基于FPGA的數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

樊汝森，王 勇，裴秀高，張 源，宋 辰，劉 丹

(1.上海電力學(xué)院，上海 200090;2.山東萊蕪供電公司，山東萊蕪 271100;3.青島大學(xué)，山東青島 266071)

隨著曼徹斯特編碼和m序列在通信、以太網(wǎng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，作為一種數(shù)據(jù)傳輸通道性能檢測(cè)的設(shè)備，數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的安裝與調(diào)試及日后系統(tǒng)的維護(hù)中起著越來(lái)越重要的作用.通過(guò)觀察眼圖，可以得到信號(hào)的畸變范圍、噪音的容限，以及門限電平和定時(shí)誤差靈敏度等有效信息，以此可以定性反映碼間干擾的大小和噪音的強(qiáng)弱，因此可通過(guò)觀察眼圖來(lái)分析信道傳輸性能.

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)基于反镕絲技術(shù)或SRAM 技術(shù)，具有良好的抗干擾性能，其并行運(yùn)算處理速度快，因此FPGA的數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向.

為了擴(kuò)寬信號(hào)分析帶寬，特別是低頻信號(hào)的分析帶寬，提高眼圖顯示的穩(wěn)定性、測(cè)試精度，以及系統(tǒng)的抗干擾性能，降低系統(tǒng)功耗，節(jié)約能源，本文提出了一種基于FPGA的新穎設(shè)計(jì)方法.該方法以FPGA為系統(tǒng)控制核心，采用改進(jìn)型計(jì)數(shù)方式控制曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)率，在采集信號(hào)后先進(jìn)行數(shù)字濾波，再進(jìn)行信號(hào)分析，達(dá)到實(shí)時(shí)刷新提取同步時(shí)鐘信號(hào)的目的，這不僅大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜的外部硬件電路，而且極大地提高了眼圖顯示的穩(wěn)定性和信道性能測(cè)試的精確性.

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.系統(tǒng)主要由5個(gè)模塊構(gòu)成，即:PS2控制輸入模塊;曼徹斯特編碼發(fā)生模塊;m序列發(fā)生模塊;數(shù)字信號(hào)分析模塊;眼圖顯示模塊.系統(tǒng)采用PS2鍵盤輸入曼徹斯特編碼(用來(lái)模擬傳輸信號(hào))的時(shí)鐘頻率，F(xiàn)PGA接受控制信號(hào)后產(chǎn)生m序列并采用曼徹斯特編碼，在數(shù)據(jù)率為10～1×106b/s時(shí)連續(xù)可調(diào)，然后將信號(hào)送入低通濾波器(用來(lái)模擬信道數(shù)字信號(hào)傳輸特性).濾波器輸出的信號(hào)與隔直的數(shù)據(jù)率10 Mb/s高頻m序列(用來(lái)模擬信道噪音)相疊加，F(xiàn)PGA控制高速AD進(jìn)行信號(hào)采樣后經(jīng)數(shù)字信號(hào)分析模塊提取曼徹斯特編碼同步時(shí)鐘頻率，利用所提取的同步時(shí)鐘頻率進(jìn)行同步，采用示波器顯示信號(hào)眼圖.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

為了便于系統(tǒng)測(cè)試，故設(shè)計(jì)低通濾波器來(lái)模擬信道數(shù)字信號(hào)的傳輸特性，采用硬件電阻分壓來(lái)調(diào)整信道噪音大小.

系統(tǒng)采用截止頻率分別為100 kHz，200 kHz，500 kHz的有源低通濾波器，且每個(gè)濾波器帶外衰減不少于50 dB/10倍頻程，采用4階無(wú)限增益多路反饋濾波電路，其中截止頻率為100 kHz的濾波電路如圖2所示.

圖2 截至頻率100 kHz的濾波電路

信道噪音大小可通過(guò)硬件電阻分壓的方法來(lái)調(diào)整m序列發(fā)生器輸出信號(hào)的幅值實(shí)現(xiàn).調(diào)整后的m序列輸出端信號(hào)經(jīng)隔直電容疊加到低通濾波器輸出端，疊加后的信號(hào)作為數(shù)字信號(hào)分析電路的輸入信號(hào).

