本科組_低功耗應用類_西安郵電學院大學_簡易數字信號傳輸性能分析儀

1、2011-2012德州儀器C2000及MCU創(chuàng)新設計大賽項目報告題 目： 簡易數字信號傳輸性能分析儀 學校： 西安郵電學院 指導教師： 李國輝 組別： 本科組 應用類別： 低功耗應用類 平臺： Cortex-M 參賽隊成員名單：姓名郵箱郭浩白飛羅東輝王淵視頻文件觀看地址： 郵寄地址和收件人聯(lián)系方式： 郵寄地址：西安市長安區(qū)韋郭路，西安郵電學院電子工程學院，郵編710121 聯(lián)系電話;（）簡易數字信號傳輸性能分析儀摘 要本系統(tǒng)以ARM CORTEX-M3內核的主控芯片LM3S811為核心，采用液晶屏輸出一個數字信號傳輸中的眼圖圖形。利用基本門電路產生m序列而沒有使用FPGA等貴重芯片產生了同樣的

2、m序列，利用最常見的555定時器而非需要大量占用軟件資源的DDS產生了時鐘信號，性價比很高。關鍵詞：數字信號傳輸；分析儀；m序列；低通濾波器；頻率步進可調時鐘Abstract To 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 m sequence without us

3、ing 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 adjustable clock1. 引言 在現代數字通

4、信中，物理層的檢查是非常關鍵的一步。而通常情況下，現場施工需要攜帶示波器等大型器材才可以實現對當前線路中物理層的檢查。我們設計的系統(tǒng)是為了解決手持式設備檢查數字通信物理層通信質量的儀表。2.系統(tǒng)方案 本系統(tǒng)主要由m序列產生模塊、時鐘產生模塊、低通濾波器模塊、數字信號分析模塊、液晶顯示模塊和電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。2.1 m序列產生方法的論證與選擇方案一：采用線性移位寄存器發(fā)生器來產生。采用純數電思想，電路設計簡單，所需器件較為常用，成本較低，性價比高。方案二：基于FPGA的m序列發(fā)生器。由于FPGA的內部邏輯功能是通過向內部靜態(tài)存儲器單元加載配置數據來實現的，其配置文件決定

5、了邏輯單元的邏輯功能，FPGA的這種結構允許多次編程，并享有快速有效的對新設計進行優(yōu)化，靈活性較大。綜合以上兩種方案，選擇方案一。2.2 低通濾波器制作方法的論證與選擇方案一：運算放大器和RC網絡組成的有源低通濾波器。因為不用電感元件，所以免除了電感所固有的非線性特性、磁場屏蔽、損耗、體積和重量過大等缺點。由于運算放大器的增益和輸入電阻高，輸出電阻低，所以能提供一定的信號增益和緩沖作用。并可用簡單的級聯(lián)來得到高階濾波器且調諧也很方便，但由于電阻電容值的不精準，濾波器的精度不準，不過成本較低。方案二：集成濾波芯片。外圍電路簡單，精度一般比較高，成本較高。方案三：LC濾波，采用電感和電容濾波的方式

6、，是最為古老經典的方式，并且電路簡單，功耗低。但是電感需要專門制作，制作工藝很難達到要求。綜合以上三種方案，選擇方案一。2.3 時鐘產生模塊的論證與選擇方案一：采用DDS技術產生頻率步進可調的正弦波，經過低通濾波器，生成方波提供給系統(tǒng)作為時鐘信號。這種方案可以輕松實現步進頻率，并且在題目要求的范圍內頻率穩(wěn)定度非常高。但是需要額外的軟件資源來控制，性價比低。方案二：使用555定時器。555系列定時器芯片是應用非常廣泛的時鐘芯片，采用不同的電阻電容搭配即可產生不同頻率的時鐘信號。制作一個電阻網絡，選用電阻網絡的不同端口就可以產生不同頻率的時鐘信號。這種方案的性價比高，但是開發(fā)周期過長，頻率穩(wěn)定度一

7、般。綜合考慮采用方案二。2.4 顯示模塊的論證與選擇方案一：采用示波器顯示眼圖。利用示波器觀察眼圖是最常用的觀測眼圖的方法，同時采樣信號與其同步信號，并設置同步信號觸發(fā)，即可輕松觀測到眼圖。但是示波器的體積過于龐大，所以有著不可攜帶和移動的特性，在設備越來越手持化的過程中勢必會漸漸淘汰。方案二：采用ARM控制液晶屏顯示眼圖。ARM內核是手持式設備的優(yōu)先選用內核，其速度高，資源豐富，完全可以滿足我們題目的要求。但是需要算法精確控制AD采樣頻率和刷屏頻率以保持穩(wěn)定的眼圖，算法不容易建立。綜合考慮采用方案二。2.5 數字信號分析模塊的論證與選擇方案一：利用低通濾波器濾去高頻噪聲，然后設置合適的門限判

