眼圖課程設計報告---數字基帶傳輸系統(tǒng)眼圖的產生與分析

1、<p>　　課 程 設 計 報 告</p><p>　　題 目： 數字基帶傳輸系統(tǒng)眼圖的產生與分析 </p><p>　　系 別： 電子信息與電氣工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 通信工程 </p><p>　　班 級：

2、 </p><p><b>　　學 號： </b></p><p>　　姓 名： </p><p>　　導 師： </p><p>　　2012年12 月6日</p><p><b>　　目 錄&l

3、t;/b></p><p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　1課題意義1</b></p><p><b>　　2系統(tǒng)框圖1</b></p><p>　　2.1一般的系統(tǒng)組成1</p><p>　　2.2本文所用的系統(tǒng)框圖

4、1</p><p>　　3模塊設計及其實現2</p><p><b>　　3.1輸入模塊2</b></p><p>　　3.1.1數字基帶信號的選擇2</p><p>　　3.1.2 m序列的概念2</p><p>　　3.1.3 m序列的用途2</p><p>

5、;　　3.1.4 m序列產生原理2</p><p>　　3.1.5方案選擇2</p><p>　　3.1.6設計實現3</p><p><b>　　3.2傳輸模塊3</b></p><p>　　3.2.1傳輸系統(tǒng)選擇4</p><p>　　3.2.2傳輸系統(tǒng)的設計4</p>

6、<p>　　3.2.3傳輸系統(tǒng)的實現5</p><p><b>　　3.3接收模塊6</b></p><p>　　3.3.1示波器原理6</p><p>　　3.3.2眼圖的產生原理6</p><p>　　3.3.3眼圖與系統(tǒng)性能的關系6</p><p><b>

7、　　4性能分析7</b></p><p>　　4.1數字基帶信號波形7</p><p>　　4.2未經傳輸的源信號眼圖8</p><p>　　4.3帶基帶傳輸模塊8</p><p><b>　　5總結11</b></p><p><b>　　參考文獻13</

8、b></p><p>　　附錄：系統(tǒng)電路圖14</p><p>　　數字基帶傳輸系統(tǒng)性能測試與分析 </p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　本文以移位寄存器為核心，設計了一個用于分析系統(tǒng)傳輸性能好壞的電路系統(tǒng)。它由數字信號發(fā)生器、偽隨機信號發(fā)生器、模擬低通濾波器以及示波器組成。數字信號和

9、偽隨機序列由移位寄存器產生，低通濾波器模擬傳輸信道。經測試它能夠反映出傳輸系統(tǒng)性能的好壞。</p><p>　　關鍵字：m序列 加法器 濾波器 基帶傳輸 眼圖 系統(tǒng)性能 </p><p><b>　　1課題意義</b></p><p>　　對于一個信號傳輸系統(tǒng)而言，最大的指標就是使信號能夠無失真的傳送到接收端，然而這是不可能做到的

10、，信號在傳輸中必然存在失真，只有通過改良系統(tǒng)使失真達到可以接受的范圍內才能用來傳輸信號，所以就必須有一個有效的的方法來判斷傳輸系統(tǒng)的好壞。通過本課題中產生的眼圖來判斷傳輸系統(tǒng)的好壞是一個有效的方法。通過看到的眼圖實際情況，可以了解傳輸系統(tǒng)的性能好壞，從而幫助設計人員設計出符合要求的傳輸系統(tǒng)。</p><p><b>　　2設計思路</b></p><p>　　為了實現

11、本次設計目標，本文使用一噪聲信號疊加到一有用信號上，產生一新的信號，再讓這一信號通過濾波器觀察得到的眼圖來判斷這個系統(tǒng)的性能好壞。該有用信號和噪聲信號均用m序列實現。</p><p><b>　　2系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　2.1一般的系統(tǒng)組成</p><p>　　圖1 一般系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　

12、2.2本文所用的系統(tǒng)框圖</p><p>　　為了方便設計，本文中省去發(fā)送端和接收端濾波電路。</p><p>　　圖2 簡化后系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　3模塊設計及其實現</b></p><p><b>　　3.1輸入模塊</b></p><p>　　3.1.

