到的第一信号和第二信号进行处理的D/A模块和滤波电路(21)和功率放大电路(22)。
4.如权利要求3所述的单通道双信号实时传输系统，其特征在于，所述A/D模块、PFM调制模块以及PWM调制模块均集成在所述信号处理发送模块(1)的发射端FPGA模块(13)上；所述PFM解调模块、PWM解调模块以及D/A模块均集成在所述信号接收处理模块(2)的接收端FPGA模块(24)上。
5.如权利要求3所述的单通道双信号实时传输系统，其特征在于，所述信号处理发送模块(1)还包括用于对单通道内的传输信号进行无线发送的红外发射电路(12)；所述信号接收处理模块(2)还包括用于对单通道内的传输信号进行无线接收的红外接收电路(23)。
6.如权利要求5所述的单通道双信号实时传输系统，其特征在于，还包括用于对无线发射信号进行中转的中继转发模块(3)，所述中继转发模块(3)包括用于对红外信号进行接收、放大以及整形的接收处理模块(31)，以及用于对接收的红外信号进行转发的转发模块(32)。
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