2011E题 数字信号传输性能分析仪.docVIP

简易数字信号传输性能分析仪 摘要：本文以FPGA为核心，C8051f330作为控制部分，设计了一种数字信号传输性能分析装置。它由数字信号发生器、伪随机信号发生器、模拟低通滤波器、加法电路以及数字信号分析模块等构成。数字信号发生模块和伪随机信号发生模块由FPGA产生，伪随机信号发生器和低通滤波器模拟传输信道，数字信号分析模块由滤波和整形电路构成。。。。。。，此外本系统还能实现COD等功能，经测试，各项指标均能满足设计要求。 信号经过四阶巴特沃斯低通滤波后，满足滤波器带外衰减不少于40dB/十倍频程的要求，两者通过反向加法电路，相互叠加后输入数字信号分析电路，此电路中有滤波，整形，产生方波后输入到FPGA中测量其脉宽，以便提取同步信号，显示出它的眼图，还能产生曼彻斯特编码，提取其信号的同步时钟，与之产生眼图，达到了数字信号传输分析的功能及其各个指标。 关键字：m序列数字信号 低通滤波器 同步信号 眼图 一、方案设计与比较 1.1 数字信号发生器的设计： 方案一：使用中规模集成电路芯片实现指定数字信号及伪随机信号的发生，然后用门电路处理后输出信号； 方案二：使用大规模集成电路（如FPGA）中的移位寄存器及其门阵列实现指定信号的发生，直接输出TTL电平； 方案一成本较低，但使用的芯片数量较多，硬件设计较复杂，而且进阶要求中曼彻斯特编码会增加硬件设计的负担；方案二使用现成的FPGA开发板，可较方便且较快实现指定信号的设计输出。而且可较容易实现对信号的曼彻斯特编码。所以采用方案二。 1.2 低通滤波器的设计： 方案一：搭建RC无源滤波器。电路比较简单，可靠性高；但通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显。对于500K的截止频率，额外增加噪声，不适合高频滤波，给予排除。 方案二：四阶巴特沃斯低通滤波器，通带内没有能量损耗，负载效应不明显，多级级联相互影响小。四阶巴特沃斯滤波满足带外衰减大于40dB/十倍频程，通带平坦，满足设计要求。 较方案一，方案二能量损耗小，负载效应不明显，切合题目要求，所以选择方案二。 1.3 同步信号提取的设计 方案一：先测曼切斯特信号的脉宽，得到较大波的脉宽，根据产生曼切斯特信号的原理可得，该脉宽恰是其原始时钟的周期长度，根据此得到原始时钟的频率，进而得到同步信号。 方案二：原序列一个循环周期中曼切斯特上升沿和下降沿的总和是固定的，在同一段时间内，可以把上升沿和下降沿的总数跟频率对应起来，即可以得到原来同步时钟的频率，频率输出由计数器实现，通过对计数器的异步清零与原序列进行相位同步，这样就可以得到同步信号。 第二个方案测量的频率简单，易行，频率比原始的多或少，就在此基础上减掉几个或增加几个，对于不稳的频率或有过冲，更加准确，所以选择方案二。 二、系统总体设计 通过分析知，本检测装置主要有数字信号、伪随机信号发生模块、低通滤波模块、反相加法模块、数字分析模块。系统整体框图如下图一所示。 图1 系统总体框图 数字信号和伪随机信号的m序列都在FPGA中产生，数字信号经过四阶巴特沃斯滤波后，相应频带的信号与伪随机信号叠加，进入数字信号分析电路，滤去噪声，整形成方波，输入到FPGA中，测量其脉宽，得到同步信号，曼彻斯特编码产生的信号就能与提取的同步信号产生眼图了。 三、理论分析与计算 3.1 低通滤波器的设计 巴特沃思滤波器具有通带最大平坦幅度特性，式（3-1）是n阶巴特沃思低通滤波器的幅频响应表达式?。 （3-1） 截止角频率 : ; 截止频率：； 电压增益：; 由于设计要求每个滤波器带外衰减不少于40dB/十倍频程，采用四阶电路，理论可达80dB/十倍频程。四阶巴特沃思低通滤波器的传输函数为； A(S)=A1(S)A2(S) （3-2） 100kHz低通滤波电路如下： 图2 低通滤波电路 参数计算： R1=R2=15K； C9=C2=100PF; R3=R4=6.2K ； C12=500PF; 截止频率： ； 电压增益： ； 同样200kHz低通滤波电路参数值如下： R1=R2=6.8K； C9=C2=100PF; R3=R4=3.3K ； C12=500PF; 截止频率： 电压增益： ； 500kHz低通滤波电路参数值如下： R1=R2=3K； C9=C2=100PF; R3=R4=1.2K ； C12=500PF; 截止频率：； 电压增益： ； 由于设计要求滤波器通带增益在0.2——4.0内可调，在滤波电路后接一级可调放大电路以满足设计需要。电压放大倍数为0~10倍内可调。 3.2 m序列数字信号 m序列数字信号由线性移位寄存器产生，如图3所示。主要