基于无线通信的多路控制电路论文 2.docx

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基于无线通信的多路控制电路论文2

超声波通信的多路控制电路

基于超声波的沟通方法与数字应用的重点信号处理技术。

在该项目中，在代理项目监视器的方向，特别注意的是冲着类型的消息发送和接收与计算机中的文件超声波通过空气，通过将建筑物中发现的管道。

最初由橡树岭国家实验室开发的超声通信硬件在1993年和基于频率调制电子。

这种硬件提供了一种手段作为一个连续的通过空气传播的音频信息（例如，语音和音乐）（模拟）信号。

在第一阶段的项目，侧重于发展的努力电脑文件传输，使用的技术方法称为离散频率偏移（DFS）的。

与DFS，个别字母数字字符被分解成一个比特序列，其中每个被用来生成一个离散的超声波频率。

字符可以是位-AT的时间传送和接收重建。

这种技术投入实践中通过的，LabVIEWTM虚拟仪器（VI）的发展。

连同特别设计的电子产品，这些VI提供传输系统接待/重建类型的信息和计算机文件。

此外，信号调理单元进行鉴定，评估，并选择基础上的所需的功能。

例如，一些商业集成电路测试接收到的超声波信号频率转换到相应的直流电压等级。

这些设备的两个（相位锁相环和频率电压转换器）后来被纳入最终的系统硬件。

进行了大量的测试，研究如何通过充满的管道传输超声与空气或水。

这些测试结果的参考此表，说明通过不同的管道材料，并没有水，超声波的吸收，作为一个函数的距离。

这些此表显示，超声波是由铜管至少减毒最减毒由聚氯乙烯管。

水管道出现重大影响作为一个额外的阻尼机制（产生额外的信号衰减）;然而，观察超声波信号强度显着改善，如果传感器直接耦合的水，而不是简单地将它们附加到管外。

这个项目的一个主要成就是开发和硬件集成和软件成一个功能齐全的超声波通讯系统用于演示目的。

所有这个系统的各个方面都在这份报告中详细介绍，并作进一步的建议改善。

这份报告还提供了一个讨论的主要系统的考虑，包括信号调理电路，速度和传输距离，触发和噪音过滤和错误检查。

如前所述，橡树岭国家实验室的超声波通讯硬件的初始发展利用调频（FM）电路。

FM的方法是有吸引力的，因为调频信号本质上更免疫比外来噪声调幅（AM）信号。

如果FM有一个相对平坦的幅度响应所有传感器通过信号传输传输频率，由此产生的超声波将是无声的;但是，如果传感器不传输具有同等强度的所有频率，振幅调制会发生。

这些振幅调制可以听到，即使正在传输的频率高于听力正常范围内。

创建一个调频信号，包括电压控制振荡器（VCO）。

VCO产生一个输出信号的频率对应的输入电压幅度。

超声波通信应用程序，输入电压信号中包含的信息是要传输。

由此产生的调频信号，然后送入超声换能器转换电信号调频的压力波。

通过媒介传播的压力波利息，另一个超声换能器检测，转换回一个电信号。

电子电路，它提供了一个电子信号，然后解调输出信号包含的信息传输。

此3.1说明这些步骤此形。

几个集成电路（IC）电路已专门设计的产生和解调FM信号。

可作为一个VCO使用一个IC是NE/SE566函数发生器。

“NE/SE566是一个高度线性的VCO提供缓冲的方波和三角波输出。

NE/SE566在超声波的通讯系统，可以驱动超声换能器可用于直接或引发更高的电压传感器的驱动电路。

一个常用的IC解调调频信号的锁相回路（PLL）。

一个PLL包含一个生成参考信号的内置VCO和相比较，基本上比较输入信号和参考信号的频率，并产生两个信号之间的频率差成正比的误差电压。

错误然后用内部电压调整VCO，直到VCO和输入信号频率相等。

此时PLL锁定到信号。

一个低通环路滤波器通常用于平滑成直流误差信号的脉动误差电压，因此，限制速度与PLL可以跟踪输入频率的变化。

错误信号的幅度，从而反映了输入信号的频率。

PLL可以不断遵循的频率调频信号和提供的电压输出对应的频率，从而提供了一种再现原始输入信号的方法。

另一个解调调频信号的IC是电压-频率转换器（VFC）通常作为频率电压转换器的功能，以及。

交流电（AC）耦合晶体管晶体管逻辑（TTL）的调频信号的版本（VFC的要求），VFC的检测输入信号的下降沿，因为它跨越零和输出直接直流（DC）电压成正比的零crossings.6的频率PLL和VFC的方法可以跟踪输入信号的频率，在频率变化。

