基于單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀的設(shè)計(jì)＊

李天山

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361012）

伴隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，數(shù)字通信應(yīng)用的領(lǐng)域越來越多，在通信的過程中各種干擾因素也隨之而來，這些干擾的存在嚴(yán)重影響了數(shù)字信號(hào)的傳輸性能，因此設(shè)計(jì)一種能夠及時(shí)快捷的檢測(cè)數(shù)字傳輸通道的傳輸性能的分析儀有很長(zhǎng)深遠(yuǎn)的應(yīng)用意義。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)字信號(hào)發(fā)生模塊

m序列數(shù)字信號(hào)可通過移位寄存器的邏輯組合實(shí)現(xiàn)，其產(chǎn)生序列的速度非?？欤覀兛梢圆捎肨I公司的MSP430F169單片機(jī)為DDS定義時(shí)鐘周期信號(hào)，達(dá)到輸出信號(hào)數(shù)據(jù)率的步進(jìn)可調(diào)。MSP430F169單片機(jī)在具有8MHz高速晶振的同時(shí)，還具有方便的切換超低功耗模式，從而大大降低系統(tǒng)的功耗，性價(jià)比高等特點(diǎn)。DDS在數(shù)字頻率合成方面的優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在相對(duì)帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)制信號(hào)、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面，并具有極高的性價(jià)比。

1.2 偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生模塊

利用有源晶振為移位寄存器提供時(shí)鐘信號(hào)，電路易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，有源晶振不需要單獨(dú)搭建振蕩電路，信號(hào)質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對(duì)簡(jiǎn)單。本研究使用10M有源晶振。

1.3 數(shù)字信號(hào)分析電路

用FPGA對(duì)曼徹斯特碼進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并提取出信號(hào)的時(shí)鐘周期，運(yùn)用FPGA的優(yōu)勢(shì)是它的處理速度非?？?，可以通過內(nèi)部鎖相環(huán)把外部時(shí)鐘倍頻，核心頻率可以到幾百兆。便于提取時(shí)鐘信號(hào)。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 m序列數(shù)字信號(hào)的參數(shù)與理論計(jì)算

信號(hào)產(chǎn)生電路主要由MSP430單片機(jī)、DDS電路、線性反饋移位寄存器等部分組成。在數(shù)字信號(hào)發(fā)生器中運(yùn)用的是八級(jí)線性反饋移位寄存器，電路圖如圖1所示。

八位移位寄存器的初始狀態(tài)為a－1a－2…a－8，經(jīng)過一次一位之后，狀態(tài)變?yōu)閍0a－1a－2…a－6，經(jīng)過n次移位之后，狀態(tài)變?yōu)閍7a6…a1a0。再次移位一次，移位寄存器左端新得到的輸入a8，可以寫為

ci的取值決定了移位寄存器的反饋連接和序列的結(jié)構(gòu)，故ci是一個(gè)很重要的參量。用特征方程表示為：

圖1 八級(jí)移位寄存器電路圖

2.2 低通濾波器的參數(shù)計(jì)算

此模塊采用三個(gè)截止頻率分別為100K、200K、500K的二階無限增益多路低通有源濾波器。對(duì)于截止頻率為100K的濾波器，電路圖如圖2所示

2.3 同步信號(hào)的提取原理

本系統(tǒng)可以選擇使用曼徹斯特碼模式工作。曼徹斯特碼在時(shí)鐘前半周期和原碼相同，后半周期和原碼相反。因此要用數(shù)據(jù)選擇器，在時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，選擇原碼作為曼徹斯特編碼的信號(hào)，而時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，選擇原碼的反碼作為曼徹斯特編碼信號(hào)。

在數(shù)字信號(hào)分析電路中，需要對(duì)曼徹斯特碼進(jìn)行同步時(shí)鐘信號(hào)的提取，具體的提取電路可以分為整形電路、微分電路、全波整流電路、窄帶濾波電路和鎖相環(huán)電路。利用這些電路來提取出同步信號(hào)，并經(jīng)過FPGA對(duì)時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析最終在示波器上顯示出眼圖。

圖2 低通濾波器仿真電路

2.4 眼圖的顯示分析

數(shù)字信號(hào)在示波器上累積而顯示出眼圖，從眼圖的形狀可以看出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，分析出傳輸信號(hào)的整體特征。一個(gè)完整的眼圖應(yīng)包含從“000”到“111”的所有狀態(tài)，八種狀態(tài)在短時(shí)間間隔內(nèi)相疊加，即可形成眼圖。可以根據(jù)計(jì)算得出眼圖的消光比、Q因子等參數(shù)、眼交叉比和信號(hào)上升時(shí)間和下降時(shí)間。根據(jù)這些參數(shù)來判斷信號(hào)的受干擾程度。

