數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀設(shè)計(jì)

1、簡(jiǎn)易數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀摘要：本文以FPGA為核心，C8051f330作為控制部分，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析裝置。它由數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器、模擬低通濾波器、加法電路以及數(shù)字信號(hào)分析模塊等構(gòu)成。數(shù)字信號(hào)發(fā)生模塊和偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生模塊由FPGA產(chǎn)生，偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器和低通濾波器模擬傳輸信道，數(shù)字信號(hào)分析模塊由濾波和整形電路構(gòu)成。，此外本系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)COD等功能，經(jīng)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。信號(hào)經(jīng)過(guò)四階巴特沃斯低通濾波后，滿足濾波器帶外衰減不少于40dB/十倍頻程的要求，兩者通過(guò)反向加法電路，相互疊加后輸入數(shù)字信號(hào)分析電路，此電路中有濾波，整形，產(chǎn)生方波后輸入到FPGA中測(cè)量

2、其脈寬，以便提取同步信號(hào)，顯示出它的眼圖，還能產(chǎn)生曼徹斯特編碼，提取其信號(hào)的同步時(shí)鐘，與之產(chǎn)生眼圖，達(dá)到了數(shù)字信號(hào)傳輸分析的功能及其各個(gè)指標(biāo)。關(guān)鍵字：m序列數(shù)字信號(hào) 低通濾波器 同步信號(hào) 眼圖一、方案設(shè)計(jì)與比較1.1 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)： 方案一：使用中規(guī)模集成電路芯片實(shí)現(xiàn)指定數(shù)字信號(hào)及偽隨機(jī)信號(hào)的發(fā)生，然后用門(mén)電路處理后輸出信號(hào)；方案二：使用大規(guī)模集成電路（如FPGA）中的移位寄存器及其門(mén)陣列實(shí)現(xiàn)指定信號(hào)的發(fā)生，直接輸出TTL電平；方案一成本較低，但使用的芯片數(shù)量較多，硬件設(shè)計(jì)較復(fù)雜，而且進(jìn)階要求中曼徹斯特編碼會(huì)增加硬件設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)；方案二使用現(xiàn)成的FPGA開(kāi)發(fā)板，可較方便且較快實(shí)現(xiàn)指定信號(hào)

3、的設(shè)計(jì)輸出。而且可較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的曼徹斯特編碼。所以采用方案二。1.2 低通濾波器的設(shè)計(jì)：方案一：搭建RC無(wú)源濾波器。電路比較簡(jiǎn)單，可靠性高；但通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯。對(duì)于500K的截止頻率，額外增加噪聲，不適合高頻濾波，給予排除。方案二：四階巴特沃斯低通濾波器，通帶內(nèi)沒(méi)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)級(jí)聯(lián)相互影響小。四階巴特沃斯濾波滿足帶外衰減大于40dB/十倍頻程，通帶平坦，滿足設(shè)計(jì)要求。較方案一，方案二能量損耗小，負(fù)載效應(yīng)不明顯，切合題目要求，所以選擇方案二。1.3 同步信號(hào)提取的設(shè)計(jì)方案一：先測(cè)曼切斯特信號(hào)的脈寬，得到較大波的脈寬，根據(jù)產(chǎn)生曼切斯特信號(hào)的原理可得，該

4、脈寬恰是其原始時(shí)鐘的周期長(zhǎng)度，根據(jù)此得到原始時(shí)鐘的頻率，進(jìn)而得到同步信號(hào)。方案二：原序列一個(gè)循環(huán)周期中曼切斯特上升沿和下降沿的總和是固定的，在同一段時(shí)間內(nèi)，可以把上升沿和下降沿的總數(shù)跟頻率對(duì)應(yīng)起來(lái)，即可以得到原來(lái)同步時(shí)鐘的頻率，頻率輸出由計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)計(jì)數(shù)器的異步清零與原序列進(jìn)行相位同步，這樣就可以得到同步信號(hào)。第二個(gè)方案測(cè)量的頻率簡(jiǎn)單，易行，頻率比原始的多或少，就在此基礎(chǔ)上減掉幾個(gè)或增加幾個(gè)，對(duì)于不穩(wěn)的頻率或有過(guò)沖，更加準(zhǔn)確，所以選擇方案二。二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)通過(guò)分析知，本檢測(cè)裝置主要有數(shù)字信號(hào)、偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生模塊、低通濾波模塊、反相加法模塊、數(shù)字分析模塊。系統(tǒng)整體框圖如下圖一所示。圖1