13、1輸入信號的選擇</p><p>　　本次設計的輸入信號為兩個m序列疊加后的信號，故應該先產生兩個m序列，送入加法器進行疊加來產生輸入信號。</p><p>　　3.1.2 m序列的概念</p><p>　　M序列（即De Bruijn序列）又叫做偽隨機序列、偽噪聲(PN)碼或偽隨機碼?？梢灶A先確定并且可以重復實現的序列稱為確定序列；既不能預先確定又不能重復實現的序

14、列稱隨機序列；不能預先確定但可以重復產生的序列稱偽隨機序列。</p><p>　　3.1.3 m序列的用途</p><p>　　碼分多址系統(tǒng)主要采用兩種長度的m序列：一種是周期為P=215-1的m序列，又稱為短PN序列；另一種是周期為P=242-1的m序列，又稱為長PN序列. 誤碼率測量中的隨機信號源，仿真技術中的偽隨機序列發(fā)生器。數據加擾，保密通信領域。</p><p

15、>　　3.1.4 m序列產生原理</p><p>　　m序列是由帶線性反饋的移位寄存器產生的序列且具有最長周期，帶線性反饋的移位寄存器初始狀態(tài)設定后，在時鐘觸發(fā)下，每次一位后各級寄存器狀態(tài)都會發(fā)生變化，其中任意一級寄存器的輸出，隨著時鐘節(jié)拍的推移都會產生一個序列，該序列稱為移位寄存器序列既m序列。其特點是序列具有隨即信號的特點且它具有最長周期的特點，假設四級移位寄存器其產生的序列周期為16-1=15位。&l

16、t;/p><p><b>　　3.1.5方案選擇</b></p><p>　　方案一：本方案采用74LS164移位寄存器級連成N級移位寄存器，產生兩路m序列送入加法器，產生輸入信號。用通用數字器件構成的特點是速度可以很快，但硬件電路不便于修改，只能產生單一N級的M序列偽隨機信號。</p><p>　　方案二：本方案采用單片機軟件構成的方式產生兩路M

17、序列偽隨機信號。送入加法器，產生輸入信號。軟件構成的特點是采用靈活的數據查詢方式，可以獲得任意級數N的本原多項式系數，從而實現m序列的產生，但速度受到單片機工作速度的限制。</p><p>　　方案三：此方案采用FPGA產生兩路M序列偽隨機信號，送入加法器產生輸入信號。FPGA具有豐富的I/O口、內部邏輯線和連線資源，運行速度快。該方案使用FPGA產生信號，因而即具有硬件電路的各項優(yōu)點，又具有設計上的靈活性——可

18、獲得任意級數n的M序列本原多項式系數，級數切換速度快。</p><p>　　對于本次設計，考慮綜合因素，采用方案一，通過移位寄存器74LS164N芯片和若干異或門以及若干電阻、運算放大器實現。</p><p><b>　　3.1.6設計實現</b></p><p><b>　　1、15位m序列</b></p>

19、<p>　　圖3 15位m序列產生電路 </p><p><b>　　2、255位m序列</b></p><p>　　圖4 255位m序列產生電路</p><p><b>　　3、疊加后輸入信號</b></p><p>　　圖5 疊加后輸入信號產生電路

20、 </p><p>　　該電路由兩個74LS164N移位寄存器和四個異或門、若干電阻和一個運算放大器組成，其中兩個74LS164N用于產生15為m序列和255位m序列，運算放大器用于兩路m序列信號的疊加。</p><p><b>　　3.2傳輸模塊</b></p><p>　　3.2.1傳輸系統(tǒng)選擇 </p><p>

21、　　對于本次設計來說，可采用有源濾波和無源濾波兩種方案。</p><p>　　方案一：采用無源濾波器。無源濾波器由無源元件（電阻、電容、電感）組成，具有高頻性能好、電路簡單、功能可靠、無需直流供電，能夠輸出高壓大電流等優(yōu)點。但無源濾波器帶負載能力較差，功耗大，不但通帶放大倍數會因負載電阻而減小，而且通帶截至頻率也會因負載電阻而增大。同時無源濾波器的體積和重量也比較大，其電感還會引起電磁干擾。</p>

22、<p>　　方案二：采用有源濾波器。有源濾波器由電阻、電容和有源器件（如集成運放）組成，具有電路體積小重量輕、通帶內信號可放大、精度高、性能穩(wěn)定、易于調試、負載效應小、可多級相連構成高階濾波器等諸多優(yōu)點。但由于集成運放所限，有源濾波電路不適于高電壓大電流負載，而只適用于信號處理。根據可用的芯片資源，最終使用LM318高速運放實現二階巴特沃斯濾波器。</p><p>　　根據設計的具體要求，系統(tǒng)只需對弱

