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1、2011-2012 德州仪器 C2000 及 MCU 创新设计大赛项目报告题 目： 简易数字信号传输性能分析仪 学校： 西安邮电学院 指导教师： 李国辉 组别： 本科组 应用类别： 低功耗应用类 平台： Cortex-M 参赛队成员名单：姓名邮箱郭浩白飞罗东辉王渊视频文件观看地址： http:/ 710121联系电话;15291492697（13609133184）简易数字信号传输性能分析仪简易数字信号传输性能分析仪摘摘 要要本系统以 ARM CORTEX-M3 内核的主控芯片 LM3S811 为核心，采用液晶屏输出一个数字信号传输中的眼图图形。利用基本门电路产生 m 序列而没有使用 FPGA
2、 等贵重芯片产生了同样的 m 序列，利用最常见的 555 定时器而非需要大量占用软件资源的 DDS 产生了时钟信号，性价比很高。关键词关键词：数字信号传输；分析仪；m 序列；低通滤波器；频率步进可调时钟AbstractTo ARM the system CORTEX-M3 LM3S811 master chip at the core of the kernel, with LCD output a digital signal transmission in the eye-diagram of the graphics.Use basic gate circuit to generate
3、m sequence without using FPGA and other valuable chips have the same sequence of m, 555 timer rather than the needs of the most common resource intensive software DDS clock signals, cost is very high.Keywords: digital signal transmission; analyzer; m sequence; low-pass filter; step frequency adjusta
4、ble clock01.引言引言在现代数字通信中，物理层的检查是非常关键的一步。而通常情况下，现场施工需要携带示波器等大型器材才可以实现对当前线路中物理层的检查。我们设计的系统是为了解决手持式设备检查数字通信物理层通信质量的仪表。2.系统方案系统方案本系统主要由 m 序列产生模块、时钟产生模块、低通滤波器模块、数字信号分析模块、液晶显示模块和电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。2.1 m 序列产生方法的论证与选择序列产生方法的论证与选择方案一：采用线性移位寄存器发生器来产生。采用纯数电思想，电路设计简单，所需器件较为常用，成本较低，性价比高。方案二：基于 FPGA 的 m 序列发生器。
5、由于 FPGA 的内部逻辑功能是通过向内部静态存储器单元加载配置数据来实现的，其配置文件决定了逻辑单元的逻辑功能，FPGA 的这种结构允许多次编程，并享有快速有效的对新设计进行优化，灵活性较大。综合以上两种方案，选择方案一。2.2 低通滤波器制作方法的论证与选择低通滤波器制作方法的论证与选择方案一：运算放大器和 RC 网络组成的有源低通滤波器。因为不用电感元件，所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点。由于运算放大器的增益和输入电阻高，输出电阻低，所以能提供一定的信号增益和缓冲作用。并可用简单的级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便，但由于电阻电容值的不精准，滤波器的
6、精度不准，不过成本较低。方案二：集成滤波芯片。外围电路简单，精度一般比较高，成本较高。方案三：LC 滤波，采用电感和电容滤波的方式，是最为古老经典的方式，并且电路简单，功耗低。但是电感需要专门制作，制作工艺很难达到要求。综合以上三种方案，选择方案一。2.3 时钟产生模块的论证与选择时钟产生模块的论证与选择方案一：采用 DDS 技术产生频率步进可调的正弦波，经过低通滤波器，生成方波提供给系统作为时钟信号。这种方案可以轻松实现步进频率，并且在题目要求的范围内频率稳定度非常高。但是需要额外的软件资源来控制，性价比低。方案二：使用 555 定时器。555 系列定时器芯片是应用非常广泛的时钟芯1片，采用
7、不同的电阻电容搭配即可产生不同频率的时钟信号。制作一个电阻网络，选用电阻网络的不同端口就可以产生不同频率的时钟信号。这种方案的性价比高，但是开发周期过长，频率稳定度一般。综合考虑采用方案二。2.4 显示模块的论证与选择显示模块的论证与选择方案一：采用示波器显示眼图。利用示波器观察眼图是最常用的观测眼图的方法，同时采样信号与其同步信号，并设置同步信号触发，即可轻松观测到眼图。但是示波器的体积过于庞大，所以有着不可携带和移动的特性，在设备越来越手持化的过程中势必会渐渐淘汰。方案二：采用 ARM 控制液晶屏显示眼图。ARM 内核是手持式设备的优先选用内核，其速度高，资源丰富，完全可以满足我们题目的要
8、求。但是需要算法精确控制 AD 采样频率和刷屏频率以保持稳定的眼图，算法不容易建立。综合考虑采用方案二。2.5 数字信号分析模块的论证与选择数字信号分析模块的论证与选择方案一：利用低通滤波器滤去高频噪声，然后设置合适的门限判决电压，根据同步时钟抽样判决还原出原始信号。此方法是大多数系统的选择方案，但是在误码率方面有着先天的不足。无法实现自适应信号幅值。方案二：采用 ARM 控制的 AD 采样，利用算法还原出原始信号。此方案实施难度大，算法不容易建立，但是考虑到液晶屏控制，此方案比方案一有着非常大的优势，且误码率低。方案三：利用 ARM 进行 AD 转换，算出 VH（min）和 VL（max）