5、系統(tǒng)總體框圖數(shù)字信號(hào)和偽隨機(jī)信號(hào)的m序列都在FPGA中產(chǎn)生，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)四階巴特沃斯濾波后，相應(yīng)頻帶的信號(hào)與偽隨機(jī)信號(hào)疊加，進(jìn)入數(shù)字信號(hào)分析電路，濾去噪聲，整形成方波，輸入到FPGA中，測(cè)量其脈寬，得到同步信號(hào)，曼徹斯特編碼產(chǎn)生的信號(hào)就能與提取的同步信號(hào)產(chǎn)生眼圖了。三、理論分析與計(jì)算3.1 低通濾波器的設(shè)計(jì)巴特沃思濾波器具有通帶最大平坦幅度特性，式（3-1）是n階巴特沃思低通濾波器的幅頻響應(yīng)表達(dá)式 。 （3-1）截止角頻率 : ; 截止頻率：；電壓增益：;由于設(shè)計(jì)要求每個(gè)濾波器帶外衰減不少于40dB/十倍頻程，采用四階電路，理論可達(dá)80dB/十倍頻程。四階巴特沃思低通濾波器的傳輸函數(shù)

6、為；A(S)=A1(S)A2(S) （3-2） 100kHz低通濾波電路如下：圖2 低通濾波電路參數(shù)計(jì)算：R1=R2=15K； C9=C2=100PF; R3=R4=6.2K ； C12=500PF;截止頻率： ；電壓增益： ；同樣200kHz低通濾波電路參數(shù)值如下：R1=R2=6.8K； C9=C2=100PF; R3=R4=3.3K ； C12=500PF;截止頻率：電壓增益： ；500kHz低通濾波電路參數(shù)值如下：R1=R2=3K； C9=C2=100PF; R3=R4=1.2K ； C12=500PF;截止頻率：；電壓增益： ；由于設(shè)計(jì)要求濾波器通帶增益在0.24.0內(nèi)可調(diào)，在濾波電路

7、后接一級(jí)可調(diào)放大電路以滿足設(shè)計(jì)需要。電壓放大倍數(shù)為010倍內(nèi)可調(diào)。3.2 m序列數(shù)字信號(hào)m序列數(shù)字信號(hào)由線性移位寄存器產(chǎn)生，如圖3所示。主要由移位寄存器和反饋函數(shù)構(gòu)成。反饋函數(shù)的輸入端通過(guò)系數(shù)與移位寄存器的各級(jí)狀態(tài)相連，通過(guò)反饋線作為x1的輸入。移位寄存器在時(shí)鐘的作用下把反饋函數(shù)的輸出存入x1，在下一個(gè)時(shí)鐘周期又把新的反饋函數(shù)的輸出存入x1而把原x1的內(nèi)容移入x2，依次循環(huán)下去,xn不斷輸出。由題要求得，m序列數(shù)字信號(hào)由線性移位寄存器產(chǎn)生，則為，, 的模2加n。 （3-3） （3-4）圖3 m序列數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程框圖數(shù)字信號(hào)V1：f1(x) =的m 序列,由式子可用右移8位的寄存器，再由4輸入

8、異或門(mén)，或門(mén)及8輸入與門(mén)實(shí)現(xiàn)。偽隨機(jī)信號(hào)V3：的m序列由式子可用右移12位的寄存器，再由4輸入異或門(mén)，或門(mén)及12輸入與門(mén)實(shí)現(xiàn)。3.3 同步信號(hào)提取首先要把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，濾掉高頻噪聲信號(hào)，由于曼徹斯特編碼與原序列的關(guān)系是曼徹斯特碼的上升沿表示原序列的1，下降沿表示原序列的0，可以由原序列與同步時(shí)鐘異或得到，那么原序列一個(gè)循環(huán)周期中曼切斯特上升沿和下降沿的總和是固定的，在同一段時(shí)間內(nèi)，可以把上升沿和下降沿的總數(shù)跟頻率對(duì)應(yīng)起來(lái)，即可以得到原來(lái)同步時(shí)鐘的頻率，頻率輸出由計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)計(jì)數(shù)器的異步清零與原序列進(jìn)行相位同步，這樣就可以得到同步信號(hào)。3.4 眼圖顯示方法觀測(cè)眼圖可以對(duì)信號(hào)質(zhì)量作出

9、定量和定性分析，眼圖的眼張開(kāi)越大越好,線條越清晰越好,眼圖穩(wěn)定比抖動(dòng)好,單線比多線好,希望交叉點(diǎn)在幅值的中間,圖形對(duì)稱。只要系統(tǒng)有同步信號(hào)，就可以把同步時(shí)鐘和信號(hào)輸?shù)绞静ㄆ髦?，由同步時(shí)鐘外部觸發(fā)顯示眼圖。在發(fā)揮部分中，輸入端同步信號(hào)不可用，則需要從曼徹斯特碼中提取同步信號(hào)時(shí)鐘，就可以顯示眼圖。四、單元電路分析與設(shè)計(jì)41 低通濾波設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)要求每個(gè)濾波器帶外衰減不少于40dB/十倍頻程，采用四階巴特沃斯電路。當(dāng)截止頻率為100KHZ時(shí)，電路如下圖所示：圖4 100KHZ低通濾波電路截止頻率為200KHZ時(shí)，電路如下圖：圖5 200KHZ低通濾波電路截止頻率為500khz時(shí)，電路如下：圖6 50