3 數(shù)字信號(hào)發(fā)生模塊

數(shù)字信號(hào)發(fā)生模塊包括PS2控制輸入模塊、m序列發(fā)生模塊和曼徹斯特編碼發(fā)生模塊.系統(tǒng)采用高頻m序列來(lái)模擬信道噪音，系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)m序列采用曼徹斯特編碼，曼徹斯特編碼的時(shí)鐘頻率采用PS2鍵盤輸入，數(shù)據(jù)率的控制采用改進(jìn)型計(jì)數(shù)方式.

3.1 m序列的產(chǎn)生

由于FPGA內(nèi)部采用門陣列結(jié)構(gòu)，能夠很方便地產(chǎn)生m序列和曼徹斯特編碼，系統(tǒng)采用12級(jí)m序列:

來(lái)模擬信道噪音，其中:

其12級(jí)m序列線性反饋移位寄存器結(jié)構(gòu)如圖 3 所示［1］.

圖3 12級(jí)m序列線性反饋移位寄存器結(jié)構(gòu)示意

其線性移位寄存器可表示為:

其反饋函數(shù)方程為:

3.2 曼徹斯特編碼的產(chǎn)生

數(shù)字信號(hào)發(fā)生器為:

其m序列采用曼徹斯特編碼輸出.在曼徹斯特編碼過(guò)程中，每一位的中間有一個(gè)上升沿或下降沿的跳變.此跳變既可作時(shí)鐘信號(hào)，又可作數(shù)據(jù)信號(hào)，上升沿表示“0”，下降沿表示“1”，可有效防止同步時(shí)鐘信號(hào)的丟失［2，3］.

3.3 數(shù)字時(shí)鐘的產(chǎn)生

FPGA產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率普遍采取計(jì)數(shù)比較方式，這種方式存在缺陷，只能生成指定周期整數(shù)倍的時(shí)鐘頻率，不能完全隨機(jī)指定頻率.本系統(tǒng)采用了改進(jìn)方案，即采用定點(diǎn)小數(shù)對(duì)比累加方式進(jìn)行時(shí)鐘生成，用此種方式生成的時(shí)鐘可以保證在一段時(shí)間(取決于定點(diǎn)小數(shù)的位數(shù)，在此為65 536個(gè)生成時(shí)鐘周期)的統(tǒng)計(jì)特性上達(dá)到小數(shù)位數(shù)最小步進(jìn)值乘以生成周期的精度.雖然無(wú)法保證每個(gè)周期長(zhǎng)度都完全相等(誤差在正負(fù)1個(gè)主時(shí)鐘周期——在此為100 ns以內(nèi))，但只要生成時(shí)鐘的周期遠(yuǎn)大于這個(gè)值，即可忽略其左右的偏移.數(shù)字信號(hào)發(fā)生模塊流程如圖4所示.

圖4 數(shù)字信號(hào)發(fā)生模塊流程示意

4 數(shù)字信號(hào)分析模塊

4.1 數(shù)字濾波處理

系統(tǒng)采用美國(guó)德州儀器的8位半閃速結(jié)構(gòu)的高阻抗并行AD轉(zhuǎn)換器TLC5510，將疊加后的信號(hào)采集到FPGA系統(tǒng).由于采集到的信號(hào)噪音太大，須先進(jìn)行數(shù)字濾波處理才可進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)分析［4］.

經(jīng)Modelsim仿真后，數(shù)字濾波處理仿真如圖5所示.

圖5中，Source為低通濾波器輸出信號(hào);Niose為生成的模擬隨機(jī)噪音，幅值約為滿值的50%;AD_data為疊加噪音后的AD采集信號(hào);Smooth為濾波處理后的波形，有些尖脈沖來(lái)自于后仿真ps級(jí)的跳變不同步信號(hào);Data_out為經(jīng)寄存器后得到的反向有效輸出信號(hào).

圖5 平滑數(shù)字濾波處理仿真

4.2 提取曼徹斯特編碼同步時(shí)鐘

通過(guò)FPGA檢測(cè)曼徹斯特編碼上升沿和下降沿的間隔時(shí)間，可以得到曼徹斯特編碼的時(shí)鐘周期.提取曼徹斯特編碼同步時(shí)鐘的流程見(jiàn)圖6.

