简易数字信号传输性能分析仪.docx

PAGE 10 简易数字信号传输性能分析仪的设计 摘要： 本简易数字信号传输性能分析仪采用FPGA产生数字基带信号和伪随机噪声信号，让数字基带信号分别通过由拨码开关来选择的3个不同截止频率的有源低通滤波器，然后与伪随机噪声信号叠加，并将该叠加后信号送入数字信号分析电路。数字信号分析电路首先对接收到的信号进行预处理，主要进行滤波和整型等工作。预处理后的信号送往FPGA，进行同步时钟电路的提取。利用提取的同步时钟，观察接收到信号的眼图，并根据眼图来判别数字信号通过不同信道和叠加不同噪声后的传输性能。该数字信号传输性能分析仪较好地完成了设计的基本与发挥部分的要求。 关键词：数字基带信号 数字锁相环 同步时钟 眼图 方案设计与论证 1.1方案比较与选择 1.1.1数字信号和伪随机信号发生器 方案一： 采用硬件电路来实现。利用线性反馈移位寄存器来产生输出数字信号和伪随机信号的m序列。对于移位级数较少的m序列硬件电路较为简单，且能方便快捷地实现，但是难于实现级数较高的m序列的产生。 方案二： 采用FPGA芯片，运用VHDL语言来实现。在QUARTUS II 8.0 软件里利用VHDL语言来构建移位寄存器，以此来实现数字信号和伪随机信号发生器。利用VHDL语言能简单、快捷实现任意级数的m序列,便于利用示波器观察，同时可以实时调整m序列。 综上所述，利用FPGA可以在短时间内及时完成数字信号及伪随机信号的产生，且便于实时调整、修改与验证是否产生了正确的数字信号和伪随机信号。 1.1.2三个低通滤波器和后级低通滤波器 方案一： 利用无源元件R、L、C组成来实现。无源滤波器具有成本低，运行稳定，容量大的优点。但其谐波滤除率低，对基波的无功补偿也是一定的。 方案二： 利用有源滤波的方法来实现。有源滤波器除了可以滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率，反映动作迅速，滤除谐波可达到95%以上，补偿无功细致。 综上所述，因数字信号发生器送出的信号频率较低，谐波滤除率要求高，所以在分别进行截止频率为100KHz、200KHz、500KHz的滤波时用有源低通滤波器来实现。而后级滤波器需要滤除叠加的频率较高的伪随机噪声，故采用运行稳定容量大的无源低通滤波器来实现。 1.1.3可调增益放大器和加法器 方案一： 利用集成DAC芯片来实现。根据题目要求，伪随机信号的输出幅度V3需在100mV~TTL电平之间可调，因此可以利用数模转换芯片里的电阻网络来实现伪随机信号的幅度可调。但利用数模转换芯片存在着控制的数字量与最后的增益不成线性关系，会造成增益的调节不均匀，精度下降等问题。 方案二： 用非易失性数控电位器改变电阻的方法来实现。非易失性电位器具有无噪声、寿命长、阻值程控改变、设定阻值掉电记忆等特点。但非易失性数控电位器对于软件编程实现复杂，考虑时间紧张，此方案不作为最终方案。 方案三： 采用高增益可调、输出低噪声、宽带放大器VCA810来实现。VCA810具有以dB为单位进行调节，可调增益为正负40dB的特性。利用电位器对输入的负电压进行分压来调节输出增益。 综上所述，基于宽带放大器VCA810来实现增益可调实现起来简便，硬件电路简单。所以选择方案三利用VCA810来改变伪随机信号的输出幅度在100mV~TTL电平之间的变化。 1.2 方案描述 本设计通过FPGA来产生数字基带信号和噪声信号，在发挥部分，还对数字基带信号进行了曼切斯特编码，让基带信号通过由低通滤波器模拟的信道。根据题目要求，设计了三个不同截止频率的低通滤波器，截止频率分别为100KHz、200KHz和500KHz，通过拨码开关来选择三个低通滤波器。噪声电路部分还设计了相关增益电路，所产生的噪声与经过信道的数字基带信号叠加后送入数字信号分析电路进行处理。数字信号分析电路首先对接收到的信号进行预处理，主要进行滤波和整型等工作。预处理后的信号送往FPGA，进行同步时钟电路的提取。利用提取的同步时钟，观察接收到信号的眼图，并根据眼图来判别数字信号通过不同信道和叠加不同噪声后的传输性能。 2. 理论分析与计算 2.1低通滤波器设计 滤波器设计可分为巴特沃思、切比雪夫和贝塞尔滤波器。在此处设计的低通滤波器电路为巴特沃思低通滤波器。根据题目要求，需要设计100KHz、200KHz和500KHz的低通滤波器，为了使硬件电路在满足指标要求的条件下尽可能简单，设计的100KHz和200KHz均为4阶的有源低通巴特沃思滤波器，而500KHz的滤波器为6阶的有源低通巴特沃思滤波器。 n阶巴特沃思低通滤波器的传递函数为 故4阶和6阶巴特沃思低通滤波器的传递函数分别为和。由于题目要求带外衰减不少于40dB/十倍频程、截止频率误差绝对值不大于10%及通带增益在0.2~4倍范围内可调，因此利用Fil