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）
摘要：本设计由电源模块、控制模块、m序列码模块、时钟产生模块、低通滤波模块、数字信号分析模块组成。用线性移存器芯片74LS164产生的周期p=255的8位m序列码作为数字基带信号，以74LS164产生的周期p=4095的12位m序列码来模拟信道噪声，将经由低通滤波器的基带信号和噪声相加后的信号送入数字信号分析模块，将其输出的信号作为模拟示波器的Y轴，将提取的与基带信号同步的时钟信号（锯齿波）作为模拟示波器的X轴，从而可以在模拟示波器上看到眼图，通过观察眼图来测试数字信号的传输性能。
关键词：m序列码，线性移存器，低通滤波，眼图
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1系统方案
本设计由电源模块、控制模块、时钟产生模块、m序列码模块、低通滤波模块、数字信号分析模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
10MHz时钟产生模块m序列发生模块（2）：P=4095的12位m序列模拟噪声模块V30.1uFm序列发生模块（1）：V1P=255的8位m序列基带产生模块V1-clock(10-100kHz)DDS模块低通滤波V2（LPF）器模块V2aV4(Y轴)数字信号V4-syn（X轴）分析电路V1-clock电源模块（给各芯片提供直流稳压电源）MCU控制模块
图1 系统总框图
1.1 时钟产生模块的论证与选择
题目要求基带信号产生10~100kbps、按10kbps步进可调的时钟；对于用m序列模拟的信道噪声，要求产生10Mbps的时钟。
对于基带时钟信号的产生，可选方案如下：
方案一：选择使用单片机的定时功能来产生相应的时钟，但由于所使用STC12C5A60S2本身精度的限制，难以满足题目所要求的1%的要求。
方案二：选择使用555产生，价格便宜，但精度不够。
方案三：使用DDS芯片AD9850产生，通过改变可程控频率字FTW，从而满足可编程控制的基带时钟要求，并且由于AD9850的FTW是32位的，完全满足数据率误差不大于1%的要求（经计算，10位的FTW已经能满足误差要求）。
综上所述，基带时钟的产生选用AD9850来实现。
对于周期为4095的m序列噪声时钟的产生，可选方案如下：
方案一：由于74LS164是上升沿触发，可以采用10MHz有源晶振，外接非门整形来获取所需要时钟。
方案二：使用无源晶振，外接RC振荡电路和非门整形，来获取所需要的时钟。
方案三：使用STC12C5A60S2的ALE产生的2M的方波来进行5倍PLL倍频获得。
方案四：可以采用DDS来实现10MHz的方波输出，但DDS输出的方波效果不够好，则需要使用高速比较器，这样整体成本很高。
综上所述，方案三和四不如方案一和二简单。而方案二的外围电路不如方案一简单可靠，所以采用方案一来产生信道噪声的时钟信号。
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1.2 m序列码模块的论证与选择
方案一：由DSP、MCU或FPGA产生。其中DSP和FPGA相对性价比较低；MCU产生m序列是一种相对廉价的方法，但不符合题目要求，且占用一定的I/O口，所以不建议采用此种方案。
方案二：由74LS194、74LS164等传统的线性移位寄存器芯片加上外围电路产生。这些芯片价格低廉，性能稳定，完全可以满足题目要求。结合题目要求，产生8位m序列可以用2片74LS194完成，也可以用1片74LS164完成。从简化系统电路连接来看，使用1片74LS164更为简洁，可以采用74LS164来产生8位m序列码，形成基带信号；对于12位的m序列则用2片74LS164的级联来实现。所以选择方案二。
1.3 低通滤波模块的论证与选择
方案一：选择无源滤波，无源滤波采用分列元件构成滤波网络，运行稳定，成本低，技术成熟。本设计采用的即本方案，先采用Filter Solution或Filter Pro和Multisim相结合进行仿真，再进行实物制作测试，将搭载的电路用扫频仪进行扫描，并进行电路结构的调整，直到达到题目要求，进行最终电路的焊接。系统最终所用LPF无源电路为5阶巴特沃斯低通滤波器。
方案二：选择有源滤波，有源滤波的特点是重量轻、体积小、高Q值、相对价格较高、带宽相对不如无源滤波网络。根据题目要求，若要实现高于40dB/十倍频程，至少需要3阶有源运放，电路结构相对不如无源滤波简单，并且无论有源还是无源，实现出来的特性是一致的，主要还是一个制作问题。
综上所述，采用的是方案一，在制作过程中，进行了大量的反复调试工作，从而来满足题目要求。在滤波之后，根据题目要求对信号进行放大，使滤波模块总的增益为0.2～4.0之间变换。此处增益的计算与调试需要借助于扫频仪实测的结果。
2系统理论分析与计算
2.1 m序列的产生
显然，题目所给的特征多项式为本原多项式，它是可以产生m序列的。根据基带信号对应的本原多项式，不难得到其对应的线性反馈移位寄存器的结构如下所示：
a7a6a5a4a3a2a1a0
图2 基于8位、周期为255的m序列的基带信号产生模块示意图
同理，可以得到用来模拟信道噪声的m序列，其对应的线性反馈移位寄存器的结构如下所示：
