数字信号传输性能分析仪设计.doc

16简易数字信号传输性能分析仪摘要：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性能分析装置。它由数字信号发生器、伪随机信号发生器、模拟低通滤波器、加法电路以及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。。。。。。此外本系统还能实现COD等功能经测试各项指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相互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指标。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增加硬件设计的负担；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的截止频率额外增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相互影响小。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下降沿的总和是固定的在同一段时间内可以把上升沿和下降沿的总数跟频率对应起来即可以得到原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增加几个对于不稳的频率或有过冲更加准确所以选择方案二。二、系统总体设计通过分析知本检测装置主要有数字信号、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。系统整体框图如下图一所示。图1系统总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形成方波输入到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响应表达式。（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要。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状态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在下一个时钟周期又把新的反馈函数的输出存入x1而把原x1的内容移入x2依次循环下去