Q因子用于測(cè)量眼圖信噪比的參數(shù)，它的定義是接收機(jī)在最佳判決門限下信號(hào)功率和噪聲功率的比值，可適用于各種信號(hào)格式和速率的數(shù)字信號(hào)，其計(jì)算公式如下：

其中，“1”電平的平均值Ptop與“0”電平的平均值pbase的差為眼幅度，“1”信號(hào)噪聲有效值σ1與“0”信號(hào)噪聲有效值σ0之和為信號(hào)噪聲有效值。

Q因子綜合反映眼圖的質(zhì)量問題。Q因子越高，眼圖的質(zhì)量就越好，信噪比就越高。Q因子一般受噪聲、光功率、電信號(hào)是否從始端到終端阻抗匹配等因素影響。一般來說，眼圖中1電平的這條線越細(xì)、越平滑，Q因子越高。在不加光衰減的情況下，發(fā)送側(cè)光眼圖的Q因子不應(yīng)該小于12，接收測(cè)的Q因子不應(yīng)該小于6。

3 系統(tǒng)電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)總體框圖

如圖3所示，本設(shè)計(jì)由MSP430單片機(jī)控制DDS電路為八位線性移位寄存器提供時(shí)鐘周期，使移位寄存器產(chǎn)生f（x）＝1＋x2＋x3＋x4＋x8的m序列數(shù)字信號(hào)。用10M有源晶振為十二位線性移位寄存器提供時(shí)鐘周期，產(chǎn)生f（x）＝1＋x＋x4＋x5＋x12的m序列偽隨機(jī)信號(hào)。數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過三個(gè)低通濾波器后與偽隨機(jī)信號(hào)在同向求和運(yùn)算電路中合成為信號(hào)V2a。該信號(hào)經(jīng)過電壓比較器電路的整形后傳輸給FPGA進(jìn)行同步時(shí)鐘信號(hào)的提取，并利用時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)傳輸信號(hào)，在示波器上顯示出眼圖。從而判斷系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)的傳輸性能。

3.2 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和原理圖

本模塊使用MSP430單片機(jī)作為信號(hào)發(fā)生的主控芯片，它定義DDS發(fā)出方波信號(hào)作為m序列數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)，使八位移位寄存器發(fā)出不同頻率的數(shù)字信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)率在10—100kbps之間的步進(jìn)可調(diào)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用液晶12864正確顯示出信號(hào)發(fā)生器的的步進(jìn)率。

相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖fs，加法器將控制字k與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送到累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)中輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)周期頻率。

為了避免在開始工作時(shí)移位寄存器進(jìn)入全0狀態(tài)，將組成的8級(jí)移位寄存器電路的D觸發(fā)器中1～7級(jí)的復(fù)位端和第8級(jí)D觸發(fā)器的置數(shù)端連接一個(gè)單脈沖發(fā)生器。當(dāng)接通電源開始工作時(shí)，單脈沖發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開機(jī)復(fù)位脈沖，就使移位寄存器開始工作時(shí)不會(huì)進(jìn)入全0狀態(tài)。理論上在接通電源以后，這個(gè)由8級(jí)D觸發(fā)器所組成的移位寄存器電路就會(huì)產(chǎn)生P＝63的m序列。

4 系統(tǒng)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析

通過示波器觀察在有干擾信號(hào)和無干擾信號(hào)兩種狀態(tài)下的眼圖波形如圖4和圖5所示。

圖4 實(shí)測(cè)無噪聲眼圖

圖5 實(shí)測(cè)加入噪聲眼圖

通過示波器可以觀察到當(dāng)加入的偽隨機(jī)信號(hào)的幅值不同時(shí)得到的眼圖的幅度、消光比、眼交叉比會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而可以分析出該數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)男阅堋?/p>

經(jīng)測(cè)試，本次設(shè)計(jì)已完成m序列隨機(jī)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、偽隨機(jī)碼發(fā)生器、并通過曼徹斯特編碼進(jìn)行傳輸、三個(gè)低通濾波模擬實(shí)際數(shù)字信號(hào)傳輸、曼徹斯特編碼同步信號(hào)提取模塊等各項(xiàng)功能，并均達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的各項(xiàng)指標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)字時(shí)代的浪潮中，數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀的應(yīng)用前景越來越廣闊，基于該技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)品會(huì)有很大的發(fā)展空間，本系統(tǒng)采用MSP43F149作為主控處理器，完成了由信號(hào)發(fā)生器、偽隨機(jī)信號(hào)生成器、濾波電路、控制顯示部分組成，能夠很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸性能的測(cè)試功能，通過對(duì)該系統(tǒng)的整體性能測(cè)試，本設(shè)計(jì)能過滿足實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)要求。

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