簡易數(shù)字信號傳輸性能分析儀

1、簡易數(shù)字信號傳輸性能分析儀摘要：木系統(tǒng)簡易數(shù)字信號傳輸性能分析儀以fpga為核心，由m序列信號發(fā)牛器、低 通濾波器、電壓加法電路及數(shù)字信號分析電路等部分組成。m序列信號采用線性移位寄 存器實現(xiàn)，其中偽隨機信號和三個四階巴特沃斯低通濾波器來模擬傳輸信道，數(shù)字信 號分析電路由去噪電路、整形電路、同步時鐘提取電路和解碼電路組成。本系統(tǒng)能實 現(xiàn)數(shù)字信號傳輸性能測試。經(jīng)測試，木系統(tǒng)能夠產(chǎn)生步進lokhz的m序列，低通濾波 器帶外衰減大于40db/十倍頻，其通帶增益0.24. 0連續(xù)可調，誤碼率小于1%,偽隨 機信號在1 oomvttl電平z間變化，且在低信噪比下能提取出穩(wěn)定的同步信號，并正 確顯示信號的

2、眼圖，此外，本系統(tǒng)還具有產(chǎn)生歸零碼，pcm碼等功能，較好的完成了設 計任務所要求的技術指標。關鍵字：同步時鐘 濾波 信道傳輸 眼圖一、系統(tǒng)方案及論證1. 1方案比較及選擇1.1.1數(shù)字信號發(fā)生器方案比較方案一：m序列數(shù)字信號vi和偽隨機信號由專用集成電路搭建。方案二：m序列數(shù)字信號vi和偽隨機信號v3由可編程邏輯器件fpga來實現(xiàn)。方案一產(chǎn)生序列速度很快，但因硬件電路i古1有的不便修改特性，該方法僅僅對一些 本原多項式有效，而方案二可方便修改輸出序列，且簡化了運算，而且產(chǎn)牛序列速度 也比較快，所以采用方案二實現(xiàn)數(shù)字信號發(fā)生器和偽隨機信號發(fā)生器。1.1.2提取同步信號方案比較方案一：利用fpga

3、產(chǎn)生超前滯后的位提取鎖相環(huán)電路。但這種鎖相環(huán)要求的輸入 時鐘范圍是lomhzloomhz,它對于低速數(shù)據(jù)顯得無能為力。而且，對于中低檔fpga來 說，鎖相環(huán)是稀缺資源，很多時候被用作系統(tǒng)時鐘鎖相。方案二：對輸入信號進行脈沖計數(shù)，計算輸入信號數(shù)據(jù)率，進行數(shù)據(jù)匹配后，產(chǎn)牛 同頻率同步吋鐘輸出。由于方案一中鎖相壞電路對輸入信號具有大于10mhz的要求，而本設計最大輸入頻 率為lookhz，該方案否決。方案二對輸入信號頻率要求不高，只要小于fpga系統(tǒng)時鐘 即可得出同步時鐘頻率，但當輸入信號頻率較大時，可能產(chǎn)生較大誤差，但對本系統(tǒng) 而言，可對誤差微調，故選擇方案二。1.13濾波放大電路方案比較方案一：

4、采用貝塞爾濾波電路方案二：采用切比雪夫濾波器方案三：采用巴特沃斯濾波器切比雪夫濾波器通帶紋波較大，階躍響應振蕩丿萬害，貝塞爾濾波器衰減速率差，而 巴特沃斯濾波器通帶平坦，脈沖響應比切比雪夫濾波器好，能滿足帶外衰減大于40db/ 十倍頻的設計要求，所以選擇方案三1. 2系統(tǒng)描述根據(jù)題目要求，將產(chǎn)生的數(shù)字信號m序列經(jīng)過濾波放大電路，偽隨機信號經(jīng)過無源 衰減網(wǎng)絡、之后將兩路輸出信號疊加作為后級濾波電路的輸入，將最后的輸出信號傳 給fpga進行分析。系統(tǒng)結構如圖1-1所示：sp1單片 機控 制及 顯示圖1-1系統(tǒng)總體結構圖二、理論分析與計算2. hn序列數(shù)字信號的產(chǎn)生m序列是由帶線性反饋的移存器產(chǎn)生的

