简易数字信号传输性能分析仪设计报告东北林大姚金龙Word文档格式.docx
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2系统理论分析2
2.1信号发生电路的分析2
2.2低通滤波电路的设计2
2.3信号分析电路的设计2
2.4控制模块的设计2
2.5眼图显示方法2
3电路与程序设计3
3.1电路的设计3
3.1.1信号发生子系统框图3
3.1.2低通滤波器子系统框图与电路原理图3
3.1.3信号分析电路子系统框图与电路原理图4
3.1.4电源5
3.2程序的设计5
3.2.1程序功能描述与设计思路5
3.2.2程序流程图6
4测试方案与测试结果7
4.1测试方案7
4.2测试条件与仪器7
4.3测试结果及分析7
4.3.1测试结果(数据)8
4.3.2测试分析与结论8
1系统方案
本系统主要由控制模块、信号生成模块、低通滤波模块、信号分析模块。
下面分别论证这几个模块的选择。
1.1控制模块的论证与选择
方案一:
采用单片机作为主控制模块。
优点是经济实惠,成本较低,且控制简单。
缺点则是抗干扰能力差,故障率高。
方案二:
采用ARM7开发板作为主控制模块。
ARM功能丰富,开发简单,是偏向控制类的芯片。
方案三:
采用用拨码开关控制。
此方案控制简单,成本极低。
但功能单一,复杂了电路结构。
综合比较三种方案的功能实现与复杂程度,选择方案二。
1.2信号生成模块的论证与选择
采用AD9850与寄存器。
此方案产生波形稳定。
但产生波形类型固定、控制复杂。
利用FPGA编程产生信号。
此方案产生信号精度高,产生波形丰富。
采用ARM的PWM方式生成信号,节约资源且控制方便。
精度低。
由于本系统要产生M序列的信号,信号波形为伪随机序列,使用FPGA更能灵活实现,故选择方案二。
1.3低通滤波器设计的论证与选择
采用无源低通滤波器。
RC无源低通滤波电路元器件简单,能够实现低通滤波要求。
但是带外衰减较难达到设计需要,通带增益也不容易调节。
采用有源低通滤波器。
经过计算二阶有源巴特沃兹滤波器就可以基本达到设计需求。
但是有源滤波器过渡带较长,使用多级才可以使带外衰减不少于40dB。
采用可编程模拟器件滤波器。
可编程模拟器件ispPAC80可以实现各种5阶低通滤波器电路,一片就可以使衰减达到90dB,也不需要外接电阻电容等原器件。
该方法简单、快捷、修改方便。
综合以上三种方案,选择方案三。
1.4信号分析模块的论证与选择
1.4.1滤波模块论证
采用可编程模拟器件滤波器。
可编程模拟器件ispPAC80可以实现各种5阶低通滤波器电路,一片就可以使衰减达到90dB,但是ispPAC80输出有直流偏移不符合系统设计要求
采用开关电容滤波器,性能稳定速度快,但是开关电容截止频率较低
采用无源滤波器,实验证明本系统采用二级RC滤波器能实现较好的滤波,
满足系统设计要求。
1.4.2检波模块论证
先用比较器整形,再利用FPGA接受传输信号,依据M序列的周期特性解调。
采用锁相器,逼近信号。
但误差较大。
实验证明,方案一效果更加,故选方案一。
2系统理论分析
2.1信号发生电路的分析
本题要求输出数字信号数据率为10—100kbs,按步进10kbps可调,数据率误差不大于1%的m序列;
输出10MHZ的噪声信号;
输出为TTL电平。
主要采取了3方面措施;
第一,利用FPGA的DDS编程产生信号,利用相位寄存器的累加性实现数据率可调;
第二,利用FPGA内部的锁相环得到合适的参考输入时钟,是误差达到合适的范围内;
第三,输出信号通过芯片74HC245提升到5伏TTL电平。
M序列产生方法:
一个n级的二进制移位寄存器发生器中,所能产生的最大长度的码序周期为。
以m=4为例,若其初始状态为,则在移位一次时,由和模2相加产生新的输入新的状态变为这样移位15次后又回到初始状态,但若初始状态为(0,0,0,0),则移位后得到地全是0状态,这说意味着在这种反馈中要避免出现全0的状态.在4级移存器共有种不同状态,除全0状态以外还有15种可用.即由任何4级反馈移存器产生的序列的周期最长为15,满足(当n为4时).