频率的变化，可以是连续（模拟）或离散（数字）。

由于主第一阶段的超声波通信工程的目的是评估DSP技术，因此，相当大的努力，针对评价和示范的方法数字信息可以通过超声波发送。

下面的讨论总结这一努力。

通过水管道的超声传输

这个项目的主要目标是探讨通过其他媒体的超声传输比空气。

与程序监控的讨论，促使集中努力，研究超声通过水管的传输。

以下两节描述的重大发现从这项工作。

4.1转换器连接到管外在不同的管道信号衰减的速度在普通使用的测量建设可以帮助估计的距离信息实际上可能转达了超声波。

额外的有用信息，包括速度信号移动和与水在管道中的衰减和速度的变化。

此4.1说明使用的方法来完成这些测量。

发射机管端附近放置传感器，并连接到信号发生器。

“闭孔泡沫传感器和管道被包围了2英寸，以最大限度地减少传输通过空气的声音。

安装在管道的方式，接收器传感器允许它被移动，而不会干扰管道沿管道。

通过检测到的信号扩增接收换能器采用低噪声前置放大器，进一步通过调节窄带滤波器和示波器和频谱分析仪观察。

在所有情况下，测量了40千赫，带通38和42千赫之间。

“从一个在任何情况下，作为一个额外的接收器和发射电隔离预防措施来保证，确实是在管道超声测得的信号。

由于超声波正从远离发射机在一个连贯的方式，他们相容易使用干涉仪设置使用标准实验室设备，可观察到。

发射机的信号从信号发生器，直接的渠道1示波器。

接收信号放大和带通滤波器后送入通道2。

通过使用示波器XY功能，可以很容易地看到定期更换Lisajous沿管道移动接收模式。

在完整的测量波长间隔的最大值和最小值的复杂系统，存在可能展开必要的程度，观察沿管道的吸收。

在这里描述的安排，在40kHz的兴奋管一端，从而成为与波移动速度传感器在沿管道的振动棒在管道的声音。

在管的两端，波反映和走向回原籍。

最终的效果上沿管道的吸收量和金额将取决于每一种情况下被认为是很小的。

兴奋的管道主要垂直长度，从而主要产生横波，其主要振荡垂直管道。

本的某些部分能源是自发地转化为其他形式（例如，纵波）。

这种效应也在接口点，如三通管连接两个长的路段发生。

从理论上讲，声音在固体介质中的速度等于模数的平方根除以密度。

由于横向和纵向的弹性模量是不同的，人们期待的速度听起来是不同的。

例如，横向速度将小于纵向加快泊松比相等的数额。

对于超声传输管道，效果应该是音速的教科书值一般不提及材料。

影响之一是，在有限的媒体，声音的速度可以低于该speed18在所谓的无限介质的声音。

此外，它在理论上是可能的管道时有效的“限制”一挥手，导致很少或根本没有传输的波长传输超声等于管的尺寸，即使传输容易出现上面和下面这一点。

第三个影响是，在管道中的水增加管道的重量及变化波传播的方式。

这种影响可以是显着的相对较轻的聚氯乙烯（PVC）管道。

为管吸收测量，接收换能器连接在这样一种方式，它认为主要是横向的激励，就像发射换能器主要产生横向激励。

纵向激励仍在观察，因为任何管道运动被翻译成探测器，但效率较低。

其结果是，横向波强调在后面的数字。

4.1.1半在。

镀锌管吸收测量两个10英尺的标准镀锌水暖管件部分在中间加入一个发球在每年年底和黄铜球阀。

关节使用铁氟龙胶带密封。

超声波发射机一端放置在刚刚内侧的球阀和接收传感器被调整在1米大关，信号发生器产生的最强信号（近40.5千赫），发生在换能器的谐振工作点。

在此配置两种类型的测量。

首先，数据点每天从1厘米到1.8米。

这使得预期的山峰和山谷的概述作为信号传输管。

二，数据点被送往附近的团块预计的最高点，在整个20英尺长的管道，使用干涉仪（相位关系）的方法来确定最大值。

例如，测量多达10个1厘米除了可，以确保记录的最高点。

这些测量完成第一次用在管道中的水，然后用管道没有水。

此外，发射包裹2。

每边的半刚性泡沫，夹住在一起。

这样的安排，由接收换能器背景信号检测总是从管道的总测量信号小于3％。

此外，接收器信号放大，滤波，频谱提供的数字读数记录分析仪。

加水时，管道位于四个泡沫软垫支持中心略高于两端。

开球开顶水倒入，直到管道得满满的，然后在每年年底的球阀破获了几次，加水空气和水的发球逃脱，使更多的空间。

当管道被认为是完整的，1塑料螺纹盖拧成的发球使大会的水和空气紧张。

此4.2展示的第一种类型的测量，显示了突出的周期重复每隔24厘米，12.5厘米的预期波长约一倍。

第二种模式是重叠，重复，每4.2厘米。

第三个观察是，实际上出现的信号增加超过80厘米的测量距离。

这部分是由于互动两个循环的影响，导致周期长的实际峰值是不可用的情况下，部分原因正在采取每厘米的测量，离开的可能性实际最高点可能是测量之间。

总体而言，缺乏一个明确的下降的趋势，是一个非常低的吸收跨越这个距离，并在此指示frequency.19另一个可能的解释是在此4.2所示的振荡，超声波能源正在传输，在不同的模式和能源之间移动这些模式，因为它正在传输管道。