5、周期最長的序列。其原理方框圖如圖2所示, 主要由移位寄存器設計實現(xiàn)。其中各級移存器的狀態(tài)用ai表示，反饋線的連接狀態(tài)用 ci表示（1：參加反饋，0：斷開），ci是一個很重要的參量。其特征方程可表示：/（x）= co + cx + c2x2 + c3x'.+ cnx圖中co、cl.cn均為反饋線，其中c0=cn=l，表示反饋連結。因為m序列是由 循環(huán)序列發(fā)生器產(chǎn)生的，因此c0和cn肯定為1,即參與反饋。而反饋系數(shù)cl、c2.cn 1若為1,參與反饋，若為0,則表示斷開反饋線，即開路、無反饋連線。一個線性 反饋移位寄存器能否產(chǎn)生in序列.決定于它的反饋系數(shù)ci （c0.cn的總稱）。反饋系

6、 數(shù)ci是以八進制表示的。使用該表時，首先將每位八進制數(shù)寫成二進制形式。最左邊 的1就是co （c0恒為1）,從此向右，依次用二進制數(shù)表示cl、c2.cno有了 cl、c2. 值后，就可構成m序列發(fā)生器。2. 2低通濾波器設計由于設計要求濾波器的通帶增益為0. 240,所以將該電路分為濾波和放大兩部分 設計。先將輸入信號經(jīng)過低通濾波器，再經(jīng)過一個增益可調的放大器，則可滿足設計 要求。厶a匕心尸0片口根據(jù)要求,設計截止頻率分別為lookllz. 200khz、500kilz的三路低通濾波器。二 階巴特沃斯濾波器的衰減率為每倍頻12db,每十倍頻衰減40db,但由于設計參數(shù) 誤差選擇以及電容電阻自

7、身的誤差可能使每十倍頻小于40dbo為滿足電路衰減每 十倍頻衰減不小于40db,釆用四階巴特沃斯濾波器。四階巴特沃斯濾波器衰減率 理論為每倍頻18db.每十倍頻80db,遠遠大于要求的40db。我們選擇參數(shù)相同的 兩個二階巴特沃斯濾波器串聯(lián)組成四階巴特沃斯濾波器，這樣使得中心頻率相同。參 數(shù)調整方便，且濾波特性不會有太大的浮動。二階低通濾波電路的參數(shù)選定由下面計算得到。10104io5106圖2-1二階濾波器電容參數(shù)圖兩個二階巴特沃斯濾波器的中心頻率相同，只需根據(jù)一個二階巴特沃斯濾波器計算 截止頻率f即可。壓擺率:（式 1-1）帶寬增益積:a2* 3.14*105*3.3« 0.21

8、v/w5gbw = fnux *au>105*1 =105（式 12）我們選用的濾波芯片為ne5535,帶寬增益積為10m,壓擺率為8v/us,滿足要求2. 2.2放大電路為了滿足通帶增益在0.240范圍內可調，采用運放組成的兩級反向放大電路。放大電路的輸入信號最大為ttl電平3. 3v,最大頻率為lookilz,所以對所選芯片有以下要求:壓擺率:sr>0.21v/us帶寬增益積：gbw>4*1o5我們選用的芯片為高速運放ths4052,它的帶寬增益積為70mhz,且有240v/us的 高壓擺率，遠遠大于設計需要，所以設計合理。2.3同步信號提取因為曼徹斯特編碼高電平保持時間

9、只有半個周期或一個周期，所以先通過測量曼徹 斯特編碼高電平時間來得到頻率。即在高電平吋，由50m脈沖觸發(fā)計數(shù)，直到下降沿 時結束計數(shù)并存儲計數(shù)值，并與前次存儲值進行比較，存較小值n,得出半個同步時 鐘周期n/50000000,從而計算出同步時鐘的頻率f。由于曼徹斯特編碼經(jīng)過模擬電路 輸岀，所得到的值不可能都是半個周期，所以在系統(tǒng)內部通過分頻得到10k至100k按 10k步進的各頻率，通過f的值所在的范圍輸出此時的頻率。為了保持觸發(fā)輸擊點同步, 通過檢測存儲曼徹斯特碼的電平，當捕捉曼徹斯特編碼的兩個連續(xù)高電平之后的下降 沿進行匹配，一旦匹配完成，則輸出同步時鐘。24眼圖顯示方法設計中采用示波器顯

10、示眼圖電路，示波器采用外觸發(fā)模式，用同步信號觸發(fā)v23o 當觸發(fā)信號來時，v2a輸出一個波形，直到下一個觸發(fā)信號再次輸出波形。由于v2a有 寬窄兩種脈寬，示波器具有殘留效應，所以能顯示眼圖。當觸發(fā)脈沖與輸入信號頻率 相同，相位差保持不變時，眼圖保持穩(wěn)定清晰。如果頻率不完全匹配，顯示的眼圖有 抖動，改變同步信號或者v2a,即可改變眼幅度。三、電路與程序設計31模擬電路設計 3.1. 1濾波放大電路四階巴特沃斯濾波器可由兩個參數(shù)完全相同的二階巴特沃斯濾波器串聯(lián)起來，二階巴特沃斯濾波器電路圖如下:rlr2<vt>i.8k100r38ko40|i5opru5avcc+15v |10uf t

