简易数字信号传输性能分析仪

简易数字信号传输性能分析仪
摘要
本次设计由MSP430F149单片机对数字信号发生器产生的信号进行采集分析处理，实
现数字信号传输性能测试。

同时设计了一个伪随机信号发生器以及三个低通滤波器模拟传
输通道。

整个设计完成了题目的基本要求，用74HC164移位寄存器进行m序列数字信号以
及伪随机信号产生电路的设计。

用7486异或门达到了对信号进行曼彻斯特编码的效果。

用运算放大器OPA2227，OPA2228设计巴特沃斯四阶有源低通滤波器。

经过测试，本次设
计各项基本指标均达到题目要求，提高部分完成情况良好。

关键词：m序列数字信号；低通滤波器；曼彻斯特编码；MSP430F149
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1 方案论证
1.1 低通滤波器设计
方案一：采用无源滤波。

无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的
组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构
是将电感与电容串联，可对主要次谐波构成低阻抗旁路。

无源滤波器具有结构简单、成本
低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。

方案二：采用有源滤波。

由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，
其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。

可用在
信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，根据对频率范围的选择不同，可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器。

方案论证：与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控性和快速响应性，能补偿各
次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点;滤波特性不受系统阻抗的影响，可
消除与系统阻抗发生谐振的危险，具有自动适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

由
于以上原因，本次设计选用有源滤波。

1.2 m序列数字信号产生
方案一：使用锁相环通过分频运算实现频率的步进，锁相环频率合成器是由参考频率源、参考分频器、相位比较器、环路滤波器、压控振荡器、可变分频器构成。

参考分频器
对参考频率源进行分频，输出信号作为相位比较器参考信号。

可变分频器对压控振荡器的
输出信号进行分频，分频之后返回到相位比较器输入端与参考信号进行比较，从而输出不
同频率的信号。

方案二：使用单片机的定时器设置定时时间，每半个周期对I/O口取反，从而实现频率输出。

方案三：使用74HC164移位寄存器，产生m序列数字信号。

m序列是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。

由反馈移位寄存器的“和”、“异”、“或”门组成的环形计数器即可产生m序列数字信号。

方案论证：由于移位寄存器所构成的计数结构稳定，电路简单，并且符合题目要求。

因此本次设计采取方案三，利用移位寄存器产生m序列数字信号。

1.3 同步信号提取设计
方案一：信号产生与同步分离提取，加出来的信号先通过比较器整形，之后由单片机对整形后的信号进行分析，提取出其频率，通过DDS产生方波作为时钟信号，再通过PLL 锁相环进行信号的相位同步。

方案二：通过对信号进行整形，微分，全桥整流，最后通过窄带滤波产生对
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应的正弦波形，最后由比较器进行整形，从而产生同步信号。

方案论证：方案二在全桥整流部分很难实现，而且窄带滤波效果不明显，最终选择方案一。

1.4 眼图显示方法
方案一：用彩色液晶屏做出一个显示界面，通过单片机采样进行打点，最终显示信号眼图。

方案二：直接使用示波器显示信号眼图。

方案论证：由于信号频率过高，单片机采样速度跟不上，并且彩屏界面显示有一定局限性，所以综合考虑本次设计决定采用方案二，即直接使用示波器显示信号眼图。

2 系统设计
2.1 系统总设计
本次设计由AD9850产生DDS信号，给与74HC164移位寄存器输出经7486异或门产生一个数字信号作为数字信号发生器，信号经由滤波器滤波后对其进行放大。

同时根据相同原理产生一个伪随机信号模拟噪声信号，并对其进行增益变换，与以上处理过的数字信号相加进行信号合成，得出信号眼图。

其基本框图如图2-1所示。

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数字信号发生电路低通滤波电路伪随机信号发生电路增益放大衰减电路增益变换模块加法器信号眼图
图2-1 系统总设计图
3理论分析与电路设计
3.1 低通滤波模块
本次设计的滤波模块由3个滤波电路组成，均为基于OPA2227，OPA2228运算放大器的巴特沃斯有源四阶低通滤波器。

对于相同的基本电路，通过改变电阻阻值与电容容值改变滤波器的截止频率，从而达到题目要求的截止频率分别为100K，200K，500K的低通滤波器。

巴特沃斯滤波器伏频特性优越，电路稳定，效果良好。

本次设计的滤波电路电路图如图3-1，图3-2，图3-3所示。

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VCC5VC1220pF83VCC5VC21nFU1A185U1B7输出R36.2kΩR43kΩ输入
R115kΩR26.2kΩ64OPA2227UVEE24OPA2227UVEE-5VC3100pFR515kΩC4100pFR66.2kΩ-5V 图3-1 100KHz低通滤波器
VCC5VC1220pF83VCCC21nFU1A1245V85U1B7输出R33.3kΩR41.6kΩ输入
R115kΩR23.3kΩ64OPA2227UVEEOPA2227UVEE-5VC3100pFR56.8kΩC4100pFR63.3kΩ-5V 图3-2 200KHz低通滤波器
VCC5VC1220pF83VCC5VC21nFU1A185U1B7输出R31.3kΩR4600Ω输入
R110kΩR21.6kΩ64OPA2227UVEE24OPA2227UVEE-5VC3100pFR53.3kΩC4100pFR61.2kΩ-5V 图3-3 500KHz低通滤波器
3.2信号产生模块
3.2.1 数字信号产生电路
m序列数字信号产生电路是一个基于74HC164移位寄存器与7486异或门构成的环形计数器。

m序列是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。

由反馈移位寄存器的“和”、“异”、“或”门组成的环形计数器即可产生m
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