简易数字信号传输性能分析仪设计报告

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1、简易数字信号传输性能分析仪摘要：本题设计一个简易数字信号传输性能分析仪，CycloneIVFPGA芯片为核心，由FPGA内部50MHz时钟通过PLL锁相环电路分频得到10kbps-100kbps数据率10kbps为步进的数字信号和数据率10Mbps的伪随机信号。通过必要的外设辅助电路（衰减电路、滤波电路、加法电路等）来模拟传输信道的幅频特性和噪声。最终由数字信号分析电路提取出输入信号的同步时钟信号，并在模拟示波器上显示眼图。关键词：m序列数字信号眼图FPGA一、系统整体设计题目要求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测试；同时，设计三个低通滤波器和

2、一个伪随机信号发生器用来模拟传输信道。简易数字信号传输性能分析仪的框图如图1所示。图中，V1和V1-clock是数字信号发生器产生的数字信号和相应的时钟信号；V2是经过滤波器滤波后的输出信号；V3是伪随机信号发生器产生的伪随机信号；V2a是V2信号与经过电容C的V3信号之和，作为数字信号分析电路的输入信号；V4和V4-syn是数字信号分析电路输出的信号和提取的同步信号。图1简易数字信号传输性能分析仪框图二、方案论证及选择2.1总体方案论证与选择方案一：用FPGA可编程逻辑器件作为控制及数据处理的核心，在发送端产生数字信号，发送过程中数字信号通过低通滤波器，并用10M伪

3、随机码进行衰减处理后，模拟加性噪声，伪随机码通过加法器24叠加在通过低通滤波器的数字信号上，用三种不同的低通滤波器模拟三种不同的信道，在接收端进行一定的数字信号处理，最终输出用模拟示波器来判断传输性能。其系统框图如图2。图2方案一系统框图方案二：采用MSP430单片机为控制核心，其系统框图如图3。对输入信号进行放大或衰减后，用外接触发电路产生触发信号，通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，再通过单片机将数据锁存至外部RAM，然后由单片机控制将数据送至D/A输出。图3方案二系统框图综合比较上述方案，方案二以MSP430为核心产生的信号频率不高，稳定性不强，无法达到题

4、目“产生数据率10kbps-100kbps数字信号和数据率10Mbps伪随机信号”的要求。方案一既可以满足题设基本要求，又能充分发挥扩展部分，使系统达到更强的可控性和稳定性的同时保证数据率误差低于1%的高精确度，电路简洁，易于操作，所以采取方案一。242.2低通滤波器电路方案选择与论证方案一：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，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

5、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。根据题目具体要求，综合考虑上述两方案，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，设计分析四阶巴特沃斯有源滤波器理论带外衰减可达80dB/十倍频，满足题目要求，有效滤除带外信号，所以本系统采用的是四阶巴特沃斯低通滤波器。2.3衰减器电路方案选择与

6、论证方案一：采用T型网络衰减器。其输入阻抗与输出阻抗可以随意改变，更容易进行匹配，电阻使用数量少，容易调试。但缺点是电阻阻值都相对较小，在不使用高精密电阻时误差相对较大。方案二：采用π型网络衰减器。其输入阻抗与输出阻抗可以随意改变，更容易进行匹配，电阻使用数量少，容易调试。同时电阻阻值适中，容易进行测试。因此我们选择此方案。2.4加法器电路方案选择与论证方案一：采用QuartusII软件中LPM模块中的加法模块进行信号求和。在FPGA芯片中直接使用加法器求和简单方便。但是FPGA中的加法器是数字信号加法器，使用范围比较窄，不适用本系统的模拟噪声加载到数字信号上。方案二

7、：采用集成运放构成的加法电路进行信号求和。此类加法器为多段输入，可用于模拟电路与数字电路，用途广泛，易于调节。可将幅值低的模拟噪声信号直接加载到幅值高的数字信号上去。所以我们选用此方案。24三、理论分析与参数计算3.1低通滤波器的分析设计滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置,在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。滤波一般可分为有源滤波和无源滤波，有源滤波可以使幅频特性比较陡峭，而无源滤波设计简单易行，但幅频特性不如有源滤波器，而且体积较大。从滤波器阶数可分为一阶和高阶，阶数越高，幅频特性越陡峭。高