11、 ihj& 飛仇甌7肩乂圖3-1二階巴特沃斯濾波器電路截止頻率為：a72 （式 21）c _ r1r2cc1wc 111q rc+7?2c + （1 ay）r26（式 22）其中，av為增益,選擇增益為1,倫為截止頻率對應的角速度，q為品質因數(shù)。為使得濾波器的幅頻特性在通帶內具有最大的平坦特性，所以我們取品質因數(shù) q二0.707。根據(jù)圖2-1和式2-1、式2-2選取各個電容電阻值。lookhz低通濾波器：c=30pf, cl二loopf, r1二11k, r2二24k02ookhz低通濾波器：c=300pf,cl=100pf, r1二6.2k, r2=22k200kllz低通濾波器：c

12、=300pf,cl=100pf, rl二2.4k, r2=10k在該電路中，為了有更精準的截止頻率，每個元件的選擇與理論值盡可能一樣，由 于有些電阻實驗室無完全匹配阻止，(2-1)算式中的r1是電路中的rl、r2的和，r2 是電路中的r3、r4的和。3.1. 2兩級反向放大電路圖如下:一級反向放大電路增益為1,二級反向放人電路增益滿足0. 2x0,電路中的參數(shù) 計算如下：at= rf/r（式 31）其屮，為增益，心為反饋電阻，尺為輸入電阻。一級放大電路在這里只起到反向的作用，所以輸入端電阻r1二1k,反饋電阻rf = iko二級放大電路需要滿足增益 024.0連續(xù)可調，根據(jù)公式（3-1）得到r

13、f+r24.0 = r1（式 3-2）r20.2盲 心（式3-3）我們選取rf為100k的滑動變阻器,由式（3-2）和（3-3）計算得到r1二23. 8kq , 其中r1對應圖中的r42和r43之和。r2二4.76kq,對應圖中的r46。3. 1. 3加法電路： 此電路采用ths4001完成將10mhz的偽隨機信號和經(jīng)過低通濾波的 數(shù)字信號相加，ths4001的寬帶增益積為270mhz,采用同相求和運算電路。加法電路 電路圖如下：圖3-3電壓加法電路3. 14衰減電路根據(jù)設計要求，此電路使輸入的偽隨機信號在ttl電平到looniv之間變化輸出，采用無源衰減網(wǎng)絡，用電阻對偽隨機信號進行分壓。為了

14、使后級電路不影響衰減網(wǎng)絡, 我們在衰減網(wǎng)絡和后級電路之間加了電壓跟隨器，起到前后級電路隔離的效果。由于 是10mbps的偽隨機信號，根據(jù)式(1-1) (1-2)選擇ths4001做電壓跟隨運放。電路 原理圖如下圖：圖3-4衰減網(wǎng)絡電路圖3. 1.5比較電路此電路主要將模擬信號轉化成為數(shù)字信號以便fpga分析。因為曼徹斯特編碼經(jīng)過 低通濾波、加燥、濾噪、衰減網(wǎng)絡等前級電路，信號變的比較差，fpga對輸入信號的 檢測容易產(chǎn)生各種錯誤，為了能夠準確地分析信號，我們采用lm311比較器，將經(jīng)過 比較電路后的信號傳送給fpgao i.m311比較器具有很高的靈活性，能工作于25到30v 的單電源或

15、77;15v的雙屯源，輸出屯壓可以驅動以vcc vee電壓為參考的負載，可以 靈活驅動dtl、rtl、ttl或mos管。本電路以3. 3v為參考電壓，最后比較輸岀ottl 電平驅動ttl門電路。比較電路如下圖所示：3.2 fpga硬件電路設計3. 2.1數(shù)字信號發(fā)生電路數(shù)字信號發(fā)生電路主要由時鐘產(chǎn)生模塊序列產(chǎn)生模塊和曼徹斯特碼產(chǎn)生模塊組成。 時鐘頻率控制字由單片機控制。在曼徹斯特編碼中，用電壓跳變的相位不同來區(qū)分 1和0,即用正的電壓跳變表示0,用負的電壓跳變表示1。所以根據(jù)該原理知曼徹 斯特碼的產(chǎn)生可由吋鐘和m序列同或得到。同吋，可以用按鍵切換實現(xiàn)m序列和曼徹 斯特碼的輸岀。其具體原理框圖如

