数字信号传输性能分析仪设计.doc

简易数字信号传输功能分析仪
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功能分析安装。它由数字信号发生器、伪随机信号发生器、模拟低通滤波器、加法电路和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。。。。。。，此外本零碎还能实现COD等功能，经测试，各项目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，彼此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目标。
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添加硬件设计的负担；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，额外添加噪声，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，多级级联彼此影响小。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降落沿的总和是固定的，在同一段时间内，可以把上升沿和降落沿的总数跟频率对应起来，即可以得到本来同步时钟的频率，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添加几个，对于不稳的频率或有过冲，更加精确，所以选择方案二。
二、零碎全体设计
通过分析知，本检测安装主要有数字信号、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。零碎全体框图如下图一所示。

图1零碎全体框图
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，整构成方波，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呼应表达式。
（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求。电压放大倍数为0~10倍内可调。
3.2m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。主要由移位寄存器和反馈函数构成。反馈函数的输入端通过系数与移位寄存器的各级形状相连，通过反馈线作为x1的输入。移位寄存器在时钟的作用下把反馈函数的输出存入x1，鄙人一个时钟周期又把新的反馈函