简易数字信号传输性能分析仪

1、简易数字信号传输性能分析仪摘要：木系统简易数字信号传输性能分析仪以fpga为核心，由m序列信号发牛器、低 通滤波器、电压加法电路及数字信号分析电路等部分组成。m序列信号采用线性移位寄 存器实现，其中伪随机信号和三个四阶巴特沃斯低通滤波器来模拟传输信道，数字信 号分析电路由去噪电路、整形电路、同步时钟提取电路和解码电路组成。本系统能实 现数字信号传输性能测试。经测试，木系统能够产生步进lokhz的m序列，低通滤波 器带外衰减大于40db/十倍频，其通带增益0.24. 0连续可调，误码率小于1%,伪随 机信号在1 oomvttl电平z间变化，且在低信噪比下能提取出稳定的同步信号，并正 确显示信号的

2、眼图，此外，本系统还具有产生归零码，pcm码等功能，较好的完成了设 计任务所要求的技术指标。关键字：同步时钟 滤波 信道传输 眼图一、系统方案及论证1. 1方案比较及选择1.1.1数字信号发生器方案比较方案一：m序列数字信号vi和伪随机信号由专用集成电路搭建。方案二：m序列数字信号vi和伪随机信号v3由可编程逻辑器件fpga来实现。方案一产生序列速度很快，但因硬件电路i古1有的不便修改特性，该方法仅仅对一些 本原多项式有效，而方案二可方便修改输出序列，且简化了运算，而且产牛序列速度 也比较快，所以采用方案二实现数字信号发生器和伪随机信号发生器。1.1.2提取同步信号方案比较方案一：利用fpga

3、产生超前滞后的位提取锁相环电路。但这种锁相环要求的输入 时钟范围是lomhzloomhz,它对于低速数据显得无能为力。而且，对于中低档fpga来 说，锁相环是稀缺资源，很多时候被用作系统时钟锁相。方案二：对输入信号进行脉冲计数，计算输入信号数据率，进行数据匹配后，产牛 同频率同步吋钟输出。由于方案一中锁相坏电路对输入信号具有大于10mhz的要求，而本设计最大输入频 率为lookhz，该方案否决。方案二对输入信号频率要求不高，只要小于fpga系统时钟 即可得出同步时钟频率，但当输入信号频率较大时，可能产生较大误差，但对本系统 而言，可对误差微调，故选择方案二。1.13滤波放大电路方案比较方案一：

4、采用贝塞尔滤波电路方案二：采用切比雪夫滤波器方案三：采用巴特沃斯滤波器切比雪夫滤波器通带纹波较大，阶跃响应振荡丿万害，贝塞尔滤波器衰减速率差，而 巴特沃斯滤波器通带平坦，脉冲响应比切比雪夫滤波器好，能满足带外衰减大于40db/ 十倍频的设计要求，所以选择方案三1. 2系统描述根据题目要求，将产生的数字信号m序列经过滤波放大电路，伪随机信号经过无源 衰减网络、之后将两路输出信号叠加作为后级滤波电路的输入，将最后的输出信号传 给fpga进行分析。系统结构如图1-1所示：sp1单片 机控 制及 显示图1-1系统总体结构图二、理论分析与计算2. hn序列数字信号的产生m序列是由带线性反馈的移存器产生的

5、周期最长的序列。其原理方框图如图2所示, 主要由移位寄存器设计实现。其中各级移存器的状态用ai表示，反馈线的连接状态用 ci表示（1：参加反馈，0：断开），ci是一个很重要的参量。其特征方程可表示：/（x）= co + cx + c2x2 + c3x'.+ cnx图中co、cl.cn均为反馈线，其中c0=cn=l，表示反馈连结。因为m序列是由 循环序列发生器产生的，因此c0和cn肯定为1,即参与反馈。而反馈系数cl、c2.cn 1若为1,参与反馈，若为0,则表示断开反馈线，即开路、无反馈连线。一个线性 反馈移位寄存器能否产生in序列.决定于它的反馈系数ci （c0.cn的总称）。反馈系

6、 数ci是以八进制表示的。使用该表时，首先将每位八进制数写成二进制形式。最左边 的1就是co （c0恒为1）,从此向右，依次用二进制数表示cl、c2.cno有了 cl、c2. 值后，就可构成m序列发生器。2. 2低通滤波器设计由于设计要求滤波器的通带增益为0. 240,所以将该电路分为滤波和放大两部分 设计。先将输入信号经过低通滤波器，再经过一个增益可调的放大器，则可满足设计 要求。厶a匕心尸0片口根据要求,设计截止频率分别为lookllz. 200khz、500kilz的三路低通滤波器。二 阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12db,每十倍频衰减40db,但由于设计参数 误差选择以及电容电阻自

