数字基带传输系统眼图的产生与分析课程设计报告.docx

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数字基带传输系统眼图的产生与分析课程设计报告

数字基带传输系统眼图的产生与分析

课程设计报告

题目：

数字基带传输系统眼图的产生与分析

系别：

电子信息与电气工程系

专业：

通信工程

班级：

学号：

姓名：

导师：

2012年12月6日

数字基带传输系统性能测试与分析

摘要：

本文以移位寄存器为核心，设计了一个用于分析系统传输性能好坏的电路系统。

它由数字信号发生器、伪随机信号发生器、模拟低通滤波器以及示波器组成。

数字信号和伪随机序列由移位寄存器产生，低通滤波器模拟传输信道。

经测试它能够反映出传输系统性能的好坏。

关键字：

m序列加法器滤波器基带传输眼图系统性能

1课题意义

对于一个信号传输系统而言，最大的指标就是使信号能够无失真的传送到接收端，然而这是不可能做到的，信号在传输中必然存在失真，只有通过改良系统使失真达到可以接受的范围内才能用来传输信号，所以就必须有一个有效的的方法来判断传输系统的好坏。

通过本课题中产生的眼图来判断传输系统的好坏是一个有效的方法。

通过看到的眼图实际情况，可以了解传输系统的性能好坏，从而帮助设计人员设计出符合要求的传输系统。

2设计思路

为了实现本次设计目标，本文使用一噪声信号叠加到一有用信号上，产生一新的信号，再让这一信号通过滤波器观察得到的眼图来判断这个系统的性能好坏。

该有用信号和噪声信号均用m序列实现。

2系统框图

2.1一般的系统组成

图1一般系统组成框图

2.2本文所用的系统框图

为了方便设计，本文中省去发送端和接收端滤波电路。

发送端

传输系统

接收端

图2简化后系统框图

3模块设计及其实现

3.1输入模块

3.1.1输入信号的选择

本次设计的输入信号为两个m序列叠加后的信号，故应该先产生两个m序列，送入加法器进行叠加来产生输入信号。

3.1.2m序列的概念

M序列（即DeBruijn序列）又叫做伪随机序列、伪噪声（PN）码或伪随机码。

可以预先确定并且可以重复实现的序列称为确定序列；既不能预先确定又不能重复实现的序列称随机序列；不能预先确定但可以重复产生的序列称伪随机序列。

3.1.3m序列的用途

码分多址系统主要采用两种长度的m序列：

一种是周期为P=215-1的m序列，又称为短PN序列；另一种是周期为P=242-1的m序列，又称为长PN序列.误码率测量中的随机信号源，仿真技术中的伪随机序列发生器。

数据加扰，保密通信领域。

3.1.4m序列产生原理

m序列是由带线性反馈的移位寄存器产生的序列且具有最长周期，带线性反馈的移位寄存器初始状态设定后，在时钟触发下，每次一位后各级寄存器状态都会发生变化，其中任意一级寄存器的输出，随着时钟节拍的推移都会产生一个序列，该序列称为移位寄存器序列既m序列。