2.2低通滤波电路的设计
在系统可编程模拟器件ispPAC80可以利用PAC-Designer软件实现各种5阶低通滤波器的设置。
简单的设置参数选用5阶巴特沃兹低通滤波器设计出截止频率分别为100KHz,200KHz,500KHz的低通滤波器,带外衰减远大于40Db/十倍聘程,后级加上集成运放放大电路和衰减电路实现滤波信号增益可调。
2.3信号分析电路的设计
信号发生电路最后生成带有噪声的混合信号,利用FPGA最小系统对接收到的信号进行解调,首先使用104电容对混合信号进行隔直操作,然后信号通过二级RC无源滤波器滤掉10MHz噪声信号,输出信号在经过1uF的电容输入到电压比较器,得到波形较好的方波。
这样就得到原信号,得到的信号再通过FPGA分析就得到原时钟信号。
2.4控制模块的设计
控制模块采用ARM7,通过ARM向FPGA|发送字节控制输出信号数据率步进的变换,通知驱动LCD液晶屏显示当前信号数据率数值。
2.5眼图显示方法
采用示波器SY模式,连接外输入同步,同时进行相应的设置既可以显示眼图
3电路与程序设计
3.1电路的设计
系统总体框图
系统总体框图如图3-1所示,
图3-1系统总体框图
3.1.1信号发生子系统框图(图3-2)
图3-2
3.1.2低通滤波器子系统框图与电路原理图
1、低通滤波器子系统框图
图3-3低通滤波器子系统框图
2、低通滤波器子系统电路(图3-4)
图3-4低通滤波器子系统电路
3、同相加法器子系统电路采用AD811做加法电路,输入信号为原信号和噪声信号,输出为混合信号V2a。
3.1.3信号分析电路子系统框图与电路原理图
1、信号分析电路子系统框图
图3-5信号分析电路子系统框图
2、低通滤波和过零比较电路子系统电路
图3-6信号分析电路子系统电路
3、检波电路子系统框图
图3-7检波电路子系统框图
3.1.4电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供
5V和+5电压,确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单,都采用三端稳压管实现,故不作详述。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现频率控制、M序列信号的产生于解调。
1)ARM实现功能:
设置频率值、输出控制字、通过LCD显示。
2)FPGA实现功能:
产生M序列信号,解调M序列。
2、程序设计思路
采用dds原理生成频率可调的方波,在方波的控制下,fpga对移位寄存器进行控制,
由此产生M序列码,将码元与时钟信号进行运算,可生成曼彻斯特码。
3.2.2程序流程图
程序流程图
1、ARM主程序流程图
图3-8ARM主程序流程图
2、信号发生流程图信号分析流程图
图3-9信号发生流程图图3-10信号分析流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
2、软件仿真测试
3、硬件软件联调
4.2测试条件与仪器
测试条件:
检查多次,仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。
测试仪器:
双踪示波器TDS2002/60MHz/1GS/s
功率函数信号发生器SG1645
直流信号源EM1715
万用表MY-65
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果(数据)
基础部分:
(1)数字信号发生器输出m序列波形仿真结果如下:
数字信号发生器实际测得数据率如下:
(单位/khz)
设定值
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
示波器显示
10.04
20.02
30.04
40.06
50.08
60.08
70.07
80.8
90.14
100.2
用示波器增量法测得TTL电平为:
5V
(2)三个滤波器的截止频率分别为100KHz,210KHz,520KHz;
输入小信号状态下实际通带增益实现0.2~4;
(大信号输出电压饱和)
(3)伪随机信号仿真结果如下图:
数字信号发生器输出10MHz的噪声时实际测得数据率如下:
10.04MHz
峰峰值可达100mv;
(4)可成功生成眼图。
发挥部分:
(1)
仿真可看出存在毛刺误差,实际显示时无误差。
(2)可同步提取时钟,频率误差不大于1%。
但相位误差明显。
眼图模糊。
(3)实际幅度范围可达100mv~TTL。
(4)可在一定信噪比范围内显示眼图。
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据,可看出本系统已完成所以基本要求,系统性能良好。
此外,也对发挥部分的要求做到兼顾。
测试数据,图形均在理论范围内。
不过因为时间仓促,一些部分并没有进行精艺,所以本作品还有上升空间。