10、0KHZ低通濾波電路4.2 反向加法電路數(shù)字信號(hào)與偽隨機(jī)信號(hào)兩者相互疊加，因?yàn)V波電路使輸出反向，于是采用反向求和電路。偽隨機(jī)信號(hào)輸入的頻率達(dá)到10M，使用270M高速寬頻的THS4001作為運(yùn)放。圖7反向加法電路4.3 數(shù)字分析電路電路 4.3.1 濾波電路 為了更好的顯示波形，頻率測(cè)量要準(zhǔn)確，產(chǎn)生的方波要能準(zhǔn)確表達(dá)信號(hào)的頻率，要濾掉加入的噪聲，因?yàn)檩斎霐?shù)字信號(hào)最大為100KHZ，于是使用前面截止頻率為500KHZ的四階巴特沃斯電路。 4.3.2 整形電路 經(jīng)過(guò)濾波隔直后的信號(hào)有正有負(fù)，使用LM311作為比較器，進(jìn)行過(guò)零比較，為使輸出的信號(hào)能接入FPGA中進(jìn)行同步信號(hào)的提取，輸出端直接接3.3

11、V電源，以便輸給FPGA。圖8 整形電路五、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)5.1 系統(tǒng)軟件總體流程圖圖9 軟件流程圖信號(hào)發(fā)生部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)出控制頻率的信號(hào)，改變步進(jìn)來(lái)控制數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)率，數(shù)據(jù)率由計(jì)數(shù)器對(duì)50M系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻得到，然后通過(guò)線性移位寄存器得到一個(gè)m序列，通過(guò)單片機(jī)的控制信號(hào)切換m序列輸出和曼徹斯特編碼輸出這兩種模式。同步信號(hào)提取部分：疊加信號(hào)輸入后進(jìn)行濾波，濾去噪聲，整形成方波，輸入到FPGA中，測(cè)量其頻率，頻率輸出由計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)計(jì)數(shù)器的異步清零與原序列進(jìn)行相位同步，這樣就可以得到同步信號(hào)。六、系統(tǒng)測(cè)試6.1測(cè)試儀器 GOS-2064型數(shù)字示波器GOS-620型模擬示波器LPS-305電源F

12、10A型數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器6.2測(cè)試數(shù)據(jù)6.2.1數(shù)據(jù)率測(cè)試測(cè)試方法：由單片機(jī)控制FPGA輸出偽隨機(jī)信號(hào)的數(shù)據(jù)率，改變數(shù)據(jù)率。FPGA輸出端口通過(guò)探針與示波器相連,比較設(shè)定值與實(shí)測(cè)值誤差。表一 數(shù)據(jù)率測(cè)試表設(shè)定信號(hào)頻率（Hz）實(shí)際信號(hào)頻率（Hz）誤差%1000010000.20.0022000020000.30.00153000029940.60.1984000040000.70.001755000050000.80.00166000060242.10.40357000070423.70.8000079366.60.791759000089287.30.1000001000020.002測(cè)

13、試結(jié)果分析：設(shè)定頻率與實(shí)測(cè)頻率誤差最大為0.%，滿足誤差絕對(duì)值不大于1%的要求。6.2.2 通帶增益測(cè)試 測(cè)試方法：先選定一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道，輸入3V的正弦波，改變放大器部分的滑動(dòng)變阻器電阻，進(jìn)而改變放大倍數(shù)，測(cè)量輸出電壓。表二為截止頻率為100KHZ的增益數(shù)據(jù),表三為截止頻率為200KHZ的增益數(shù)據(jù)，表四為截止頻率為500KHZ的增益數(shù)據(jù)。表二 通帶增益測(cè)試表一輸入頻率(HZ)Au1Au2Au3Au4Au51000.1880.6866673.1246.5333331K0.1880.6866673.1246.53333310K0.1866670.6866673.1246.53333390K0.1

14、373330.482.2933332.9333334.626667100K0.1240.4366672.082.6666674.2表三 通帶增益測(cè)試表二輸入頻率(HZ)Au1Au2Au3Au4Au51K0.20.6533331.643.2266676.53333310K0.20.6533331.643.2266676.533333100K0.1786670.621.63.0933336.333333180K0.1426670.4933331.2533332.45.133333200K0.1240.4266671.0666672.164.3表四 通帶增益測(cè)試表三輸入頻率(HZ)Au1Au2Au3