7、身的误差可能使每十倍频小于40dbo为满足电路衰减每 十倍频衰减不小于40db,釆用四阶巴特沃斯滤波器。四阶巴特沃斯滤波器衰减率 理论为每倍频18db.每十倍频80db,远远大于要求的40db。我们选择参数相同的 两个二阶巴特沃斯滤波器串联组成四阶巴特沃斯滤波器，这样使得中心频率相同。参 数调整方便，且滤波特性不会有太大的浮动。二阶低通滤波电路的参数选定由下面计算得到。10104io5106图2-1二阶滤波器电容参数图两个二阶巴特沃斯滤波器的中心频率相同，只需根据一个二阶巴特沃斯滤波器计算 截止频率f即可。压摆率:（式 1-1）带宽增益积:a2* 3.14*105*3.3« 0.21

8、v/w5gbw = fnux *au>105*1 =105（式 12）我们选用的滤波芯片为ne5535,带宽增益积为10m,压摆率为8v/us,满足要求2. 2.2放大电路为了满足通带增益在0.240范围内可调，采用运放组成的两级反向放大电路。放大电路的输入信号最大为ttl电平3. 3v,最大频率为lookilz,所以对所选芯片有以下要求:压摆率:sr>0.21v/us带宽增益积：gbw>4*1o5我们选用的芯片为高速运放ths4052,它的带宽增益积为70mhz,且有240v/us的 高压摆率，远远大于设计需要，所以设计合理。2.3同步信号提取因为曼彻斯特编码高电平保持时间

9、只有半个周期或一个周期，所以先通过测量曼彻 斯特编码高电平时间来得到频率。即在高电平吋，由50m脉冲触发计数，直到下降沿 时结束计数并存储计数值，并与前次存储值进行比较，存较小值n,得出半个同步时 钟周期n/50000000,从而计算出同步时钟的频率f。由于曼彻斯特编码经过模拟电路 输岀，所得到的值不可能都是半个周期，所以在系统内部通过分频得到10k至100k按 10k步进的各频率，通过f的值所在的范围输出此时的频率。为了保持触发输击点同步, 通过检测存储曼彻斯特码的电平，当捕捉曼彻斯特编码的两个连续高电平之后的下降 沿进行匹配，一旦匹配完成，则输出同步时钟。24眼图显示方法设计中采用示波器显

10、示眼图电路，示波器采用外触发模式，用同步信号触发v23o 当触发信号来时，v2a输出一个波形，直到下一个触发信号再次输出波形。由于v2a有 宽窄两种脉宽，示波器具有残留效应，所以能显示眼图。当触发脉冲与输入信号频率 相同，相位差保持不变时，眼图保持稳定清晰。如果频率不完全匹配，显示的眼图有 抖动，改变同步信号或者v2a,即可改变眼幅度。三、电路与程序设计31模拟电路设计 3.1. 1滤波放大电路四阶巴特沃斯滤波器可由两个参数完全相同的二阶巴特沃斯滤波器串联起来，二阶巴特沃斯滤波器电路图如下:rlr2<vt>i.8k100r38ko40|i5opru5avcc+15v |10uf t

11、 ihj& 飞仇瓯7肩乂图3-1二阶巴特沃斯滤波器电路截止频率为：a72 （式 21）c _ r1r2cc1wc 111q rc+7?2c + （1 ay）r26（式 22）其中，av为增益,选择增益为1,伦为截止频率对应的角速度，q为品质因数。为使得滤波器的幅频特性在通带内具有最大的平坦特性，所以我们取品质因数 q二0.707。根据图2-1和式2-1、式2-2选取各个电容电阻值。lookhz低通滤波器：c=30pf, cl二loopf, r1二11k, r2二24k02ookhz低通滤波器：c=300pf,cl=100pf, r1二6.2k, r2=22k200kllz低通滤波器：c

12、=300pf,cl=100pf, rl二2.4k, r2=10k在该电路中，为了有更精准的截止频率，每个元件的选择与理论值尽可能一样，由 于有些电阻实验室无完全匹配阻止，(2-1)算式中的r1是电路中的rl、r2的和，r2 是电路中的r3、r4的和。3.1. 2两级反向放大电路图如下:一级反向放大电路增益为1,二级反向放人电路增益满足0. 2x0,电路中的参数 计算如下：at= rf/r（式 31）其屮，为增益，心为反馈电阻，尺为输入电阻。一级放大电路在这里只起到反向的作用，所以输入端电阻r1二1k,反馈电阻rf = iko二级放大电路需要满足增益 024.0连续可调，根据公式（3-1）得到r

