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简易数字信号传输性能分析仪设计报告.doc

发布时间：2022-06-02 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.52M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1系统方案
    1.1控制模块的论证与选择
    1.2信号生成模块的论证与选择
    1.3低通滤波器设计的论证与选择
    1.4 信号分析模块的论证与选择
    2系统理论分析
    2.1 信号发生电路的分析
    2.2 低通滤波电路的设计
    2.3信号分析电路的设计
    2.4控制模块的设计
    2.5眼图显示方法
    3电路与程序设计
    3.1电路的设计
    系统总体框图
    3.1.1 信号发生子系统框图（图3-2）
    3.1.2 低通滤波器子系统框图与电路原理图
    3.1.3信号分析电路子系统框图与电路原理图
    3.1.4电源
    3.2程序的设计
    3.2.1程序功能描述与设计思路
    3.2.2程序流程图
    4测试方案与测试结果
    4.1测试方案
    4.2 测试条件与仪器
    4.3.1测试结果(数据)
    4.3.2测试分析与结论
    2011 年全国大学生电子设计竞赛 简易数字信号传输性能分析仪（E 题） 【本科组】 2011 年 9 月 6 日
    摘 要 本系统由数字信号发生、控制系统，低通滤波、信号分析四大部分组成。信 号发生采用 FPGA 实现；控制系统使用 ARM7 控制按键输入与液晶显示；低通 滤波采用 ispPAD80 实现 100KHz、200KHz、500KHz 的截止频率，衰减达到 90dB； 信号分析由二级低通滤波器、比较器、FPGA 组成。本系统实现基本部分所有内 容，发挥部分也实现大部分内容。 关键字：FPGA, ispPAD80,放大器，比较器。 I
    目 录 1 系统方案 ......................................................................................................................................... 1 1.1 控制模块的论证与选择 ......................................................................................................1 1.2 信号生成模块的论证与选择 .............................................................................................1 1.3 低通滤波器设计的论证与选择 .........................................................................................1 1.4 信号分析模块的论证与选择 .............................................................................................1 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 II
    简易数字信号传输性能分析仪（E 题） 【本科组】 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 方案一：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。 方案二：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。 方案三：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 方案一：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。 方案二：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。 方案三：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 方案一： 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 1
    方案二：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 方案三：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。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.4.2 检波模块论证 方案一：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。 方案二：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 2
    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， 3.1.1 信号发生子系统框图（图 3-2） 图 3-1 系统总体框图 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 ispPAD80 直 流 偏 移调整 集 成 运 放 放 大 图 3-3 低通滤波器子系统框图 3
    2、低通滤波器子系统电路（图 3-4） 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 图 3-4 低通滤波器子系统电路 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 4
    3、检波电路子系统框图 图 3-6 信号分析电路子系统电路 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。 5
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