簡(jiǎn)易數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周嘉偉

摘要：設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易數(shù)字控制的信號(hào)傳輸性能分析儀，包括由數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、信道模擬低通濾波器等組成的數(shù)字信號(hào)發(fā)送模塊、信號(hào)傳輸和數(shù)字信號(hào)接收分析模塊三部分，通過(guò)觀察接收信號(hào)的眼圖估計(jì)系統(tǒng)傳輸性能。發(fā)送端通過(guò)線性移位寄存器構(gòu)成數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，碼元速率調(diào)整通過(guò)程控?cái)?shù)字時(shí)鐘模塊實(shí)現(xiàn)步進(jìn)可調(diào)，低通濾波器采用三階巴特沃斯有源濾波器。接收端通過(guò)低通濾波、信號(hào)整形后進(jìn)行同步信號(hào)提取、解碼和眼圖顯示。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試，解碼的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)與發(fā)送端完全一致，同步信號(hào)穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：信號(hào)傳輸；ARM；編碼；眼圖；

中圖分類號(hào)：TM391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：A simple digital control signal transmission performance analyzer is designed，comprising a digital signal generator，analog lowpass filter composed of digital signal transmission module，signal transmission and digital signal analysis module of the three part，and it can estimate the transmission performance of the system through the eye diagram observation of the received signal.The sender consists of digital signal generator through a linear shift register ，and symbol rate adjustment realizes step adjustable through program digital clock module，and low pass filter adopts three order Butterworth filter.The receiving end extracts synchronous signal ，decodes and displayes the eye diagram through the lowpass filtering and signal shaping.After rigorous testing，the decoding of the Manchester encoded data is completely consistent with the transmitter，the synchronization signal is stable and reliable，and the system is stable.

Key words：signal transmission；ARM；encoding；eye diagram

1引言

隨著數(shù)字通信技術(shù)的日益發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字傳輸技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越多，其中數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀就是非常重要的一種，而數(shù)字信號(hào)傳輸分析儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題就是碼間干擾和信道噪聲問題，針對(duì)以上兩個(gè)問題，廣大科研工作者做了大量的工作，比如文獻(xiàn)[1]至[6]采用FPGA作為為數(shù)字信號(hào)發(fā)生模塊和分析模塊控制芯片，其設(shè)計(jì)思路比較簡(jiǎn)單，而且容易實(shí)現(xiàn)，最后其測(cè)試結(jié)果能夠比較精確地通過(guò)測(cè)量眼圖的幅度來(lái)分析不同信道環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸?shù)男盘?hào)完整性及碼間串?dāng)_的影響。采用FPGA作為控制芯片設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)傳輸儀是一種比較理想的設(shè)計(jì)方法，但是本文選擇ARM作為控制芯片，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀，同樣取得不錯(cuò)的效果，而且設(shè)計(jì)成本更低，因此有一定的借鑒價(jià)值。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)包括信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)傳輸與信號(hào)接收與分析三部分組成。信號(hào)產(chǎn)生與傳輸部分由STM32微處理器、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器（用于產(chǎn)生信源）、曼徹斯特編碼器、低通濾波器、高速偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器（用于模擬信道噪聲）、加法器及相應(yīng)的鍵盤顯示模塊組成。信號(hào)接收與分析電路由低通濾波器、信號(hào)整形電路、STM32微處理器組成。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

3理論分析與計(jì)算

3.1m序列數(shù)字信號(hào)發(fā)生器

m序列是帶線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的序列。根據(jù)給定特征多項(xiàng)式的最高階次確定移位寄存器的最大長(zhǎng)度，將相應(yīng)抽頭進(jìn)行異或運(yùn)算后送入移位寄存器的反饋輸入端，即可實(shí)現(xiàn)特征多項(xiàng)式所描述的m序列。以本設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào) 為例，其對(duì)應(yīng)的線性反饋移位寄存器原理框圖如圖2所示。

圖2f1（x）的m序列發(fā)生器

32低通濾波器

本文要求設(shè)計(jì)三個(gè)低通濾波器，其截止頻率分別為100 kHz、200 kHz、500 kHz，帶外衰減不少于40 dB/十倍頻程，則采用有源濾波器要求2階或者2階以上；要求通帶增益在0.2-4.0范圍內(nèi)可調(diào)，可采用程控放大器實(shí)現(xiàn)增益調(diào)整。