23、電信號進行處理，且對于信號處理的精確性要求較為苛刻，因此方案二更為適合。綜合考慮后本設計主要使用一個有源低通濾波器實現。</p><p>　　3.2.2傳輸系統(tǒng)的設計</p><p>　　傳輸信道用來傳輸前面產生的疊加信號，這里用一個低通濾波器來實現。對于傳輸信道而言，主要是設計出合適信號傳輸的信道帶寬，信道的傳輸帶寬又和選擇的電路器件參數有關，可以通過器件參數來改變傳輸帶寬，既可設計出合

24、理帶寬的低通濾波器。</p><p>　　對于二階巴特沃斯低通濾波器其歸一化函數：</p><p>　　將此式與2階歸一化的巴特沃斯通濾波器傳遞函數的分母多項式：，比較得</p><p>　　通帶內的電壓放大倍數為</p><p>　　濾波器的截至角頻率為：</p><p>　　故由以上各式可得出電路參數為：</

25、p><p>　　當=100KHz時，</p><p><b>　　取</b></p><p>　　當=200KHz時，</p><p><b>　　取</b></p><p>　　當=500KHz時，</p><p><b>　　取</b&

26、gt;</p><p>　　驗證：由于 ， 將三組R，C值分別代入，得到的值。</p><p>　　當時，經計算 </p><p><b>　　得到的實際計算值。</b></p><p><b>　　當時，經計算 </b></p><p><b>　　

27、得到的實際計算值。</b></p><p><b>　　當時，經計算</b></p><p>　　得到的實際計算值。 </p><p>　　3.2.3傳輸系統(tǒng)的實現</p><p>　　圖6 低通濾波器電路</p><p>　　這是一個有源低通濾波器，主要是通過放大器和電容電阻來實現

28、的?？梢詡鬏斠欢◣挼幕鶐盘枴?lt;/p><p><b>　　3.3接收模塊</b></p><p>　　本次設計采用的是一個雙蹤示波器，通過信號的輸入，從而在示波器上產生眼圖，通過對眼圖的觀測，可以幫助我們實現對傳輸系統(tǒng)性能的分析。</p><p>　　3.3.1示波器原理</p><p>　　圖1.1所示是常用示波器

29、的結構示意框圖。它主要由垂直系統(tǒng)、水平系統(tǒng)和示波管等三大部分組成。 垂直系統(tǒng)水平系統(tǒng)X輸入 圖1.1 示波器結構示意圖 Y輸入 被測信號由Y輸入端送至垂直系統(tǒng)，經內部Y軸放大電路放大后加至示波管的垂直偏轉板，控制光點在熒光屏垂直方向上移動。水平系統(tǒng)中掃描信號發(fā)生器產生鋸齒波電壓（亦稱時基信號），經放大后加至示波管的水平偏轉板，控制光點在熒光屏水平方向上勻速運動。示波管用來顯示被測信號的波形。加至示波管垂直偏轉板上被測電壓使光點垂直運

30、動，加至水平偏轉板上的鋸齒波電壓使光點沿水平方向勻速運動，二者合成，光點便在熒光屏上描繪出被測電壓隨時</p><p>　　圖7 示波器原理圖</p><p>　　間變化的規(guī)律，即是被測電壓波形。</p><p>　　3.3.2眼圖的產生原理</p><p>　　將待測的基帶信號加到示波器的輸入端，同時把為定時信號作為掃描同步信號。這樣，示

31、波器對基帶信號的掃描周期嚴格與碼元周期同步，各碼元的波形就會重疊起來。對于二進制數字信號，這個圖形與人眼相像，所以稱之為眼圖。 圖8 眼圖一般結構 </p><p>　　3.3.3眼圖與系統(tǒng)性能的關系</p><p>　　眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串擾的強弱?！把劬Α睆埖脑?/p>

32、大，且眼圖越端正，表示碼間串擾越小；反之表示碼間串擾越大。 </p><p>　　當存在噪聲時，噪聲將疊加在信號上，觀察到的眼圖的線跡會變得模糊不清。若同時存在碼間串擾，“眼睛”將 張開得更小。與無碼間串擾時的眼圖相比，原來清晰端正的細線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線跡越寬，越模糊；碼間串擾越大，眼圖越不端正。 </p><p>　　眼圖對于展示數字信號傳輸系統(tǒng)的性