8、決電壓，根據同步時鐘抽樣判決還原出原始信號。此方法是大多數系統(tǒng)的選擇方案，但是在誤碼率方面有著先天的不足。無法實現自適應信號幅值。方案二：采用ARM控制的AD采樣，利用算法還原出原始信號。此方案實施難度大，算法不容易建立，但是考慮到液晶屏控制，此方案比方案一有著非常大的優(yōu)勢，且誤碼率低。方案三：利用ARM進行AD轉換，算出VH（min）和VL（max），計算出最佳門限電壓，利用數控電位器實現自適應幅值。根據最佳門限電壓，利用高速比較器還原出原始信號，并且可以計算出原始信號的同步時鐘。綜合考慮，選用方案三。3. 系統(tǒng)硬件設計3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。數字信號發(fā)生器低通濾波器偽

9、隨機信號發(fā)生器加法電路數字信號分析電路眼圖顯示開關 圖2 系統(tǒng)總體框圖3.1.2 信號發(fā)生器子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1）信號發(fā)生器子系統(tǒng)框圖如圖3所示。異或門CD4070移位寄存器74LS164觸發(fā)器或門開關清零置時鐘圖3 信號發(fā)生器子系統(tǒng)框圖2）信號發(fā)生器子系統(tǒng)電路如圖4所示。圖4 信號發(fā)生器子系統(tǒng)電路3.1.3 偽隨機信號發(fā)生器子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1）偽隨機信號發(fā)生器子系統(tǒng)框圖如圖5所示。異或門74HC86高速移位寄存器74HC595觸發(fā)器或門開關清零置有源晶振圖5 偽隨機信號發(fā)生器子系統(tǒng)框圖2）偽隨機信號發(fā)生器子系統(tǒng)電路 電路基本同圖4，只是時鐘由有源晶振提供，移位寄存器74LS164換

10、成了高速移位寄存器74HC595，異或門CD4070換成了高速異或門74HC86。由于Multisim10中沒有這兩種芯片，所以在此不提供電路。3.1.4 低通濾波器子系統(tǒng)電路原理圖截止頻率100KHz的低通濾波器如圖6所示。截止頻率200KHz的低通濾波器如圖7所示。截止頻率500KHz的低通濾波器如圖8所示。圖6 低通濾波器子系統(tǒng)原理圖（截止頻率100KHz）圖7 低通濾波器子系統(tǒng)原理圖（截止頻率200KHz）圖8 低通濾波器子系統(tǒng)原理圖（截止頻率500KHz）3.1.5曼徹斯特編碼與解碼電路原理圖曼徹斯特編碼電路原理圖如圖9所示，曼徹斯特解碼電路原理圖如圖10所示。圖9 曼徹斯特編碼電路

11、原理圖圖10 曼徹斯特解碼電路原理圖4.系統(tǒng)軟件設計4.1系統(tǒng)理論分析與計算4.1.1 m序列的生成算法分析 m序列可通過線性反饋移位寄存器得到，設移位寄存器結構如圖1所示。圖1 移位寄存器結構在圖1中，L, ，為級寄存器的狀態(tài)（為0或1），反饋的連接狀態(tài)由開關c1表示，表示反饋斷開，表示反饋接通，且。寄存器的每一級輸出經反饋后作為最高位的輸入。反饋移位寄存器的序列多項式為: , 是二元素域，而特征多項式：，是反饋系數。 由于時鐘頻率的不同， 數字信號為 的m序列可以由兩片移位寄存器74LS164和異或門CD4070實現。偽隨機信號V3為 的m序列可以由兩片移位寄存器74HC595和異或門74

12、HC86實現。數字信號V1的時鐘信號 可以由555電路產生，通過更改電阻網絡的阻值，可以實現頻率步進可調。偽隨機信號V3的時鐘頻率可以由20MHz的有源晶振提供。4.1.2 低通濾波器算法分析低通濾波器是用來通過低頻信號衰減或抑制高頻信號。二階低通濾波器的通帶增益為： ,截止頻率為：它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。品質因數為： ,它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。二階低通濾波器性能參數表達式為,Q=0.707,，。4.1.3時鐘電路電阻網絡阻值的計算1）計算公式555電路輸出矩形脈沖的周期，選取合適的，。根據頻率范圍及步進值可以選出合適的電阻網絡。2） R2的理論阻值