33同步信號(hào)提取

數(shù)字信號(hào)V1經(jīng)過(guò)低通濾波器后得到信號(hào)V2，將V2與噪聲V3疊加得到信號(hào)V2a。將V2a信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)大于600 kHz的低通濾波器，進(jìn)一步濾除帶外噪聲，并將此信號(hào)通過(guò)兩級(jí)遲滯比較器整形便于下一步處理。對(duì)于NRZ信號(hào)，無(wú)需提取同步信號(hào)，直接利用V1-clock作為觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行眼圖顯示。曼徹斯特編碼中同步時(shí)鐘頻率為碼元速率T3的兩倍，故同步時(shí)鐘周期T4=T3/2；跳變沿包含時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信息，故可通過(guò)捕捉跳變沿觸發(fā)產(chǎn)生周期性的方波信號(hào)來(lái)獲得同步時(shí)鐘。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，曼徹斯特編碼中只有兩種脈寬，當(dāng)捕捉長(zhǎng)脈寬的下降沿進(jìn)行觸發(fā)時(shí)將產(chǎn)生同步時(shí)鐘，當(dāng)捕捉短脈寬的下降沿觸發(fā)時(shí)將產(chǎn)生與上述同步時(shí)鐘反相的時(shí)鐘信號(hào)。因此用STM32進(jìn)行連續(xù)兩次捕捉，當(dāng)捕捉到一個(gè)上升沿后，讀取延時(shí)一個(gè)T3后的電平，若為高電平即開啟下降沿捕捉，當(dāng)下一個(gè)下降沿到來(lái)時(shí)觸發(fā)STM32產(chǎn)生周期為T4方波信號(hào)，即為同步時(shí)鐘；若為低電平則忽略本次操作，繼續(xù)下次捕捉。由于STM32的主頻高達(dá)72 MHz，而本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)率最大為100 kHz，所以采用軟件方法完全可以實(shí)現(xiàn)同步提取。endprint

34眼圖顯示方法

眼圖是指通過(guò)用示波器觀察接收端的基帶信號(hào)波形，從而估計(jì)和調(diào)整系統(tǒng)性能的方法。其測(cè)試方法可以用一個(gè)示波器跨接在抽樣判決器的輸入端，然后調(diào)整示波器水平掃描周期，以與碼元周期同步。結(jié)合本設(shè)計(jì)具體情況，將數(shù)字信號(hào)V1經(jīng)過(guò)模擬信道傳輸（濾波和疊加噪聲）后的信號(hào)V2a送入示波器Y軸輸入端，然后采用V1-clock或經(jīng)數(shù)字信號(hào)分析電路提取的同步時(shí)鐘信號(hào)V4-syn接示波器X軸作為同步觸發(fā)信號(hào)，即可得到V2a的眼圖。

4系統(tǒng)硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)

41數(shù)字信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的m序列發(fā)生器設(shè)計(jì)原理，本設(shè)計(jì)要求數(shù)字信號(hào)特征多項(xiàng)式的最高階次為8，因此只需一片八位移位寄存器74LS164，其進(jìn)行異或運(yùn)算后，反饋至移位寄存器輸入端，其電路原理圖如圖3所示。

42偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求偽隨機(jī)信號(hào)特征多項(xiàng)式最高階次為12，因此需要兩片移位寄存器74LS164級(jí)聯(lián)構(gòu)成得到所需的信號(hào)，然后通過(guò)外圍電路形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。另外由電位器分壓組成的信號(hào)幅度調(diào)節(jié)器，其原理圖如圖4所示[7]。

43整形電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)濾波器輸出的信號(hào)，其范圍比價(jià)寬廣，因此可以在比較器的前段接兩個(gè)二極管，可以起到鉗位作用，然后經(jīng)過(guò)放大器后的信號(hào)送入遲滯比較器，得到所需要的信號(hào)，其原理圖如圖8所示[8] [9]。

45軟件程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件基于ARM微處理器STM32，所有代碼采用C語(yǔ)言編寫，發(fā)送端與接收端數(shù)據(jù)處理流程圖如圖6和圖7所示[10]。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

51技術(shù)指標(biāo)