33、能提供了很多有用的信息：可以從中看出碼間串擾的大小和噪聲的強弱，有助于直觀地了解碼間串擾和噪聲的影響，評價一個基帶系統(tǒng)的性能優(yōu)劣；可以指示接收濾波器的調整，以減小碼間串擾。 </p><p>　?。?1 ）最佳抽樣時刻應在“眼睛”張開最大的時刻。 </p><p>　　（ 2 ）對定時誤差的靈敏度可由眼圖斜邊的斜率決定。斜率越大，對定時誤差就越靈敏。 </p><p&g

34、t;　　（ 3 ）在抽樣時刻上，眼圖上下兩分支陰影區(qū)的垂直高度，表示最大信號畸變。 </p><p>　　（ 4 ）眼圖中央的橫軸位置應對應判決門限電平。 </p><p>　?。?5 ）在抽樣時刻上，上下兩分支離門限最近的一根線跡至門限的距離表示各相應電平的噪聲容限，噪聲瞬時值超過它就可能發(fā)生錯誤判決。 </p><p>　?。?6 ）對于利用信號過零點取平均來得

35、到定時信息的接收系統(tǒng)，眼圖傾斜分支與橫軸相交的區(qū)域的大小，表示零點位置的變動范圍，這個變動范圍的大小對提取定時信息有重要的影響。</p><p><b>　　4性能分析</b></p><p><b>　　4.1輸入信號</b></p><p>　　4.1.1 255位m序列</p><p>　　圖

36、9 255位m序列</p><p>　　4.1.2 15位m序列</p><p>　　圖10 15位m序列</p><p>　　4.1.3 疊加后的輸入信號</p><p>　　圖11 15m序列，255位m序列疊加后信號</p><p>　　4.2 疊加后信號未經傳輸的眼圖</p><p&g

37、t;　　圖12 未經傳輸的疊加后信號眼圖</p><p><b>　　4.3經過傳輸模塊</b></p><p>　　當255位m序列碼元速率f1=10KHz,15位m序列碼元速率f2=200KHz傳輸帶寬B=100KHz時，接收波形和對應眼圖如下圖所示：</p><p>　　圖13 f1=10KHz,f2=200KHz,B=100時接收波

38、形</p><p>　　圖14 f1=10KHz,f2=200KHz,B=100KHz時接收端眼圖</p><p>　　分析： 由接收信號與疊加的后的輸入信號對比可知，該信號不是很接近源疊加信號，信號的上升沿和下降沿相比原輸入信號較為平坦，信號的電平持續(xù)時間段信號中信號幅值不是很密集，說明信號通過濾波器后出現了很大失真。從眼圖上看眼圖的眼皮較厚，說明系統(tǒng)信號幅度失真較大，眼圖斜邊斜率小，

39、說明系統(tǒng)對定時誤差不靈敏，眼圖張角小，說明系統(tǒng)噪聲容限小。所以這個眼圖反映了這個系統(tǒng)傳輸特性不好。</p><p>　　當f1=10KHz,f2=200KHz時，B=200kHz時接收信號和對應眼圖如下圖所示：</p><p>　　圖15 f1=10KHz,f2=200KHz,B=200KHz時接收波形 </p><p>　　圖16 f1=10K

40、Hz,f2=200KHz,B=200KHz時接收端眼圖 </p><p>　　分析：由接收信號與原輸入信號對比可知，信號的上升沿和下降沿不是很平坦，信號電平持續(xù)時間段內信號較為密集，從整體上看較為接近源輸入信號，說明信號有經過傳輸模塊后出現失真相對較小。從眼圖上看眼圖的眼皮較薄，說明信號通過系統(tǒng)后信號幅度失真較小，眼圖斜邊斜率較大，說明系統(tǒng)對定時誤差較為靈敏，眼圖張角較大，說明系統(tǒng)噪聲容較大，所以這個眼圖反

41、映了這個系統(tǒng)傳輸特性較好。</p><p>　　當f1=10KHz,f2=200KHz，B=500KHz時，接收波形和對應眼圖如下圖所示：</p><p>　　圖17 fc=100KHz,B=500KHz時接收波形</p><p>　　圖14 f1=10KHz,f2=200KHz,B=500KHz時接收端眼圖</p><p>　　分析：由

42、接收信號與原輸入信號對比可知，信號最為接近原輸入信號，信號的上升沿下降沿都很陡峭，信號持續(xù)時間內信號很密集，說明信號有經過傳輸模塊后出現失真很小。從眼圖上看眼圖的非常接近，眼圖斜邊斜最大，說明系統(tǒng)對定時誤差非常靈敏，眼圖張角很大，說明系統(tǒng)噪聲容限很大，所以這個眼圖反映了這個系統(tǒng)傳輸特性優(yōu)良。</p><p><b>　　5總結</b></p><p>　　這是新的一次