9、，计算出最佳门限电压，利用数控电位器实现自适应幅值。根据最佳门限电压，利用高速比较器还原出原始信号，并且可以计算出原始信号的同步时钟。综合考虑，选用方案三。23. 系统硬件设计系统硬件设计3.1.1 系统总体框图系统总体框图系统总体框图如图 2 所示。数字 信号 发生 器低通 滤波 器伪随机信号 发生器加 法 电 路数 字 信 号 分 析 电 路眼 图 显 示开关图 2 系统总体框图 3.1.2 信号发生器子系统框图与电路原理图信号发生器子系统框图与电路原理图 1）信号发生器子系统框图如图 3 所示。异或门 CD4070移位寄存器 74LS164触 发器或 门开关清 零置 时 钟图 3 信号发
10、生器子系统框图2）信号发生器子系统电路如图 4 所示。3图 4 信号发生器子系统电路3.1.3 伪随机信号发生器子系统框图与电路原理图伪随机信号发生器子系统框图与电路原理图1）伪随机信号发生器子系统框图如图 5 所示。异或门 74HC86高速移位寄存 器 74HC595触 发器或 门开关清 零置 有源 晶振4图 5 伪随机信号发生器子系统框图2）伪随机信号发生器子系统电路电路基本同图 4，只是时钟由有源晶振提供，移位寄存器 74LS164 换成了高速移位寄存器 74HC595，异或门 CD4070 换成了高速异或门 74HC86。由于Multisim10 中没有这两种芯片，所以在此不提供电路。
11、3.1.4 低通滤波器子系统电路原理图低通滤波器子系统电路原理图截止频率 100KHz 的低通滤波器如图 6 所示。截止频率 200KHz 的低通滤波器如图 7 所示。截止频率 500KHz 的低通滤波器如图 8 所示。图 6 低通滤波器子系统原理图（截止频率 100KHz）图 7 低通滤波器子系统原理图（截止频率 200KHz）5图 8 低通滤波器子系统原理图（截止频率 500KHz）3.1.5 曼彻斯特编码与解码电路原理图曼彻斯特编码与解码电路原理图曼彻斯特编码电路原理图如图 9 所示，曼彻斯特解码电路原理图如图 10 所示。图 9 曼彻斯特编码电路原理图图 10 曼彻斯特解码电路原理图6
12、4.系统软件设计系统软件设计4.1 系统理论分析与计算系统理论分析与计算4.1.1 m 序列的生成算法分析序列的生成算法分析 m 序列可通过线性反馈移位寄存器得到，设移位寄存器结构如图 1 所示。+an-1an-2an-ran-(r-1)L+L c0c1c2cr-1cr图 1 移位寄存器结构在图 1 中，L, ，为级寄存器的状态（为 0 或 1），1na2na(1)nran ra反馈的连接状态由开关 c1表示，表示反馈断开，表示反馈接通，且0ic 1ic 。寄存器的每一级输出经反馈后作为最高位的输入。反馈移位寄存01rccna器的序列多项式为: , 12 0120( )nn nnG xaa x
13、a xLa xLa x是二元素域，而特征多项式：(0,1, )na nL，是反馈系数。12 0120( )rrr rrf xcc xc xLc xLc x01rcc(0)icir 由于时钟频率的不同， 数字信号为 的 m 序列可4238 1( )1f xxxxx 以由两片移位寄存器 74LS164 和异或门 CD4070 实现。伪随机信号 V3为的 m 序列可以由两片移位寄存器 74HC595 和异或门14512 1( )1f xxxxx 74HC86 实现。数字信号 V1的时钟信号 可以由 555 电路产生，通过更1 CLOCKV改电阻网络的阻值，可以实现频率步进可调。伪随机信号 V3的时钟
14、频率可以由 20MHz 的有源晶振提供。4.1.2 低通滤波器算法分析低通滤波器算法分析 低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。二阶低通滤波器的通带增益 为： ,截止频率为：它是二阶低通滤波器通带与 11f UFRAR 12 RC阻带的界限频 率。品质因数为： ,它的大小影响低通滤波器在截止1(3)UFQA频率处幅频特性的形状。二阶低通滤波器性能参数表达式为,2111CWCC RR7Q=0.707,，。 12221(1)11cvWA QRCR CR C431vRAR 4.1.3 时钟电路电阻网络阻值的计算时钟电路电阻网络阻值的计算1）计算公式）计算公式555 电路输出矩形脉冲的周期，
15、选取合适的，。根120.7(2)TRR C1RC据频率范围及步进值可以选出合适的电阻网络。2） R2的理论阻值的理论阻值根据相关公式，理论阻值如表 1 所示。 表 1 理论阻值555 时钟电路 1555 时钟电路 2R1=200 C=75PF R1=510 C=331PF200kHz180kHz160kHz140kHz120kHz100kHz80kHz60kHz40kHz20kHz47.5k52.8k59.4k67.9k79.3k95.1k26.7k35.7k53.7k108k4.1.4 显示模块的理论分析显示模块的理论分析本系统采用 ARM CORTEX-M3 控制的 TFT 触摸屏显示。 （因系统没有必要加入触摸，故只使用了显示功能，加大了系统的使用效率） 。因为节省了主控芯片的 IO 资源，在不降低屏幕的显示速度的同时加入了 8-16 位显示加触摸控制电路（位于液晶屏的下面） 。系统可以自适应输入信
