竞赛作品
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简易数字信号传输性能分析仪本科组(E37)日期:2011年9月3日摘要本系统是以数字信号分析电路为核心,以一个数字信号发生器经过低通滤波和一个伪随机信号发生器作为一个模拟干扰源测试模拟传输性能。
通过眼图张开部分的宽度决定了接受波形可以不受干扰影响而抽样、再生的时间间隔。
其中数字信号发生器是基于FPGA 的Verilog HDL语言或VHDL语言编程实现的M序列。
经过低通滤波后再与干扰源相叠加。
主要经过二阶低通滤波后的放大电路上的变位器实现滤波器的通带增益在0.2~4.0范围内可调,伪随机信号经过衰减后,与原数字信号叠加,在其叠加后使用了AD和DA模块使其传输性能更加稳定。
贯穿整个设计主要基于FPGA的数字技术实现的,从而使该系统抗干扰性能强,可靠性能好等优点。
关键词:数字信号发生器低通滤波电路伪随信号发生器FPGA 眼图衰减电路目录一、设计方案........................................................................................... 错误!未定义书签。
1.1设计要求............................................................................................. 错误!未定义书签。
1.2设计方案比较与选择........................................................................ 错误!未定义书签。
1.3设计方案论证 (2)二、低通滤波电路 (3)2.1二阶有源低通滤波介绍 (3)2.2单元电路性能参数及计算 (3)2.3三频率二阶低通有源滤波电路 (4)三、M序列概念 (4)3.1 M序列数字信号定义 (4)3.2 M序列的特性 (5)3.3 M序列的产生原理 (5)3.4 软件实现度数据率的设计 (6)四、同步信号提取 (6)4.1位同步信号介绍 (7)4.2逐码移位的工作过程 (7)五、眼图实现 (8)5.1眼图理论分析 (8)5.2眼图观察法 (8)5.3眼图测试及波形 (8)六、整机测试 (9)6.1测试仪器与设备 (9)6.2.测量结果与误差分析 (10)七、结论 (10)八、附录 (10)九、参考文献 (13)一设计方案1.1设计要求设计一个简易数字信号传输性能分析仪,实现数字信号传输性能的测试;同时,设计三个低通滤波器和一个伪随机信号发生器用来模拟传输信道。
简易数字信号传输性能分析仪,框图如(I)所示。
图中,V1和是数字信号发生器产生的数字信号和时钟信号;V2是经过滤波器滤波后的输出信号;V3是伪随机信号发生器产生的伪随机信号;V2a是V2信号与经过电容C的V3信号之和,作为数字信号分析电路的输入信号;V4和是数字信号分析电路输出的信号和提取的同步信号。
(I)简易数字信号传输性能分析仪框图1.2设计方案比较与选择方案一:滤波法实现位同步的提取,这种同步信号可由微分整流,电路图框图如下(i)(i)微分整流下框图方案二:数字锁相环提取位同步信号,原理框图如下(ii)(ii)数字锁相原理方框图1.3设计方案论证方案一所涉及的同步信号的提取使用硬接的搭接完成,当非归零的脉冲序列通过微分和全波整流后,就可得到尖脉冲的归零码序列,它含有离散的同步分量。
然后再用窄带滤波器滤除连续波和噪声干扰,再用555做单稳态电路取出纯净稳定的同步频率分量,经脉冲形成电路产生为同步脉冲。
方案二则是电路由高稳定度振荡器、分频器、相位比较器和控制器所组成。
其中,控制器包括图中的扣除门、附加门和“或门”。
高稳定度振荡器产生的信号经整形电路变成周期性脉冲,然后经控制器再送入分频器,输出位同步脉冲序列。
如果接收端晶振输出经n次分频后,不能准确地和收到的码元同频同相,这时就要根据相位比较器输出的误差信号,通过控制器对分频器进行调整。
调整的原理是当分频器输出的位同步脉冲超前于接收码元的相位时,相位比较器送出一超前脉冲,加到扣除门(常开)的禁止端,扣除一个a路脉冲,这样,分频器输出脉冲的相位就推后1/n周期(360°/n);若分频器输出的位同步脉冲相位滞后于接收码元的相位,晶振的输出整形后除a路脉冲加于附加门。
附加门在不调整时是封闭的,对分频器的工作不起作用。
当位同步脉冲相位滞后时,相位比较器送出一滞后脉冲,加于附加门,使b路输出的一个脉冲通过“或门”,插入在原a路脉冲之间,使分频器的输入端添加了一个脉冲。
于是,分频器的输出相位就提前1/n周期。
经这样的反复调整相位,即实现了位同步。
因方案一是硬件完成,在实际操作中很难完成,并且调试也很困难。
但方案二大部分是用软件完成的,并可满足上兆的时钟,运行快,方便可调。
所以我组选择方案二。
二低通滤波电路2.1 二阶有源低通滤波器介绍本设计采取了二阶有源低通滤波器。
有源滤波器与无源滤波器相比,通通带截止频率相同,但是引入集成运放以后,通带电压放大倍数和带负载能力得到了提高。
二阶滤波与一阶滤波相比,下降的速度提高了一倍,使滤波特性比较接近了理想情况。
如图2.1-1(a)所示,为典型的二阶有源低通滤波器。
它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成,其中第一级电容C接至输出端,引入适量的正反馈,以改善幅频特性。