其特点是序列具有随即信号的特点且它具有最长周期的特点，假设四级移位寄存器其产生的序列周期为16-1=15位。

3.1.5方案选择

方案一：

本方案采用74LS164移位寄存器级连成N级移位寄存器，产生两路m序列送入加法器，产生输入信号。

用通用数字器件构成的特点是速度可以很快，但硬件电路不便于修改，只能产生单一N级的M序列伪随机信号。

方案二：

本方案采用单片机软件构成的方式产生两路M序列伪随机信号。

送入加法器，产生输入信号。

软件构成的特点是采用灵活的数据查询方式，可以获得任意级数N的本原多项式系数，从而实现m序列的产生，但速度受到单片机工作速度的限制。

方案三：

此方案采用FPGA产生两路M序列伪随机信号，送入加法器产生输入信号。

FPGA具有丰富的I/O口、内部逻辑线和连线资源，运行速度快。

该方案使用FPGA产生信号，因而即具有硬件电路的各项优点，又具有设计上的灵活性——可获得任意级数n的M序列本原多项式系数，级数切换速度快。

对于本次设计，考虑综合因素，采用方案一，通过移位寄存器74LS164N芯片和若干异或门以及若干电阻、运算放大器实现。

3.1.6设计实现

1、15位m序列

图315位m序列产生电路

2、255位m序列

图4255位m序列产生电路

3、叠加后输入信号

图5叠加后输入信号产生电路

该电路由两个74LS164N移位寄存器和四个异或门、若干电阻和一个运算放大器组成，其中两个74LS164N用于产生15为m序列和255位m序列，运算放大器用于两路m序列信号的叠加。

3.2传输模块

3.2.1传输系统选择

对于本次设计来说，可采用有源滤波和无源滤波两种方案。

方案一：

采用无源滤波器。

无源滤波器由无源元件（电阻、电容、电感）组成，具有高频性能好、电路简单、功能可靠、无需直流供电，能够输出高压大电流等优点。

但无源滤波器带负载能力较差，功耗大，不但通带放大倍数会因负载电阻而减小，而且通带截至频率也会因负载电阻而增大。

同时无源滤波器的体积和重量也比较大，其电感还会引起电磁干扰。

方案二：

采用有源滤波器。

有源滤波器由电阻、电容和有源器件（如集成运放）组成，具有电路体积小重量轻、通带内信号可放大、精度高、性能稳定、易于调试、负载效应小、可多级相连构成高阶滤波器等诸多优点。

但由于集成运放所限，有源滤波电路不适于高电压大电流负载，而只适用于信号处理。

根据可用的芯片资源，最终使用LM318高速运放实现二阶巴特沃斯滤波器。

根据设计的具体要求，系统只需对弱电信号进行处理，且对于信号处理的精确性要求较为苛刻，因此方案二更为适合。

综合考虑后本设计主要使用一个有源低通滤波器实现。

3.2.2传输系统的设计

传输信道用来传输前面产生的叠加信号，这里用一个低通滤波器来实现。

对于传输信道而言，主要是设计出合适信号传输的信道带宽，信道的传输带宽又和选择的电路器件参数有关，可以通过器件参数来改变传输带宽，既可设计出合理带宽的低通滤波器。

对于二阶巴特沃斯低通滤波器其归一化函数：

将此式与2阶归一化的巴特沃斯通滤波器传递函数的分母多项式：

，比较得

通带内的电压放大倍数为

滤波器的截至角频率为：

故由以上各式可得出电路参数为：

当

=100KHz时，

取

当

=200KHz时，

取

当

=500KHz时，

取

验证：

由于

，将三组R，C值分别代入

，得到的值。

当

时，经计算

得到的实际计算值

。

当

时，经计算

得到的实际计算值

。

当

时，经计算

得到的实际计算值

。

3.2.3传输系统的实现

图6低通滤波器电路

这是一个有源低通滤波器，主要是通过放大器和电容电阻来实现的。

可以传输一定带宽的基带信号。

3.3接收模块

本次设计采用的是一个双踪示波器，通过信号的输入，从而在示波器上产生眼图，通过对眼图的观测，可以帮助我们实现对传输系统性能的分析。

3.3.1示波器原理

图1.1所示是常用示波器的结构示意框图。

它主要由垂直系统、水平系统和示波管等三大部分组成。

垂直系统水平系统X输入图1.1示波器结构示意图Y输入被测信号由Y输入端送至垂直系统，经内部Y轴放大电路放大后加至示波管的垂直偏转板，控制光点在荧光屏垂直方向上移动。