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a11a10a9a8a7a6a5a4a3a2a1a0图3 基于12位、周期为4095的m序列的模拟噪声信号产生模块示意图
实际电路中，均采用了线性反馈移存器芯片74LS164作为产生m序列的主要芯片。
2.2 低通滤波器的设计
本设计先采用Filter Solution或Filter Pro和Multisim相结合进行仿真，再进行实物制作测试，将搭载的电路用扫频仪进行扫描，并进行电路结构的调整，直到达到题目要求，进行最终电路的焊接。经过反复的实验调试，系统最终所用LPF无源电路为5阶巴特沃斯低通滤波器。
专用滤波器设计软件的出现大大提高了滤波器的设计效率，减少了开发时间。而多种滤波器仿真软件的相互结合，以及大量的实验调试保证了滤波器的设计精度。通过滤波器的实际制作，深深感到滤波器的设计是制作问题。
2.3 眼图显示方法
眼图的显示方法是这样实现的：将经由低通滤波器的基带信号和信道模拟噪声相加后的信号作为模拟示波器的Y轴，将提取的与基带信号同步的时钟信号所对应的锯齿波作为模拟示波器的X轴，从而可以在模拟示波器上看到眼图，最终通过观察眼图来测试数字信号的传输性能。
输入到X轴的锯齿波的周期Tjc为一个基带码元的宽度Tpw。如果Tjc是Tpw的N倍，则可以看到在模拟示波器上有N个“眼”。
2.4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或者?12V，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系统软件部分
3.1程序功能描述
本设计的软件部分主要包括键盘模块、显示模块、DDS控制模块。 1）键盘实现功能：基带波特率的步进控制功能，包括加和减两种，可实现10kbps的步进。
2）显示部分：使用LCD12864，显示了本次大赛的题目以及当前的基带波特率的数值。
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3）DDS控制模块：由MCU软件控制DDS，产生了基带所需要的时钟信号。
3.2程序流程图
本设计的主程序流程图如下图4所示：
开始初始化（初始化AD9850；初始化LCD12864；初始化键盘）NO键盘扫描（按下否）按键“1”键盘处理子程序按键“2”基带波特率步进增加10kbps基带波特率步进减少10kbps产生基带时钟结束
图4 主程序流程图
4测试方案与测试结果
测试方案：按照2.3所述的眼图显示方案来进行测试，此处不再赘述。 测试条件：检查多次，系统方案图必须完全正确，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试所用到的仪器：数字信号发生器，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，扫频仪。
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（a）fo=100kHz （b）fo=200kHz （c）fo=500kHz 图5 眼图结果:(a)~(c)分别为低通滤波器的不同截止频率fo所对应的眼图
结果分析：由图可见，所得眼图基本符合条件。通过眼图可以看到100kHz时的眼图相对稳定，这说明低通截止频率越低，越能滤更好的除掉高频噪声，得到的眼图张开的越大，眼线也比较少。而当截止频率较高时，情况则会恶化。综上所述，本设计基本达到设计要求。
5总结
电子设计大赛就要结束了，我们三个队员经过努力，终于完成了作品的设计与制作，这期间经历了很多的艰辛与迷茫，因为在选题之前，我们从来都没有做过这方面的设计。
原来在课堂上只是从理论上知道m序列及其应用场合，从未真正实践过去搭一个m序列发生电路。通过这次设计竞赛，加深了对理论知识的认识，明白了眼图在评估信道传输特性和码间串扰中的重要性，知道了基带进行编码的重要性，大赛当中综合运用了模电、数电、单片机、通信原理等课程知识，全方位融合了自己所学到的知识。大赛培养了我们的团队协作能力，也让我们学到更多做人的道理，各种收获终生难忘。
电路进行调试的整个过程中，我们遇到了很多的问题，但是都被我们一个个的解决了，让我们产生了“柳暗花明又一村”的感觉，有些时候，遇到了问题，不要太局限于电路的局部，这样反而会阻碍你发现问题，而要用系统的眼光去看待问题，综合考虑各方面的因素。这期间学会的调试电路与作科研时的那种方法和态度是课堂上学习不到的。我们三个队员感谢学校给了一次锻炼的机会。
6参考文献
（1）全国大学生电子设计竞赛组委会，全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 （2005），北京：北京理工大学出版社，2007年2月。
（2）王为青，单片机Keil CX51应用开发技术，人民邮电出版社，2007年2月。 （3）康华光，电子技术基础--数字部分（第五版），高等教育出版社，2005年。 （4）康华光，电子技术基础--模拟部分（第五版），高等教育出版社，2005年。 （5）樊昌信，通信原理（第6版），国防工业出版社，2007年。
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