图2.1-1(b)为二阶低通滤波器幅频特性曲线。
图2.1-1 二阶低通滤波电路2.2 单元电路性能参数及计算二阶低通滤波器的通带增益公式是:截止频率计算公式:,它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。
品质因数计算公式:,它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。
为了避免产生自激振荡,一般情况下要求Q<3,这样就要求R<21R。
f2.3二阶低通有源滤波电路如图2.1-2所示2.1-2 二阶低通有源滤波电路三 M序列概念3.1 M序列数字信号的定义M序列是最常用的一种伪随机序列,它是最长现行反馈移位寄存器序列的简称,M序列是由多级移位寄存器或其它延时元件通过反馈产生的最长的码序列。
产生M 序列的移位寄存器的网络结构不是随意的,M 序列的周期P 也不能取任意值,当移位寄存器的级数为n 时,必须满足P= n2-1,其结构中的第一级与n 级之间必须有反馈连接,即反馈系数0nC =C =1时,才能产生M 序列。
3.2 M 序列的特性(1) 在每一周期P =n 2-1内,“0”出现n 2-1 次,“1”出现n2-1 次,“1”比“0”多出现一次。
(2) 在每一周期内,共有n2-1个游程,其中“0”“1”的游程数目各占一半。
而在一个周期内长度为1的游程占1/2;长度为2的游程占1/4,长度为3的游程占1/8.只有一个包含n 个“1”的游程,也只有一个包含(n-1)个“0”的游程。
例如n=4时,P=n2-1=15位,构成的m 序列为111101*********。
游程分布情况由下表给出。
一般来说,m 序列中长为k (1≤k ≤n-2)的游程数占总数的1/2k。
(3) M 序列{ka }与其位移序列{k a τ-}的模2和仍是 M 序列的另一位移序列{k aτ-},即{ka }⊕{k a τ-}={k aτ-}3.3 M 序列的产生原理FPGA 编程下的M 序列V1为:843211)(xxxxx f ++++=可通过一移位加法器实现,移位加法器实现如下3.3-1图所示。
同时伪随机信号V3是作为干扰信号加在传输信道中的,它的产生和数字信号的产生方法是一样的,都是应用FPGA 和简单的硬件电路组成,只不过它的序列与信号源的数字信号不同,伪随机信号V3为125421)(xx x x x f ++++=的序列。
移位加法器示意框图3.4软件实现对数据率的设计为让V1达到数据率为10-100kbps ,按10kbps 步进可调,则应用到FPGA 软件,让按键控制分频比来实现。
具体的过程可由步进可调的产生的流程图实现,如下图所示:四 同步信号提取4.1逐码移位同步法逐码移位同步系统方框图如下图4.1,它的基本原理是调整收端本地帧同步码德相位,使之与收到的总信号码中的帧同步码对准。
这样同步方法适合于帧同步码分散插入的情形。
根据帧结构,发端总信码位于TS0时隙,一旦收端本地帧同步码相位与之对准,就说明收、发端的TS0时隙已经对准,那么,紧接着的TS1,TS2,………等时隙的相位也必然同时一一对准了。
这时用收发端各分路定时脉冲就可以对总信码进行正确的分路。
4.1 逐码移位同步4.2逐码移位的工作过程逐码移位工作过程为:收端本地帧同步码产生后,送入同步码检测电路;总信码也送入同步码检测电路。
该电路是这样工作的:如果本地帧同步码的相位没有对准信码中的帧同步码,则检测电路将输出一个一定宽度的扣除脉冲,利用这一扣除脉冲将再生主时钟脉冲扣掉一个,这就使收端的时间相对于总信码后移了一位码元时间。
再生信码仍按主时钟节拍不停地送来,而本地定时系统由于主时钟被扣除一个,相当于有一个码元时间停止运行,因此收定时系统仍保留在原来位置不动,停止的时间为一个主时钟周期。
这样,同步码检测电路相当于检测下一位信码。
如果下一位的检测结果仍不一致,则再扣除一位主时钟。
这个过程叫做“搜索”。
像这样搜索下去,直至检测到与同步码相同的信码相位为止。
五眼图实现5.1眼图理论分析眼图对基带传输系统的性能分析是在假定无码间串扰、抽样时刻准确以及仅考虑信道加性噪声影响的条件下得到的。
但是在实际中完全消除码间串扰是十分困难的,因为码间串扰问题与发送滤波器特性、信道特性、接受滤波器及定时判决误差等因素有关。
由于这些因素对基带传输系统中误码率的影响,目前尚未找到数字上便于处理的统计规律,还不能进行准确计算。
评价基传输系统性能的一种定性而方便的方法是用示波器观察接收端的基带信号波形,用来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响。
传输二进制脉冲时,在示波器屏幕上可以观察到类似人眼的图案,称之为“眼图”。
这种用以分析基带传输系统性能的方法,称为眼图分析法。
5.2 眼图的观察方法观察波形的具体方法是:用一个示波器跨越接到接受滤波器的输出端,抽样判决器之前,调整示波器的水平扫描周期,使其与接收码元的周期(T=1/2f)同步,利用示波器的余辉,人们即可观察到基带信号波形——“眼图”,通过对眼图的观察能直观地了解到码间串扰和噪声的影响,从而估计系统性能优劣的程度。
还可根据眼图来调整滤波器的特性,用以减少码间串扰。
5.3眼图的测试及波形5.3-1 示波器下的眼图六系统测试6.1测试仪器与设备测试用仪器与设备如下所示。
测试用仪器与设备6.2测量结果与误差分析6.2.1测量结果(1)数字信号V1的测量在设置V1数据率为50kbps时,M序列输出正常,TTL电平为3.4V也是正常的。