16、下圖：sfi 時鐘信號產(chǎn) 生模塊數(shù)字信號發(fā)牛器vi ck)ck同或曼徹斯特碼產(chǎn)生模塊功岀斑輸m序列產(chǎn)牛模塊圖3-6數(shù)字信號發(fā)生器結構圖3. 2. 2數(shù)字信號分析模塊數(shù)字信號分析模塊主要由同步信號提取模塊和解碼模塊構成。同步信號提取如理論分析所述實現(xiàn)，解碼模塊通過輸入的曼徹斯特碼的寬脈沖下降沿觸發(fā)開始有效，由同步提取信號經(jīng)d觸發(fā)器觸發(fā)曼徹斯特曼從而得到解碼。其具體原理框圖如下圖:測頻模塊各步進頻率選擇產(chǎn)牛模塊v lsyn寬脈沖下降 沿觸發(fā)模塊解碼 模塊圖3-7數(shù)字信號分析電路結構圖3. 2. 3其他(1) 歸零碼輸出模塊歸零碼輸出模塊主要通過由單片機產(chǎn)生的序列控制吋鐘信號的輸出。并循環(huán)輸出設 置

17、的序列所對應的時鐘信號。(2) am信號產(chǎn)生模塊(1) 正弦信號輸出：通過查詢rom實現(xiàn)，因為時鐘脈沖為50m,二進制為24位所以該 累加器最大到2篤 取其高8位尋址地址。rom表位寬為8位。經(jīng)da轉換得到波形，所 以rom中的值都為正數(shù)。(2) 調幅信號原理：用f表示輸出凡表示載波信號，用/表示調制信號，m表示調制 度，則上式可簡化為：f 二fdt*(l+冷朋4n)并且f擊.和雖初都是有符號函數(shù)。在實驗中載波信號為正弦通道輸出的lokhzxookhz 信號，其頻率控制字與輸出的時鐘信號的控制字相同，由單片機控制頻率控制字，峰 峰值固定不變。調制信號為1kiiz的正弦調制信號，通過單片機控制其

18、輸出電壓，從而改變調制度。(3) pcm產(chǎn)生模塊 調制信號同am信號產(chǎn)生模塊的1khz,通過調制時鐘信號得到所需的信號。2、軟件設計部分 系統(tǒng)軟件設計本系統(tǒng)中，c8051f020單片機主耍作為良好的人機交流界面，隨時可設定數(shù)據(jù)率和 歸零碼并將其顯示在數(shù)碼管上，然后將計算好的數(shù)據(jù)傳送給fpga,起到調節(jié)m序列和 曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)率的作用。四、測試方案和測試結果4. 1測試儀器表4-1測試儀器序號儀器型號1模擬示波器m0s-620b2數(shù)控式線性直流穩(wěn)壓電源lps-3053數(shù)字示波器g0s-20644掃頻/函數(shù)信號發(fā)生器fg-506a5交流毫伏表ut53 multimeter4. 2測試方案4. 2

19、. 1信號發(fā)生器測試：用數(shù)字示波器觀察m序列；4.2.2濾波器測試：測試工具用交流毫伏表，增益調節(jié)為1,設輸入信號測得為vin, 輸出為vout；4.2.3數(shù)字示波器測量頻率，將測得的實際值與設定值想比較，得到絕對誤差4. 2.4偽隨機信號：測試同4.2. 14.2.5眼圖測試：用模擬示波器看眼圖，將卩2輸入x通道，同步時鐘輸入y通道，采 用外觸發(fā)方式，用同步時鐘去觸發(fā)v2ao4.2.6曼徹斯特編碼：用雙通道數(shù)字示波器觀察，觸發(fā)模式選擇單次出發(fā)。將曼徹斯特 編碼和對應的m序列顯示在示波器上。4. 2.7同步時鐘提取以及v2a的眼圖顯示：用模擬示波器看眼圖，將卩加輸入x通道， 同步時鐘輸入y通道

20、，采用外觸發(fā)方式，用同步時鐘去觸發(fā)v2ao盡量增大噪聲電 壓，減小輸入信號，即在盡量低的信噪比下提取同步信號。4. 3測試結果4. 3. 1數(shù)字信號發(fā)生器模塊測試表4-2數(shù)字信號m序列數(shù)據(jù)率測試設定數(shù)據(jù)率(bps)實測數(shù)據(jù)率(bps)相對誤差(bps)絕對誤差(%)10k10.0003k0. 00030. 00330k30.0009k0. 00090. 00350k50.0015k0. 00150. 00380k80. 0075k0. 00750. 009100k100. 002k0. 00200. 002由表4-2可知，產(chǎn)生的0)序列數(shù)據(jù)率精確，滿足系統(tǒng)誤差絕對值不大于1%的要求, 且可通過