13、根據相關公式，理論阻值如表1所示。表1 理論阻值 555時鐘電路1555時鐘電路2 R1=200 C=75PF R1=510 C=331PF200kHz180kHz160kHz140kHz120kHz100kHz80kHz60kHz40kHz20kHz47.5k52.8k59.4k67.9k79.3k95.1k26.7k35.7k53.7k108k4.1.4 顯示模塊的理論分析本系統(tǒng)采用ARM CORTEX-M3控制的TFT觸摸屏顯示。（因系統(tǒng)沒有必要加入觸摸，故只使用了顯示功能，加大了系統(tǒng)的使用效率）。因為節(jié)省了主控芯片的IO資源，在不降低屏幕的顯示速度的同時加入了8-16位顯示加觸摸控制電

14、路（位于液晶屏的下面）。系統(tǒng)可以自適應輸入信號的頻率，從而產生一個穩(wěn)定的同步時鐘，產生穩(wěn)定的眼圖。采樣40個信號，根據同步時鐘疊加到同一個地方，既可以看到明顯的眼圖形狀。4.1.5 數字信號分析模塊原理分析本模塊將經過低通濾波器、噪聲源等干擾后的信號無失真的還原為原始的碼元信息。在噪聲小于2VPP時候，誤碼率為0。本模塊的核心是一個高速電壓比較器AD8561，根據手動設置好的判決電壓和測量得出的同步時鐘，可以將信號轉為完美的數字信號。本模塊本來應該在比較器前段加入一個低通濾波器以濾去高頻噪聲，但是此濾波器的截止頻率等參數非常難以調節(jié)，我們并沒有加入該模塊。但是在高速電壓比較器時采用了嚴格的判決

15、電壓控制，所以不超過2Vpp的噪聲信號不會對信號的提取產生任何干擾。同步時鐘的提取是采用了AD8561產生的無損碼元信息，在脈寬檢測后，取出256個脈寬的最小值，轉換為頻率即為同步時鐘。然后經過主控芯片的PWM調制，輸出同步時鐘從而在液晶屏和示波器上面同時產生眼圖信息。4.2程序功能描述與設計思路1) 程序功能描述根據題目要求軟件部分主要實現鍵盤的設置和顯示。a、利用AD轉換提取加法器的輸出波形。b、利用液晶屏顯示出眼圖信息。2）計算出數字信息的同步時鐘并輸出。本程序以AD轉換為核心（采用ADS805AD轉換芯片），以脈寬檢測為同步信息，以液晶顯示為輸出信息，完整再現了一個經過干擾、低通、噪聲

16、等破壞后的信號產生的眼圖信息，并輸出此信號的眼幅度、同步時鐘頻率等信息。4.3程序流程圖1）主程序流程圖如圖11所示。圖11 主程序流程圖2）測量時鐘頻率子程序流程圖如圖12所示。圖12 測量時鐘頻率子程序流程圖3）波形采集子程序流程圖如圖13所示。圖13 波形采集子程序流程圖4.4部分源程序#include <stdio.h>#include <stdint.h>#include "LPC17xx.h"#include "ili_lcd_general.h"extern void lcd_clear(unsigned short

17、 Color);#include "adc.h"#include "adc9850.h"#include "timer.h"#include "lcd_api.h"#include "pwm.h"extern void touch_show(void);#ifdef _GNUC_/* With GCC/RAISONANCE, small printf (option LD Linker->Libraries->Small printf set to 'Yes') ca

18、lls _io_putchar() */#define PUTCHAR_PROTOTYPE int _io_putchar(int ch)#else#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)#endif /* _GNUC_ */mcp41010 spi¶¨Òå#define cs_up LPC_GPIO1->FIOPIN |= (1<<23)#define cs_down LPC_GPIO1->FIOPIN &= (1<<23)#define sck

19、_up LPC_GPIO1->FIOPIN |= (1<<24)#define sck_down LPC_GPIO1->FIOPIN &= (1<<24)#define si_up LPC_GPIO1->FIOPIN |= (1<<25)#define si_down LPC_GPIO1->FIOPIN &= (1<<25)unsigned int swap=0, first=0, i=0, min=0, second=0, j=0, swh=0, flag=0;unsigned int x=0, y=0;