水平系统中扫描信号发生器产生锯齿波电压（亦称时基信号），经放大后加至示波管的水平偏转板，控制光点在荧光屏水平方向上匀速运动。

示波管用来显示被测信号的波形。

加至示波管垂直偏转板上被测电压使光点垂直运动，加至水平偏转板上的锯齿波电压使光点沿水平方向匀速运动，二者合成，光点便在荧光屏上描绘出被测电压随时

图7示波器原理图

间变化的规律，即是被测电压波形。

3.3.2眼图的产生原理

将待测的基带信号加到示波器的输入端，同时把为定时信号作为扫描同步信号。

这样，示波器对基带信号的扫描周期严格与码元周期同步，各码元的波形就会重叠起来。

对于二进制数字信号，这个图形与人眼相像，所以称之为眼图。

图8眼图一般结构

3.3.3眼图与系统性能的关系

眼图的“眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱。

“眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。

　　当存在噪声时，噪声将叠加在信号上，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。

若同时存在码间串扰，“眼睛”将张开得更小。

与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。

噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。

　　眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息：

可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。

（1）最佳抽样时刻应在“眼睛”张开最大的时刻。

（2）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。

斜率越大，对定时误差就越灵敏。

　　（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。

　　（4）眼图中央的横轴位置应对应判决门限电平。

　　（5）在抽样时刻上，上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。

　　（6）对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要的影响。

4性能分析

4.1输入信号

4.1.1255位m序列

图9255位m序列

4.1.215位m序列

图1015位m序列

4.1.3叠加后的输入信号

图1115m序列，255位m序列叠加后信号

4.2叠加后信号未经传输的眼图

图12未经传输的叠加后信号眼图

4.3经过传输模块

当255位m序列码元速率f1=10KHz,15位m序列码元速率f2=200KHz传输带宽B=100KHz时，接收波形和对应眼图如下图所示：

图13f1=10KHz,f2=200KHz,B=100时接收波形

图14f1=10KHz,f2=200KHz,B=100KHz时接收端眼图

分析：

由接收信号与叠加的后的输入信号对比可知，该信号不是很接近源叠加信号，信号的上升沿和下降沿相比原输入信号较为平坦，信号的电平持续时间段信号中信号幅值不是很密集，说明信号通过滤波器后出现了很大失真。

从眼图上看眼图的眼皮较厚，说明系统信号幅度失真较大，眼图斜边斜率小，说明系统对定时误差不灵敏，眼图张角小，说明系统噪声容限小。

所以这个眼图反映了这个系统传输特性不好。

当f1=10KHz,f2=200KHz时，B=200kHz时接收信号和对应眼图如下图所示：

图15f1=10KHz,f2=200KHz,B=200KHz时接收波形

图16f1=10KHz,f2=200KHz,B=200KHz时接收端眼图

分析：

由接收信号与原输入信号对比可知，信号的上升沿和下降沿不是很平坦，信号电平持续时间段内信号较为密集，从整体上看较为接近源输入信号，说明信号有经过传输模块后出现失真相对较小。

从眼图上看眼图的眼皮较薄，说明信号通过系统后信号幅度失真较小，眼图斜边斜率较大，说明系统对定时误差较为灵敏，眼图张角较大，说明系统噪声容较大，所以这个眼图反映了这个系统传输特性较好。

当f1=10KHz,f2=200KHz，B=500KHz时，接收波形和对应眼图如下图所示：

图17fc=100KHz,B=500KHz时接收波形

图14f1=10KHz,f2=200KHz,B=500KHz时接收端眼图

分析：

由接收信号与原输入信号对比可知，信号最为接近原输入信号，信号的上升沿下降沿都很陡峭，信号持续时间内信号很密集，说明信号有经过传输模块后出现失真很小。

从眼图上看眼图的非常接近，眼图斜边斜最大，说明系统对定时误差非常灵敏，眼图张角很大，说明系统噪声容限很大，所以这个眼图反映了这个系统传输特性优良。

5总结

这是新的一次课程设计，内容看起来不是很多，但是如果遇到了什么问题就会耽误较多时间，因为对有些定西还不是很会，需要翻阅资料或者问同学，有些问题也要自己认真思考才能想清楚。