圖6 提取曼徹斯特編碼同步時(shí)鐘的流程

為了滿足時(shí)鐘的統(tǒng)計(jì)特性，需要對(duì)多次采集的結(jié)果取平均值，曼徹斯特編碼上升沿和下降沿間隔時(shí)間只有1倍周期和1/2倍周期兩種情況，每次上升沿和下降沿的時(shí)間間隔與現(xiàn)有的生成時(shí)鐘計(jì)數(shù)進(jìn)行比較判斷，確定是否滿足上述兩種情況.若滿足，則將當(dāng)前計(jì)數(shù)放入求平均的寄存器入口，否則更新求平均的所有寄存器的值為當(dāng)前測(cè)量值.

最終利用曼徹斯特編碼的跳變沿對(duì)生成的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新，以達(dá)到同步的效果.

5 系統(tǒng)性能測(cè)試

5.1 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器為數(shù)字存儲(chǔ)式示波器，采用數(shù)控式線性直流穩(wěn)壓電源.

5.2 曼徹斯特編碼時(shí)鐘頻率測(cè)試

首先使用PS2鍵盤預(yù)設(shè)曼徹斯特編碼時(shí)鐘頻率，然后將FPGA提取到的曼徹斯特編碼同步時(shí)鐘信號(hào)輸入示波器任意通道，使用示波器觀察提取的同步時(shí)鐘頻率，見(jiàn)表1.

表1 曼徹斯特編碼時(shí)鐘頻率測(cè)試記錄 kHz

測(cè)試表明，系統(tǒng)可以從10～1×106Hz的任一整數(shù)數(shù)值預(yù)設(shè)曼徹斯特編碼時(shí)鐘頻率，并且數(shù)字分析電路能夠提取曼徹斯特編碼同步時(shí)鐘頻率.經(jīng)計(jì)算，預(yù)設(shè)與提取時(shí)鐘頻率的誤差小于0.3%.

5.3 眼圖顯示測(cè)試

眼圖采用示波器顯示，將提取到的同步時(shí)鐘信號(hào)輸入示波器的外部觸發(fā)端，將疊加有噪音的曼徹斯特編碼信號(hào)輸入示波器任一通道，即可在示波器上生成正確眼圖.當(dāng)噪音較小時(shí)，眼圖顯示見(jiàn)圖7，當(dāng)噪音較大時(shí)，眼圖顯示見(jiàn)圖8.

圖7 噪音較小時(shí)的眼圖顯示

當(dāng)存在噪音時(shí)，眼圖的線跡變成較為模糊的帶狀線.噪音越大，線條越寬，越模糊，“眼睛”張開(kāi)得越小.其最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)是“眼睛”張開(kāi)最大的時(shí)刻;眼圖斜邊的斜率決定了系統(tǒng)對(duì)抽樣定時(shí)誤差的靈敏程度，斜率越大，定時(shí)誤差越靈敏;模糊帶狀垂直高度表示信號(hào)的畸變范圍;中央的橫軸位置對(duì)應(yīng)于判決門限電平;抽樣時(shí)刻的上下兩陰影區(qū)的間隔距離一半為噪音容限，噪音瞬時(shí)值超過(guò)它就可能發(fā)生錯(cuò)誤判斷［5］.

圖8 噪音較大時(shí)的眼圖顯示

經(jīng)測(cè)試，數(shù)字分析電路提取的同步時(shí)鐘信號(hào)能夠觸發(fā)疊加噪音的曼徹斯特編碼，并能在示波器上準(zhǔn)確顯示眼圖.當(dāng)噪音峰峰值提高時(shí)，仍然能較好地在示波器上顯示眼圖，噪音峰峰值最大為2 Vpp.

6 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)整體性能良好.曼切斯特編碼數(shù)據(jù)率可以實(shí)現(xiàn)從10～1×106b/s連續(xù)可調(diào)，當(dāng)噪音峰峰值為2 Vpp時(shí)，仍可以正確提取同步時(shí)鐘信號(hào)，并能滿足大部分用戶的使用.但系統(tǒng)在提取同步時(shí)鐘信號(hào)時(shí)仍存在不足，需要進(jìn)一步改善.

［1］ 樊昌信，曹麗娜.通信原理(第6版)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006:379-390.

［2］ 付林，任志平，劉承杰.基于FPGA技術(shù)的曼徹斯特編碼器設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(17):55-56.

［3］ 晏磊.基于FPGA曼徹斯特碼數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(2):169-170.

［4］ 鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理.信號(hào)與系統(tǒng):下冊(cè)(第3版)［M］.北京:高等教育出版社，2011:209-237.

［5］ 樊昌信，張甫翊，徐炳祥，等.通信原理(第5版)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版，2001:115-116.