20、unsigned int data_n10;void delay_time(void) volatile unsigned long dl; for(dl=0; dl<1000000; dl+);void delay_led (uint32_t Time) uint32_t i; i = 0; while (Time-) for (i = 0; i < 5000; i+); /mcp41010 ·¢ËÍÊý¾Ývoid spi_send(unsigned char command, unsigned c

21、har data)unsigned char b=0;cs_down;for(b=0; b<8; b+)sck_down;if(command<<b)&0x80)si_up;elsesi_down;delay_led(1);sck_up;for(b=0; b<8; b+)sck_down;if(data<<b)&0x80)si_up;elsesi_down;delay_led(1);sck_up;cs_up;void mcp41010_Config(void) LPC_GPIO1->FIODIR = 0x07000000; /* LED

22、s PORT2 are Output */void draw_line(unsigned int x0, unsigned int y0,unsigned int x1, unsigned int y1)unsigned int x_swap=0, y_swap=0, x_flag=0,symbol=0;if(y0>100+y1)return;if(y1>100+y0)return;if(y0>y1)symbol=1;y_swap=y0-y1;elsesymbol=0;y_swap=y1-y0;if(symbol=1)for(x_swap=0; x_swap<y_swa

23、p; x_swap+)if(x_swap=y_swap/2)x_flag=1;lcd_SetCursor(x0+x_flag,y0-x_swap); rw_data_prepare();write_data(Red);if(symbol=0)for(x_swap=0; x_swap<y_swap; x_swap+)if(x_swap=y_swap/2)x_flag=1;lcd_SetCursor(x0+x_flag,y0+x_swap); rw_data_prepare();write_data(Red);void int_enable(void) LPC_GPIO2->FIODI

24、R &= (1 << 10); /* PORT2.10 defined as input */ LPC_GPIOINT->IO2IntEnF |= (1 << 10); /* enable falling edge irq */ NVIC_EnableIRQ(EINT3_IRQn); /* enable irq in nvic */void int_disable(void) LPC_GPIOINT->IO2IntEnF &= (1 << 10); /* enable falling edge irq */ NVIC_Disabl

25、eIRQ(EINT3_IRQn); /* enable irq in nvic */void ADS805_Config(void) LPC_GPIO0->FIODIR &= (0x3f << 0);LPC_GPIO1->FIODIR &= 0xfc000; LPC_GPIO2->FIODIR |= 0x100;/* * brief Function that initializes Button INT0 */void EINT3_IRQHandler()LPC_GPIOINT->IO2IntClr |= (1 << 10);

26、/* clear pending interrupt */if(i<2)if(x=0)first=LPC_TIM1->TC;x+;goto exit;if(y=0)if(flag=0)LPC_GPIO2->FIOPIN &= 0x100;for(j=0; j<200; j+)5.系統(tǒng)創(chuàng)新 本系統(tǒng)采用了最新的手持式設備，將以往不容易觀測到的數字信號傳輸性能轉換為直觀的眼圖來觀測，完全改變了以往通信工程師的工作方式。另外，本系統(tǒng)可以自己發(fā)生信號，檢測信號，從而診斷誤碼率。最后，本系統(tǒng)跟隨綠色環(huán)保的原則，所有芯片均采用數字芯片，大大降低了系統(tǒng)成本。6.測試方案與測試結

27、果6.1測試方案 首先進行硬件測試。利用示波器檢測m序列，并檢測其偽隨機性。利用信號發(fā)生器和示波器（或者掃頻儀）檢測低通濾波器的波特性。利用示波器檢測原始序列和輸出的還原序列，檢測其誤碼率。利用示波器檢測同步時鐘和信號的波形，從而產生眼圖。然后進行硬件軟件聯(lián)調。將主控芯片和AD部分加入系統(tǒng)，檢測液晶屏上眼圖的波形、眼幅度、同步時鐘速度等信息，并和示波器進行對比。6.2測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：模擬信號源、數字示波器，數字萬用表。6.3 測試結果及分析6.3.1部分測試結果(數據)1）m序列的測試結果如表2所示。特征方程：f(x)=1+X2+X3+X4+X8 碼元速率：100Kbps。 表2 m序列的測試結果輸出邏輯序列100110100110100011101001001011012）低通濾波器的測試結果a、Vpp=5V，截止頻率K，測試結果如表3所示。表3 Vpp=5V，截止頻率K時的測試結果F(Hz)10k20k30k40k50k60k70k8