13、f+r24.0 = r1（式 3-2）r20.2盲 心（式3-3）我们选取rf为100k的滑动变阻器,由式（3-2）和（3-3）计算得到r1二23. 8kq , 其中r1对应图中的r42和r43之和。r2二4.76kq,对应图中的r46。3. 1. 3加法电路： 此电路采用ths4001完成将10mhz的伪随机信号和经过低通滤波的 数字信号相加，ths4001的宽带增益积为270mhz,采用同相求和运算电路。加法电路 电路图如下：图3-3电压加法电路3. 14衰减电路根据设计要求，此电路使输入的伪随机信号在ttl电平到looniv之间变化输出，采用无源衰减网络，用电阻对伪随机信号进行分压。为了

14、使后级电路不影响衰减网络, 我们在衰减网络和后级电路之间加了电压跟随器，起到前后级电路隔离的效果。由于 是10mbps的伪随机信号，根据式(1-1) (1-2)选择ths4001做电压跟随运放。电路 原理图如下图：图3-4衰减网络电路图3. 1.5比较电路此电路主要将模拟信号转化成为数字信号以便fpga分析。因为曼彻斯特编码经过 低通滤波、加燥、滤噪、衰减网络等前级电路，信号变的比较差，fpga对输入信号的 检测容易产生各种错误，为了能够准确地分析信号，我们采用lm311比较器，将经过 比较电路后的信号传送给fpgao i.m311比较器具有很高的灵活性，能工作于25到30v 的单电源或

15、77;15v的双屯源，输出屯压可以驱动以vcc vee电压为参考的负载，可以 灵活驱动dtl、rtl、ttl或mos管。本电路以3. 3v为参考电压，最后比较输岀ottl 电平驱动ttl门电路。比较电路如下图所示：3.2 fpga硬件电路设计3. 2.1数字信号发生电路数字信号发生电路主要由时钟产生模块序列产生模块和曼彻斯特码产生模块组成。 时钟频率控制字由单片机控制。在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分 1和0,即用正的电压跳变表示0,用负的电压跳变表示1。所以根据该原理知曼彻 斯特码的产生可由吋钟和m序列同或得到。同吋，可以用按键切换实现m序列和曼彻 斯特码的输岀。其具体原理框图如

16、下图：sfi 时钟信号产 生模块数字信号发牛器vi ck)ck同或曼彻斯特码产生模块功岀斑输m序列产牛模块图3-6数字信号发生器结构图3. 2. 2数字信号分析模块数字信号分析模块主要由同步信号提取模块和解码模块构成。同步信号提取如理论分析所述实现，解码模块通过输入的曼彻斯特码的宽脉冲下降沿触发开始有效，由同步提取信号经d触发器触发曼彻斯特曼从而得到解码。其具体原理框图如下图:测频模块各步进频率选择产牛模块v lsyn宽脉冲下降 沿触发模块解码 模块图3-7数字信号分析电路结构图3. 2. 3其他(1) 归零码输出模块归零码输出模块主要通过由单片机产生的序列控制吋钟信号的输出。并循环输出设 置

17、的序列所对应的时钟信号。(2) am信号产生模块(1) 正弦信号输出：通过查询rom实现，因为时钟脉冲为50m,二进制为24位所以该 累加器最大到2笃 取其高8位寻址地址。rom表位宽为8位。经da转换得到波形，所 以rom中的值都为正数。(2) 调幅信号原理：用f表示输出凡表示载波信号，用/表示调制信号，m表示调制 度，则上式可简化为：f 二fdt*(l+冷朋4n)并且f击.和虽初都是有符号函数。在实验中载波信号为正弦通道输出的lokhzxookhz 信号，其频率控制字与输出的时钟信号的控制字相同，由单片机控制频率控制字，峰 峰值固定不变。调制信号为1kiiz的正弦调制信号，通过单片机控制其

18、输出电压，从而改变调制度。(3) pcm产生模块 调制信号同am信号产生模块的1khz,通过调制时钟信号得到所需的信号。2、软件设计部分 系统软件设计本系统中，c8051f020单片机主耍作为良好的人机交流界面，随时可设定数据率和 归零码并将其显示在数码管上，然后将计算好的数据传送给fpga,起到调节m序列和 曼彻斯特编码数据率的作用。四、测试方案和测试结果4. 1测试仪器表4-1测试仪器序号仪器型号1模拟示波器m0s-620b2数控式线性直流稳压电源lps-3053数字示波器g0s-20644扫频/函数信号发生器fg-506a5交流毫伏表ut53 multimeter4. 2测试方案4. 2