15、Au4Au510K0.1853331.1133332.2666674.0333336.533333100K0.1853331.1066672.2666674.0333336.533333400K0.1546670.9266671.9466673.3333335.173333450K0.1453330.8666671.683.3166674.666667500K0.1293330.781.442.7066674.366667測(cè)試結(jié)果分析：在這三個(gè)截止頻率的通帶增益里，最小為0.129333，最大為6.533333，滿足增益在0.24.9范圍。6.2.3 濾波器測(cè)試測(cè)試方法：先選定一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道

16、，輸入3V的正弦波，改變放大器的輸入頻率，測(cè)量輸出電壓。表五 100KHZ的頻率特性表輸入頻率（HZ）輸出電壓（V）20log(Au)1003.0002K2.96-0.0911850K2.70-0.7156680K2.34-1.6876790K2.16-2.23135100K1.94-2.961110K1.70-3.85801120K1.44-4.98546140K0.928-7.96984150K0.752-9.39827圖10 100KHZ波特圖表六 200KHZ的頻率特性表輸入頻率（HZ）輸出電壓（V）20log(Au)1K3.000100K2.86-0.32462130K2.72-0.

17、66553150K2.60-0.97201180K2.24-1.98433190K2.10-2.4227200K1.96-2.89133210K1.80-3.46977220K1.64-4.10208250K1.18-6.33803圖11 200KHZ波特圖表七 500KHZ的頻率特性表輸入頻率（HZ）輸出電壓（V）20log(Au)1K3.000100K2.98-0.04543400K2.42-1.45933450K2.26-1.92395470K2.18-2.16875480K2.12-2.35832490K2.06-2.55333500K2.02-2.68652550K1.74-3.70

18、004600K1.44-4.98546圖12 500KHZ波特圖測(cè)試結(jié)果分析：由波特圖可知，第一種的濾波器截止頻率為95KHZ，第二種的濾波器截止頻率為190KHZ，第三種的濾波器截止頻率為480KHZ，誤差都小于10%，滿足設(shè)計(jì)要求。6.2.4 偽隨機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)率、峰峰值測(cè)試方法：FPGA產(chǎn)生10M數(shù)據(jù)率，用示波器探頭去測(cè)量其輸出率，再用探頭去測(cè)量偽隨機(jī)的輸出信號(hào)的峰峰值。測(cè)試數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)率：10.0002MHZ 峰峰值106.8mV測(cè)試結(jié)果分析：數(shù)據(jù)率誤差絕對(duì)值百分比為(10.0002-10)/10*100=0.002% 遠(yuǎn)小于1%的絕對(duì)誤差，峰峰值誤差為6.8%，小于10%，都滿足設(shè)計(jì)要求。

19、6.2.5 信號(hào)眼圖顯示測(cè)試方法：FPGA產(chǎn)生兩路偽隨機(jī)信號(hào)，一路信號(hào)通過(guò)低通濾波器，增益放大電路后與另一路偽隨機(jī)信號(hào)相加作為輸出信號(hào)。FPGA產(chǎn)生的同步時(shí)鐘與輸出信號(hào)同時(shí)輸出給模擬示波器，觀察圖形。表八 眼幅度測(cè)量表V2（V）0.51.52.833.263.965.968.9610.0012.0013.00眼幅度(V)0.10.270.580.60.751.21.822.42.6下圖為電壓為8.96V與100mV噪聲疊加后的眼圖圖13 眼圖6.2.6 偽隨機(jī)信號(hào)幅度測(cè)量偽隨機(jī)信號(hào)峰峰值的范圍24.8mV3.14V6.2.7 低信噪比的眼圖圖14 低噪比的眼圖七、結(jié)論根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，完成了數(shù)

20、字信號(hào)傳輸性能分析儀。它由數(shù)字信號(hào)發(fā)生電路、低通濾波電路、求和電路、數(shù)字信號(hào)分析電路構(gòu)成，能產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)和偽隨機(jī)信號(hào)，峰峰值都能到達(dá)TTL電平，每個(gè)濾波的截止頻率誤差都小于10%，增益在0.24.0范圍內(nèi)可調(diào)，在很低信噪比下能提取產(chǎn)生曼徹斯特編碼信號(hào)的同步時(shí)鐘，能與同步信號(hào)產(chǎn)生眼圖，指標(biāo)性能較好，完成了設(shè)計(jì)要求。八、參考文獻(xiàn)1、童詩(shī)白、華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版） 高等教育出版社 2006，052、馬忠梅 單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 北京航空航天大學(xué)出版社 2007，02九、附錄附錄一 主要程序清單將10MHz時(shí)鐘分頻為100KHz時(shí)鐘process(clkIn)beginif clkIn'event and clkIn = '1' thencounter <= counter + '1'if counter = "110001" thenclkTmp <= not clkTmp;counter <= "000000"end if;clkOut <= clkTmp;end if;end process;測(cè)脈寬process(PulseIn,Gate)beginif Gate = '0' thenCo