21、單片機控制實現(xiàn)10kbps的步進，并且信號輸岀為ttl電平。設計也實現(xiàn)了曼 徹斯特編碼輸出。m序列及其對應的曼徹斯特碼序列如下圖4-1：圖4-1 m序列與對應的曼徹斯特編碼其中上一個通道為m序列輸出通道，下一個通帶為曼徹斯特碼通道，由圖可知，當in為高電平時，m序列由高到低跳變，當m為低電平時，m序列由低到高跳變。4. 3. 2低通濾波器濾波和放大性能測試表4-4 100k低通濾波器濾波性能測試輸入信號頻率頻率(i1z)輸入信號輸出信號vpp增益g (db)1k3. 363. 360. 00010k3. 363. 360. 00050k3. 363. 20-0. 42480k3. 362. 7

22、2-1.83593k3. 362. 38-2. 99595k3. 362. 32-3.217100k3. 362. 20-3. 678300k3. 360.018-45. 42700k3. 360. 022-43. 671m3. 360. 0200. 002 (-54db)由表4-4可知，實際設計的100k低通濾波器的截止頻率f為93k,絕對誤差為7%, 帶外衰減大于40db,滿足設計要求。表4-5 200k低通濾波器濾波性能測試輸入信號頻率頻率(hz)輸入信號vpp輸出信號vpp增益g (db)1k3. 363. 360. 00050k3. 363. 360. 000100k3. 363.

23、24-0.316190k3. 362. 46-2.708195k3. 362. 38-2. 9951973. 362. 34-3. 142200k3. 362. 30-3. 292900k3. 360. 035-39. 641. 7m3. 360. 024-42.922m3. 360.015-47. 00由表4-5可知，實際設計的200k低通濾波器的截止頻率f為195k,絕對誤差為2. 5%,帶寬衰減大于40db,滿足設計要求。表4-6 500k低通濾波器濾波性能測試輸入信號頻率頻率(hz)輸入信號峰峰值輸出信號幅度放大倍數(shù)10k3. 363. 360. 000100k3. 363. 360.

24、 000300k3. 363. 22-0. 3704003. 362. 96-1. 100450k3. 362. 72-1.835500k3. 362.42-2. 850505k3. 362. 40-2.92508k3. 362. 38-2.992m3. 360. 03-40. 984m3. 360. 02-44. 505m3. 360. 02-44. 50由表4-5可知，實際設計的500k低通濾波器的截止頻率f為505k,絕對誤差為1%, 帶寬衰減大于40db,滿足設計要求。表4-5低通濾波器放大倍數(shù)測試濾波器輸入信號頻 率頻率(hz)輸入信號峰峰值(v)輸出信號峰峰值實測最小 值(mv)理

25、論最小 值(mv)實測最 大值(v)理論最小值(v)100k低通濾 波器10k3. 3665067213. 5813. 44100k3. 3666013.61200k低通濾 波器150k3. 3665213. 59200k3. 3666313.71500k低通濾波器300k3. 3664713. 69500k3. 3665313. 80由此可知，100k低通濾波器實際截止頻率為95khzo 200k低通濾波器，實際截止 頻率為194khz, 500k低通濾波器實際截止頻率為490khz。所以，三個濾波器滿足設計 要求的截止頻率絕對誤差不大于10%,且?guī)馑p大于40db/十倍頻。并且實現(xiàn)了濾波 器的通帶增益在0. 24. 0范圍內可調。4. 3. 3偽隨機信號發(fā)生器根據(jù)系統(tǒng)要求，設計10m偽隨機信號如圖，后加無源衰減網(wǎng)絡，實現(xiàn)了信號 200mvttl電平之間輸出，幅度誤差為零。4. 3. 4眼圖顯示設計實現(xiàn)了同步信號的提取，輸出信號的吋鐘與輸入數(shù)據(jù)率同步。當數(shù)據(jù)率為20khz 時，提取到的同步信號如下圖4-3：圖4-3 20khz提取同步信號(1)基本要求眼圖顯示眼圖是通過模擬示波器m0s-620b來顯示，將模擬示波器打到外觸發(fā)位置，做基本 要求是將數(shù)字信號發(fā)生器的時鐘信號vl-clock作為外觸發(fā)信號，將v2a從模擬示波器 的x通道輸入。當偽隨機