43、課程設計，內容看起來不是很多，但是如果遇到了什么問題就會耽誤較多時間，因為對有些定西還不是很會，需要翻閱資料或者問同學，有些問題也要自己認真思考才能想清楚。例如開始對于產生255位m序列不是方法不是很明確，不知道是用兩個移位寄存器還是一個，經過思考過后發(fā)現一個74ls164有八個輸出端兩個信號輸入端，而255位m序列的特征式說明有四個反饋給輸入端，所以可以通過三個異或門實現這四個信號的反饋，由最低一級輸出255位m序列，按照這樣連接好電

44、路發(fā)現可以產生該序列，說明這種方法是可行的。</p><p>　　在這次設計過程中也遇到了一些問題。首先是255序列的產生，通過思考和對照最后得到了該序列。還有一個就是不知道怎樣的是得到的m序列相加，開始是用了乘法器，后來查找資料發(fā)現乘法器是用來實現兩個模擬信號相乘的作用的，后來問了老師并查看了模電相關知識后才知道是完全可以用運算放大器的，最后也在仿真軟件上實現了兩個信號的相加。</p><p

45、>　　在這次設計中，得到了很多收獲同時也認識了自己的的不足。在電路實現過程中通過提問、思考和學習知道了255位m序列產生方法，得到了加法器電路，實現了濾波電路，從而加深了對移位寄存器的了解，提高了對集成芯片功能的分析能力以及對放大器的認識。例如開始在濾波電路中使用的放大器不能達到滿足要求的濾波效果，后來換了一個才行了，說明濾波器濾波效果不一定只和電阻電容有關，還會和放大器有關。然而最大的收獲可以說是明白了實踐是檢驗真理的唯一標準，

46、憑著猜想是不能對問題有一個確定的認識的，在設計中每一步都是通過仿真并且經過實際電路得到了正確的結果，只有這樣才能消除對問題的不確定性，并且對學過的知識更加清晰明白，下次再需要相同的電路時就可以完全確定的使用這些驗證過的電路了。不足之處主要是模電知識的不足，不能充分用好模電知識解決實際問題，還是要多看看模電相關書籍或者設計一些小電路來多學點模電知識。</p><p>　　但當你認真去分析它時會發(fā)現并不是里面所有東西

47、都會，要完成這項設計必須要有相對熟練的理論知識和實際動手能力才行。在開始階段，對于m序列的產生 我們不知道怎么產生，通過查找相關資料發(fā)現可以利用移位寄存器直接產生，雖然這樣但對于m序列的產生原理還是要知道的。然而對于傳輸模塊，由于是基帶傳輸，所以可以采用低通濾波器，計算出濾波器的截止頻率公式，發(fā)現它與電路中電阻電容大小有關，在固定電容條件下，可以改變電阻值來改變截止頻率大小。接收模塊則可以用一個示波器就可以了，至此系統(tǒng)的模型就出來了。下

48、一步就是用multisim來搭建電路，并仿真。通過一段時間的搭建和仿真，最后得到了眼圖。</p><p>　　在本次課程設計中，雖然都是一些基本的都西，但就是沒有對某一些內容全面了解，結果在實驗設計過程中還是遇到了一些問題。</p><p>　　首先是對m序列的產生。這主要是靠芯片的使用以及結合微機原理知識來解決，在開始時不會分析這個器件的功能，在組員說明下比較清楚了這個器件的功能在實際電

49、路中的分析，對移位寄存器有了更深的認識。</p><p>　　第二個是眼圖的產生。在初期我們都不能很好的把眼圖調出來，這最主要的原因是對示波器原理的不認識，不知道示波器掃描信號的選取以及其頻率的選取，對于掃描信號的選取是采用三角波，這是因為三角波信號是隨時間線性變化的，而三角波信號變化持續(xù)時間要比方波的長。</p><p><b>　　參考文獻</b></p&g

50、t;<p>　　[1] 康華光.電子技術基礎數字部分 第五版 [M].北京：高等教育出版社.1998年</p><p>　　[2] 康華光.電子技術基礎模擬部分 第五版 [M].北京：高等教育出版社.1998年</p><p>　　[3] 南利平.通信原理簡明教程 第二版 [M].北京：清華大學出版社.2007年</p><p>　　[4] 聶典，丁偉