例如开始对于产生255位m序列不是方法不是很明确，不知道是用两个移位寄存器还是一个，经过思考过后发现一个74ls164有八个输出端两个信号输入端，而255位m序列的特征式说明有四个反馈给输入端，所以可以通过三个异或门实现这四个信号的反馈，由最低一级输出255位m序列，按照这样连接好电路发现可以产生该序列，说明这种方法是可行的。

在这次设计过程中也遇到了一些问题。

首先是255序列的产生，通过思考和对照最后得到了该序列。

还有一个就是不知道怎样的是得到的m序列相加，开始是用了乘法器，后来查找资料发现乘法器是用来实现两个模拟信号相乘的作用的，后来问了老师并查看了模电相关知识后才知道是完全可以用运算放大器的，最后也在仿真软件上实现了两个信号的相加。

在这次设计中，得到了很多收获同时也认识了自己的的不足。

在电路实现过程中通过提问、思考和学习知道了255位m序列产生方法，得到了加法器电路，实现了滤波电路，从而加深了对移位寄存器的了解，提高了对集成芯片功能的分析能力以及对放大器的认识。

例如开始在滤波电路中使用的放大器不能达到满足要求的滤波效果，后来换了一个才行了，说明滤波器滤波效果不一定只和电阻电容有关，还会和放大器有关。

然而最大的收获可以说是明白了实践是检验真理的唯一标准，凭着猜想是不能对问题有一个确定的认识的，在设计中每一步都是通过仿真并且经过实际电路得到了正确的结果，只有这样才能消除对问题的不确定性，并且对学过的知识更加清晰明白，下次再需要相同的电路时就可以完全确定的使用这些验证过的电路了。

不足之处主要是模电知识的不足，不能充分用好模电知识解决实际问题，还是要多看看模电相关书籍或者设计一些小电路来多学点模电知识。

但当你认真去分析它时会发现并不是里面所有东西都会，要完成这项设计必须要有相对熟练的理论知识和实际动手能力才行。

在开始阶段，对于m序列的产生我们不知道怎么产生，通过查找相关资料发现可以利用移位寄存器直接产生，虽然这样但对于m序列的产生原理还是要知道的。

然而对于传输模块，由于是基带传输，所以可以采用低通滤波器，计算出滤波器的截止频率公式，发现它与电路中电阻电容大小有关，在固定电容条件下，可以改变电阻值来改变截止频率大小。

接收模块则可以用一个示波器就可以了，至此系统的模型就出来了。

下一步就是用multisim来搭建电路，并仿真。

通过一段时间的搭建和仿真，最后得到了眼图。

在本次课程设计中，虽然都是一些基本的都西，但就是没有对某一些内容全面了解，结果在实验设计过程中还是遇到了一些问题。

首先是对m序列的产生。

这主要是靠芯片的使用以及结合微机原理知识来解决，在开始时不会分析这个器件的功能，在组员说明下比较清楚了这个器件的功能在实际电路中的分析，对移位寄存器有了更深的认识。

第二个是眼图的产生。

在初期我们都不能很好的把眼图调出来，这最主要的原因是对示波器原理的不认识，不知道示波器扫描信号的选取以及其频率的选取，对于扫描信号的选取是采用三角波，这是因为三角波信号是随时间线性变化的，而三角波信号变化持续时间要比方波的长。

参考文献

[1]康华光.电子技术基础数字部分第五版[M].北京：

高等教育出版社.1998年

[2]康华光.电子技术基础模拟部分第五版[M].北京：

高等教育出版社.1998年

[3]南利平.通信原理简明教程第二版[M].北京：

清华大学出版社.2007年

[4]聂典，丁伟.multisim10计算机仿真在电子电子电路设计中的应用[M].北京：

电子工业出版社.2009

[5]检索相关论文

附录：

系统电路图

图15系统电路图