19、. 1信号发生器测试：用数字示波器观察m序列；4.2.2滤波器测试：测试工具用交流毫伏表，增益调节为1,设输入信号测得为vin, 输出为vout；4.2.3数字示波器测量频率，将测得的实际值与设定值想比较，得到绝对误差4. 2.4伪随机信号：测试同4.2. 14.2.5眼图测试：用模拟示波器看眼图，将卩2输入x通道，同步时钟输入y通道，采 用外触发方式，用同步时钟去触发v2ao4.2.6曼彻斯特编码：用双通道数字示波器观察，触发模式选择单次出发。将曼彻斯特 编码和对应的m序列显示在示波器上。4. 2.7同步时钟提取以及v2a的眼图显示：用模拟示波器看眼图，将卩加输入x通道， 同步时钟输入y通道

20、，采用外触发方式，用同步时钟去触发v2ao尽量增大噪声电 压，减小输入信号，即在尽量低的信噪比下提取同步信号。4. 3测试结果4. 3. 1数字信号发生器模块测试表4-2数字信号m序列数据率测试设定数据率(bps)实测数据率(bps)相对误差(bps)绝对误差(%)10k10.0003k0. 00030. 00330k30.0009k0. 00090. 00350k50.0015k0. 00150. 00380k80. 0075k0. 00750. 009100k100. 002k0. 00200. 002由表4-2可知，产生的0)序列数据率精确，满足系统误差绝对值不大于1%的要求, 且可通过

21、单片机控制实现10kbps的步进，并且信号输岀为ttl电平。设计也实现了曼 彻斯特编码输出。m序列及其对应的曼彻斯特码序列如下图4-1：图4-1 m序列与对应的曼彻斯特编码其中上一个通道为m序列输出通道，下一个通带为曼彻斯特码通道，由图可知，当in为高电平时，m序列由高到低跳变，当m为低电平时，m序列由低到高跳变。4. 3. 2低通滤波器滤波和放大性能测试表4-4 100k低通滤波器滤波性能测试输入信号频率频率(i1z)输入信号输出信号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，实际设计的100k低通滤波器的截止频率f为93k,绝对误差为7%, 带外衰减大于40db,满足设计要求。表4-5 200k低通滤波器滤波性能测试输入信号频率频率(hz)输入信号vpp输出信号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，实际设计的200k低通滤波器的截止频率f为195k,绝对误差为2. 5%,带宽衰减大于40db,满足设计要求。表4-6 500k低通滤波器滤波性能测试输入信号频率频率(hz)输入信号峰峰值输出信号幅度放大倍数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，实际设计的500k低通滤波器的截止频率f为505k,绝对误差为1%, 带宽衰减大于40db,满足设计要求。表4-5低通滤波器放大倍数测试滤波器输入信号频 率频率(hz)输入信号峰峰值(v)输出信号峰峰值实测最小 值(mv)理

25、论最小 值(mv)实测最 大值(v)理论最小值(v)100k低通滤 波器10k3. 3665067213. 5813. 44100k3. 3666013.61200k低通滤 波器150k3. 3665213. 59200k3. 3666313.71500k低通滤波器300k3. 3664713. 69500k3. 3665313. 80由此可知，100k低通滤波器实际截止频率为95khzo 200k低通滤波器，实际截止 频率为194khz, 500k低通滤波器实际截止频率为490khz。所以，三个滤波器满足设计 要求的截止频率绝对误差不大于10%,且带外衰减大于40db/十倍频。并且实现了滤波 器的通带增益在0. 24. 0范围内可调。4. 3. 3伪随机信号发生器根据系统要求，设计10m伪随机信号如图，后加无源衰减网络，实现了信号 200mvttl电平之间输出，幅度误差为零。4. 3. 4眼图显示设计实现了同步信号的提取，输出信号的吋钟与输入数据率同步。当数据率为20khz 时，提取到的同步信号如下图4-3：图4-3 20khz提取同步信号(1)基本要求眼图显示眼图是通过模拟示波器m0s-620b来显示，将模拟示波器打到外触发位置，做基本 要求是将数字信号发生器的时钟信号vl-clock作为外触发信号，将v2a从模拟示波器 的x通道输入。当伪随机