测试结果的性质指向需要进一步探讨不同的传输模式，可以发生在简单和复杂管道系统。

此4.3演示了测量的第二个类型，在管的长度。

“趋势是平滑的，因为只有最高值发生在距离绘制。

下管的一个测量序列后，绘制点，然后额外点被带到那里是有差距的外观或可能性最大被错过了。

已添加额外的数据以这种方式收购点，此4.2。

在此4.3所示，从100厘米至180厘米的额外点确实产生走下坡路。

上述测量后，水从管道中排出。

频率调整为100厘米，最大信号强度，下列测量在稍低的频率为40.3千赫。

此4.4显示了一个80厘米的距离最小/最大模式。

大型极大再次出现在约24厘米的间隔，小规模的最大值出现每2.1厘米。

此4.5显示了大型极大的位置，再基于多附近的每一个预期的最大的测量。

整体坡是比以前的少测量管道中的水。

有些变化是不可避免的实验测量。

其他的变化提供制定一个有效的制度时，必须考虑的信息。

最引人注目的效果可能会在2.1厘米的尖峰出现，都与不再加水22-厘米，大型波长。

预计这两个波长是两个结果波的传播或多或少独立，蔓延在840米/秒和其他8,800米/秒。

这是比预期的速度5000米/秒的纵向，3097米/秒的横向钢，1440米/秒的水，340米/的空气吧。

声压减半沿着这条管道的每一个2.6米。

4.1.2半在。

铜管吸收测量这些测量完成相同的实验安排如上所述，但干涉的方法被用来确定的最大值整个管测量系列，而不是以千里马附近的多个数据点。

此4.6显示从1到1.8米，它的水铜管80厘米的段。

一个整体波长10厘米，是明显的，表明了4000米/秒的声速。

较小波长是目前以及一个较小的振幅表明，重复每2.5厘米，低强度波速度1000米/秒。

此4.7显示了测量在20英尺的管道长度，包括在中间的发球（用于插入水）。

从这个此表，可以得到发球前的吸收系数0.00069/cm0.00043/cm开球后，基10指数模型为基础。

发球本身造成6dBV的损失。

总体而言，与自来水管吸收比没有略高。

此4.8显示从80厘米的铜管段的测试结果从1米到1.8米没有水。

总体特征是类似装满水的铜管。

正如与水，还有较弱的波长显示每2.5厘米以及stronger20极大值在10-10厘米的分离。

水的主要作用似乎是一个轻微的变化吸收。

使用此4.8为指导，测量了整个管选择上Lisajous模式为基础的最高点。

结果如此4.9所示，这是用来估计前三通管道的吸收系数0.00059/cm后发球0.00026/cm。

4dBV的损失发球的结果。

4.1.3半在。

PVC管材吸收测量测量聚氯乙烯重复上述管道。

干涉方法被用来寻找更长的距离的最大值。

此4.10显示了一个30厘米在管水段。

估计的吸收系数是0.012/cm和声速为400米/秒。

此4.11显示了一个没有水管道80厘米的段。

吸收系数0.0076/cm，不太吸收一半的水填充的PVC管。

此外，出现从1600米/秒波的转换是一个80厘米的距离超过400米/秒波。

与水的PVC管测量，大大低于那些没有水的不同，总体而言，PVC不如在40千赫（或其他金属管道传输介质频率）。

在一般情况下，在PVC中的声音的速度低于金属管道，并阻尼在充水管道1600米/秒波出现在干燥PVC。

使用上述相同的实验方法描述为金属管道扩增显着增加，为了使测量，“本底噪声”达到从发射换能器只有1米的距离。

当然，更远的距离是可能的，然而，他们需要提高发射功率，更好地耦合到管，和/或电子具有噪音低。

吸收测量将是有益的决定将需要什么这些修改。

另一种策略，是因为从一开始就注入纵波期望是，这些宣传在一个较高的速度和较低的吸收。

测试在本节中的测量中使用的安排，利用一个简单的横向耦合可应用于任何地方轻松。

参考文献

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附英文原文：

Researchonperformanceofmulticastinginopticalpacketswitchednetworks

TheprimaryobjectiveofthisPhase1projectwastoexplore,demonstrate,anddocumentmethodsforultrasonic-basedcommunicationwithanemphasisontheapplicationofdigitalsignalprocessingtechniques.Duringtheproject,atthedirectionoftheagencyprojectmonitor,particularattentionwasdirectedatsendingandreceivingtypedmessagesandcomputerfilesultrasonicallythroughairandthroughpipesthatwouldbecommonlyfoundinbuildings.UltrasoundcommunicationhardwarewasinitiallydevelopedbyOakRidgeNationalLaboratoryin1993andwasbasedonfrequencymodulationelectronics.Thishardwareprovidedameansoftransmittingaudioinformation（e.g.,voiceandmusic）throughtheairasacontinuous（analog）signal.DuringthePhase1project,effortswerefocusedonthedevelopmentofmethodsfortransmittingcomputerfilesusingatechniquecalleddiscretefrequencyshifting（DFS）.WithDFS,individualalphanumericcharactersarebrokendownintoasequenceofbits,whereeachbitisusedtogenerateadiscreteultrasonicfrequency.Characterscanthenbetransmittedone-bit-at-a-timeandreconstructedbythereceiver.ThistechniquewasputintopracticethroughthedevelopmentofLabVIEWTMvirtualinstruments（VIs）.Togetherwithspeciallydesignedelectronics,theseVIsprovideasystemfortransmissionandreception/reconstructionoftypedmessagesandcomputerfiles.Inaddition,signal-conditioningelementswereidentified,evaluated,andselectedbasedontherequiredfunction.Forexample,severalcommercialintegratedcircuitsweretestedforconvertingthefrequencyofthereceivedultrasonicsignaltoacorrespondingdirectcurrentvoltagelevel.Twoofthesedevices（aphase-lockedloopandafrequency-to-voltageconverter）werelaterincorporatedintothefinalsystemhardware.Considerabletestingwasperformedtostudyhowultrasoundistransmittedthroughpipesfilledwithairorwater.Thesetestsresultedinanumberofreferencechartsthatillustratetheabsorptionofultrasoundthroughdifferentpipematerials,bothwithandwithoutwater,asafunctionofdistance.Thesechartsshowthatultrasoundisleastattenuatedbycopperpipeandmostattenuatedbypolyvinylchloridepipe.Themajorinfluenceofwaterinthepipeappearstobeasanadditionaldampingmechanism（resultinginadditionalsignalattenuation）;however,dramaticimprovementsareobservedinultrasoundsignalstrengthifthetransducersaredirectlycoupledtothewater,ratherthansimplyattachingthemtotheoutsideofthepipe.

Amajoraccomplishmentofthisprojectwasthedevelopmentandintegrationofhardwareandsoftwareintoafullyfunctionalultrasoniccommunicationsystemfordemonstrationpurposes.Allaspectsofthissystemaredescribedindetailinthisreport,andrecommendationsforfurthermprovementsaregiven.Thisreportalsoprovidesadiscussionofmajorsystemconsiderations,ncludingsignalconditioningelectronics,speedanddistanceoftransmission,triggeringandoisefiltering,anderrorchecking.

Reviouslydiscussed,initialdevelopmentsofultrasoniccommunicationhardwarebyORNLtilizedfrequencymodulation（FM）circuitry.TheFMmethodisattractivesinceFMsignalsarenherentlymoreimmunetoextraneousnoisethanamplitudemodulated（AM）signals.IfFMignalsaretransmittedviaatransducerhavingarelativelyflatamplituderesponsetoallransmittedfrequencies,theresultingultrasoundwillbeinaudible;however,ifthetransduceroesnottransmitallfrequencieswithequalintensity,amplitudemodulationswilloccur.Thesemplitudemodulationscanbeheard,