简易数字信号传输性能分析仪(E题)

2011年全国大学生电子设计竞赛

设计报告

简易数字信号传输性能分析仪（E题）

摘要：本系统基于Altera 的FPGA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分析。系统由数字信号发生器，伪随机信号发生器，滤波器和数字信号分析网络组成。系统中的数字信号发生器信号作为信道数据，伪随机信号作为信道噪声，其道数据和信道噪声，均采用FPGA来构建n级线性反馈移位寄存器实现。信道数据通过低通滤波器，叠加噪声，再通过数字信号分析网络还原信道数据。

确保系统数据的稳定性和安全性，在系统过程中，信道数据采用曼彻斯特编码方式实现。

关键词: FPGA 数字信号伪随机信号低通滤波器曼彻斯特编码

一、方案论证

1 信号产生和处理

方案一：基于51单片机或者AVR单片机实现。设计本系统成本低，但这两款单片机运算速度慢，信号分析和处理能力低，程序存储器空间有限，难以满足本系统设计的需要。

方案二：基于Altera 公司的FPGA实现。FPGA运行速度快，处理能力强，采用硬件描述语言编程，灵活性大。在信号分析和处理方面，更体现它的优越性。

因此，本系统选用方案二作为数字信号产生和处理。

2 低通滤波器

方案一：采用无源低通滤波器。无源滤波器带负载后，通带放大倍数的数值减小，通带截止频率升高。所以无源滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这一缺点不符合信号处理的要求。

方案二：采用有源低通滤波器。当有源滤波器的负载变化时，输出不变，同时有源滤波器必须在合适的直流电源供电的情况下才能起作用，还可以放大，所以适合对信号进行滤波处理。

综上所述，基于有源低通滤波器对信号进行滤波的优点，故采用方案二。

3 数字信号分析电路

方案一：采用FIR滤波器对叠加进信道的噪声信号进行滤波后从信道中解码出原来的传输信号。但由于数字滤波器FIR不能采用间接法，这就增加了设计与实现的复杂性。方案二：采用Butterworth滤波器对叠加进信道的噪声信号进行滤波。模拟滤波器Butterworth的理论和设计方法已发展得很成熟并且该滤波器具有单调下降的幅频特性。

故采用方案二。

4 总体方案设计

综合以上方案论证，系统总体方案设计，如图1-1：

图1-1 系统总体方案框图

二、理论分析与运算

1、低通滤波器设计分析

H(s)=H 1(s )×H 2(s )=11

11+S C R ×1

S )(S 132323232+++R R C C C R R

低通中常令：R=R 1=R 2=R 3，并且令:s=

33

21C C C R So

得H(s 0)=

1

)2(S C C )2(S 1

033213102332221323102

3+++++S C C C C C C C C C C

根据Butterworth 三阶多项式：12223+++S S S 得

2)

2(3

3

322123231=+C C C C C C C

2)

2(3

3

2131=+C C C C C 从上面两式中消去C 2得到C 1的三次方程：

03

8

3423332131213=-+-C C C C C C

解此方程得：C 1=2C 3 , C 2=4C 3

取C 1= 1000pf , C 2=2200pf , C 3=3900pf

由三阶Butterworth 低通滤波器的截止圆频率为：W oc =1得

2∏f

c R33

2

1C

C

C=1

取f

c =100k,R=777.8Ω ; f

c

=200K,R=388.9Ω; f

c

=500K,R=155.5Ω

2、m 序列数字信号

m 序列数字信号产生，如图1-2。由n级线性反馈移位寄存器构成的码序列发生器，n级线性反馈移位寄存器可产生序列周期最长为2n-1。下图C0，C1……C n均为反馈线，其中C0和C n肯定为1,即参与反馈。而反馈系数C1，C2……C n-1若为1,表示参与反馈；若为0，表示不参与反馈。一个线性反馈移位寄存器能否产生m序列，取决于它的反馈系数，按照下表中的系数来构造移位寄存器就能产生相应的m序列。

图1-2 m 序列数字信号

3、采用曼彻斯特编码的数字信号

用于数字基带传输的码型种类较多，Manchester码是其中常用的一种。Manchester 码是一种用跳变沿（而非电平）来表示要传输的二进制信息（0或1），一般规定在位元中间用下跳变表示“1”，用上跳变表示“0”.曼彻斯特编码被认为是一种自定时码自定时意味着数据流的精确同步是可行的。每一个比特准确的在一预先定义时间时期的时间中被传送。

曼彻斯特编码提供了一种简单的方法长时间段没有电平跳变的情况下，仍然能够对任意的二进制序列进行编码，并且防止在这种情况下同步时钟信号的丢失以及防止低通模拟电路中低频直流漂移所引起的比特错误。如果保证传送的编码交流信号的直流分量为零并且能够防止中断信号的基线漂移，那么很容易实现信号的恢复和防止能量的浪费。曼彻斯特码具有丰富的位定时信息。

4、同步信号提取

通过测量曼彻斯特编码的频率，推出同步时钟频率，然后利用同步时钟频率，将曼彻斯特编码还原为原信元。

5、眼图显示方法

①用边沿触发时观测到的信号。

②选择触发方式为升/降时间，斜率改为升或降。

③将触发阈值高低电平调整到适合的位置，最好低值在10%－20%左右，高值在80％

－90％附近，来表示升降时间触发的阈值围。

④根据被测信号(估计出来)的上升下降时间大约大小，选择触发时间小于该时间。

⑤设置好后看到的波形如图，此时没有累积的效果。

⑥打开余晖的功能，并且调高波形亮度，可以观测到是否有异常信号发生

三、电路与程序设计

1、系统组成与原理框图

本系统主要由数字信号发生器、伪随机信号发生器、低通滤波器、加法器、数字信号分析电路构成。总体设计方案框图如下

图1-3、系统整体方案框图

2、各部分的电路图

（1）数字信号和伪随机信号的m序列发生器

（2）采用曼彻斯特编码的数字信号发生器

（3）低通滤波器

用经典运放AD827做三阶有源低通滤波器，该滤波电路对数字信号进行滤波，使其低频段信号可以通过。简单介绍该运放下图为原理电路图

（4）加法器

加法器的输出电压决定于多个输入电压的结果。本设计用集成运算放大器AD827来达到通过各路输入电流相加的方法来实现输入电压的相加的目标。电路原理图如下