本設(shè)計(jì)是2011年全國(guó)電子設(shè)計(jì)比賽試題，其設(shè)計(jì)內(nèi)容和指標(biāo)為：1.基本要求：

（1）衰減器指標(biāo)：衰減量40±2 dB，特性阻抗50 Ω，頻帶與放大器相適應(yīng)。

（2）放大器指標(biāo)：

a） 諧振頻率：f0 =15 MHz；允許偏差±100 kHz；

b） 增益：不小于60 dB；

c）3 dB 帶寬：2Δf0.7 =300 kHz；帶內(nèi)波動(dòng)不大于2 dB；

d） 輸入電阻：Rin=50 Ω；

e） 失真：負(fù)載電阻為200 Ω，輸出電壓1 V 時(shí)，波形無(wú)明顯失真。

（3）放大器使用3.6 V穩(wěn)壓電源供電（電源自備）。最大不允許超過(guò)360 mW， 盡可能減小功耗。

2.發(fā)揮部分

（1）在-3 dB 帶寬不變條件下，提高放大器增益到大于等于80 dB。

（2）在最大增益情況下，盡可能減小矩形系數(shù)Kr。

（3）設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)增益控制（AGC）電路。AGC 控制范圍大于40 dB。 AGC 控制范圍為：20lg（Vomin/Vimin）-20lg（Vomax/Vimax）。

52測(cè)試結(jié)果及分析

（1）數(shù)字信號(hào)發(fā)生器測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

（2）三路低通濾波器測(cè)試

采用正弦波信號(hào)對(duì)三路低通濾波器性能進(jìn)行測(cè)試，帶外衰減及-3 dB截止頻率測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，通帶增益測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

（3）偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器測(cè)試

測(cè)試偽隨機(jī)信號(hào)V3數(shù)據(jù)率為 9.99 Mbps，誤差為1 %。

測(cè)試偽隨機(jī)信號(hào)V3峰峰值為 102 mV，誤差為2 %。

（4）眼圖測(cè)試

將V2a接入示波器的Y軸，V1-clock接入X軸，調(diào)整掃描時(shí)間和電壓衰減，可在示波器上看到圖8所示的穩(wěn)定眼圖，而眼幅度測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

2.發(fā)揮部分指標(biāo)測(cè)試

（1）利用示波器觀察曼徹斯特編碼輸出信號(hào)V1M，觀察可知其為曼徹斯特編碼信號(hào)。

（2）同步信號(hào)V4-syn與眼圖測(cè)試

V1M分別接入三路濾波器輸入端，斷開V1和開關(guān)S，V2a接入示波器的Y軸，V4-syn接入X軸，調(diào)整掃描時(shí)間和電壓衰減，可在示波器上看到穩(wěn)定的眼圖。三路濾波器的眼幅度測(cè)試數(shù)據(jù)分別見表5、表6、表7。

（3）偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器測(cè)試

測(cè)試偽隨機(jī)信號(hào)V3峰峰值為102 mV～3.6 V。

（4）最低信噪比測(cè)試

調(diào)整V1M的數(shù)據(jù)率、三路低通濾波器的增益、數(shù)字信號(hào)V1M的峰峰值，觀察眼圖，得到三路低通濾波器在不同截止頻率下的最低信噪比，測(cè)試數(shù)據(jù)見表8。

從表1至表8的測(cè)試數(shù)據(jù)看出，在基本要求部分，所有的測(cè)量數(shù)據(jù)全部符合題目設(shè)計(jì)要求，在發(fā)揮部分，指標(biāo)也達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且部分指標(biāo)超過(guò)了題目的要求。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于ARM的簡(jiǎn)易數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試，系統(tǒng)發(fā)送端能產(chǎn)生數(shù)據(jù)率為10-100 kbps按10 kbps步進(jìn)可調(diào)的數(shù)字信號(hào)，信號(hào)幅度為TTL電平；模擬噪聲的偽隨機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)率為10 Mbps，輸出峰峰值為100 mV-TTL可調(diào)；模擬信道的三個(gè)低通濾波器帶外衰減均大于40 dB/十倍頻程，通帶增益在0.01-4.4范圍內(nèi)可調(diào)。接收端，利用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘進(jìn)行同步，能正確顯示數(shù)字信號(hào)V2a的眼圖，眼幅度測(cè)試準(zhǔn)確。同時(shí)，信號(hào)分析電路能從V2a中提取穩(wěn)定的同步信號(hào)，利用所提取的同步信號(hào)進(jìn)行同步，顯示數(shù)字信號(hào)V2a的眼圖清晰而穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)整信號(hào)幅度與速率、噪聲電平，眼圖隨之做相應(yīng)變化，但十分穩(wěn)定。從而表明，在一定的信噪比條件下，系統(tǒng)能正確解碼，且提取的同步信號(hào)穩(wěn)定可靠。

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