2011电子设计大赛论文——简易数字信号传输分析仪(E题)(2)

图3、压控电压源二阶有源低通滤波电路

对于二阶低通滤波器其归一化函数：A(SuL)=Aup

S2 1

Q （4） SL 1

将此式与2阶归一化的巴特我思低通滤波器传递函数的分母多项式：

SL2 2SL 1，比较得

R4

R31Q 2 （5） 通带内的电压放大倍数：Aup Af 1 , R3 Aup 1 （6）

滤波器的截至角频率为：

c 1R1R2C1C2 2 fc 2 103 （7）

故由以上各式可得出电路参数为：

当fc 100khz时,C1 0.01 F C2 0.005 F R1 R2 225 （8） 当fc 200khz时, C1 0.01 FC2 0.005 F R1 R2 112 6 （9） 当fc 200khz时, C1 0.01 FC2 0.005 F R1 R2 45 （10）

值得注意的是，实际电路中，由于题目要求通带增益可调，而低通滤波器的增益需通过重新设定RC值进行调整，较为麻烦。因此本设计中采用无增益低通滤波器，后接增益可变的同相放大器以实现系统增益的快速、灵活调节。

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3.3 同步信号提取

位同步的实现方法分为外同步法和自同步法两种方式。本系统采用自同步方式——利用曼彻斯特编码将时钟信号和数据一同包含到数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到信号分析电路中，通过分析电路中的数字锁相环从接收信号中恢复出与发端频率相同的码元时钟信号。这样即可保证数字信号分析电路解调时在最佳时刻进行抽样判决，从而达到消除噪声干扰所导致的解调接收信号的失真，使接收端能以较低的错误概率恢复出被传输的数字信息的目的。

曼彻斯特编码是一种同步时钟编码技术，它提供一个简单的编码方式给二进制序列，而没有长的周期和转换级别，因而防止了时钟同步的丢失，或来自低频率位移在贫乏补偿时的模拟链接位错误。它将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输出去，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。

数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶体振荡器、分频器、相位比较器、脉冲补抹门等组成。分频器输出的信号频率与所需频率十分接近，把它和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，若比较结果为本地频率较高，则通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若结果为本地频率较低，则在分频器输入端的两个输入脉冲间插入一个脉冲，相当于本地振荡频率上升。通过此种方式数字锁相环可以对本振输出的相位进行调整，最终得到正确的位同步信号。

3.4 眼图的显示

本设计采用滤波器显示眼图。眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：将接收滤波器输出波形接入示波器的一个探头，示波器的另一个探头接收位同步时钟信号，以位同步时钟信号作为示波器的水平扫描同步信号，调节示波器扫描周期与信号码元周期相同，则示波器可以显示一个完整的码元周期。此时可以从示波器上便可观察到类似人眼睛的图形，即眼图。本题目中要求输出信号为TTL电平，即二进制波形，故示波器上将显示1只“眼睛”。

通过眼图上“眼睛”的张开程度我们可以了解到本系统的输出信号的很多有用信息：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；也可以籍此指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。眼图中的“眼睛”张开程度越大，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”的张开程度将变得更小。此时可以观察到，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，线迹展宽越严重，线迹越模糊；码间串扰越大，眼图端正程度越差，图像越不规则。

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4 FPGA系统的软件部分设计

本系统使用Verilog语言编程，利用FGPA实现M序列信号的产生及对传输信号的分析提取操作。软件设计分为M序列随机信号发生部分和信号分析处理两个部分。

M序列随机发生部分的软件设计能够使FGPA生成作为传输信号和噪声的两种M序列伪随机信号。其流程图如图4所示。

信号处理部分的软件主要实现对信号的放大和提取位同步信号的功能以便使示波器能够正常显示对应眼图。其流程图如5所示。

图4、M序列随机信号发生部分软件实现流程图

图5、信号处理部分流程图

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5 系统测试及性能总结

5.1 低通滤波器性能测试

测试方法：将一正弦信号作为测试信号输入低通滤波器，通过调节输入信号，观察对应输出信号波形的方法，即可测得滤波器各项性能指标。测试数据如表1所示。

范围能够超出题目要求。

5.2 系统传输性能测试

测试方法：本系统为V1、V1-clock、V2、V2a、V3和V4-syn信号预留了测试端口，将信号接入示波器，即可观察到其对应波形，实现对系统的测试。测试数据如表2所示。

5.3 眼图显示测试

本系统通过示波器成功地得出了信号的对应眼图，且调节系统增益时，可以观察到眼图的张开程度及线迹的清晰程度随之变化，说明本系统却能起到分析信道传输特性的作用。

5.4 性能总结

本系统较好地达到了题目基本部分和部分发挥部分的要求。同时针对本次题目，系统合理地选择了利用FPGA产生M序列伪随机信号的方案，并利用无增益低通滤波器搭配增益可调放大器的设计实现增益可调功能，使得该系统还具备了灵活性好、易于调节等优点，大大增加了系统的实用性。

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参考文献

【1】邹学易，易国华.一种基于FPGA的M序列发生器的设计[J].长江大学学报，2006.09(3).

【2】华成英. 模拟电子技术[M],清华大学出版社，2006

【3】沈明发，黄伟英，潘小平等.低频电子线路试验[M].暨南大学出版社，2001

【4】文元美，张树群，林家薇等.现代通信原理[M].科学出版社，2005

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附录

系统整体电路连接图