一种基于FPGA的数字信号传输性能分析的教学仪器的制作方法

一种基于fpga的数字信号传输性能分析的教学仪器
技术领域
1.本实用新型属于数字信号传输性能分析和教育仪器技术领域，尤其涉及一种基于fpga数字信号传输性能分析的教学仪器。


背景技术：

2.常见的简易数字信号传输性能分析仪采用的电路结构通常如中国专利cn202872801u公开的一样，采用dds信号发生模块和单片机控制产生信号，伪随机信号的相位不够准确，数据分析前的信号噪声较大，信号的抗干扰性较差，影响数字传输性能检测的准确性，并且系统结构复杂。而中国专利cn204103930u采用fpga完成数字信号产生、伪随机信号产生和数字信号分析，但是系统信道通道电压范围小，信号增益不可调，在教学实验中不适合采集更多数据和做对比实验。


技术实现要素：

3.鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于fpga数字信号传输性能分析的教学仪器，简化系统结构，更适合教学实验所需。
4.为解决上述的技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
5.本实用新型为一种基于fpga数字信号传输性能分析的教学仪器，包括电源模块，信号发生模块，信道模块，数字信号分析模块及示波器，所述信号发生模块中包括噪声产生器及数字信号产生器，所述信道模块中包括幅度调节器，三路滤波器，增益调节器及加法器，所述数字信号分析模块中包括整形滤波器与fpga分析器；所述噪声产生器经过幅度调节器后输入加法器，数字信号发生器依次经过三路滤波器，增益调节器后输入加法器，加法器输出经过整形滤波器后进入fpga分析器，示波器的同步信号端与信号发生模块或数字信号分析模块连接，示波器的测试通道信号端与加法器输出端或整形滤波器连接。
6.本实用新型的电源模块分别与信号发生模块，信道模块，数字信号分析模块连接。
7.本实用新型的电源模块提供直流
±
15v和直流5v输出。
8.本实用新型的信号发生模块与数字信号分析模块均由单块fpga芯片构成。
9.本实用新型的有益效果为：
10.1、信号发生模块与数字信号分析模块均由单块fpga芯片完成，大大简化系统结构；2、引入增益调节器，使得信号通道增益可在0.2-4倍之间变化，从而模拟信号在信道传输过程中不同的衰减情况和受干扰情况，更适合教学实验中采集数据做对比实验所需；
11.3、信道中所用到的运放芯片，均采用超低电压噪声、高速电压反馈运放，可以大大降低系统噪声和提升系统的抗干扰能力，保证实验数据的准确性，且所有运放均采用
±
15v供电，数字信号传输通道电压范围更宽；
12.4、可以通过转换开关，将示波器检测通道的信号源在干扰信号和整形滤波后的信号之间切换，可以得出不同的眼图，形成鲜明对比，更适合教学实验所需。
13.附图说明：
14.图1是涉及本实用新型的系统基本框图；
15.图2是涉及本实用新型中电源模块电路图；
16.图3是涉及本实用新型中信号发生模块fpga内部电路图；
17.图4是涉及本实用新型中频率调节按键电路图；
18.图5是涉及本实用新型中按键读取fpga内部电路图；
19.图6是涉及本实用新型中信道模块滤波器电路图；
20.图7是涉及本实用新型中信道模块增益调节器电路图；
21.图8 是涉及本实用新型中信道模块加法器电路图；
22.图9是涉及本实用新型中信号分析模块整形电路的电路图；
23.具体实施方式：
24.下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
25.参照图1所示，本实用新型为一种基于fpga数字信号传输性能分析的教学仪器，包括电源模块，信号发生模块，信道模块，数字信号分析模块及示波器，电源模块分别与信号发生模块，信道模块，数字信号分析模块连接，所述信号发生模块中包括噪声产生器及数字信号产生器，所述信道模块中包括幅度调节器，三路滤波器，增益调节器及加法器，所述数字信号分析模块中包括整形滤波器与fpga分析器；所述噪声产生器经过幅度调节器后输入加法器，数字信号发生器依次经过三路滤波器，增益调节器后输入加法器，加法器输出经过整形滤波器后进入fpga分析器，示波器的同步信号端与信号发生模块或数字信号分析模块连接，示波器的测试通道信号端与加法器输出端或整形滤波器连接。
26.具体的，系统信号发生模块由fpga产生两路信号，一路为波特率为10k-100k可调的m序列，并能输出其同步脉冲和曼切斯特码，同时产生一路波特率为10m的伪随机码作为噪声干扰信号；然后将两路信号输入到由有源低通滤波器和增益调节器等组成的数字信道中，在信道的输出口用加法器将数字信号和经过增益调节电路衰减的伪随机码模拟的干扰信号进行叠加产生一个干扰后的数字信号；再接着将信道的输出信号输入到数字信号分析模块的整形滤波器进行整形，最后采用fpga制作一个自适应的pll将数字信号的同步脉冲，并利用同步脉冲将数字信号的眼图在示波器上完整地显示出来。
27.电源模块提供直流
±
15v和直流5v输出，电源模块包括两部分，如图2所示，第一部分是直流
±
15v，该部分为系统中的运放电路提供工作电压，第二部分是直流5v，该部分为系统中的fpga小系统板提供工作电压。这两部分皆采用直流线性电源，电源总体包括4个环节，分别是变压、整流、滤波、稳压，其中稳压芯片分别采用lm7815，lm7915和lm7805系列芯片。
28.信号发生模块与数字信号分析模块均由单块fpga芯片构成，信号发生模块由fpga单块芯片完成，外部电路通过图4所示按钮实现加减信号的输入，由如图5所示fpga内部按键读取电路读取健值，再将按键信息转换成32位控制字输送到如图3所示信号发生电路，由信号发生电路产生一个固定频率10mhz的m序列信号，和频率10k~100k可调的m序列信号及其对应曼彻斯特码。并将10mhz的m序列信号作为噪声信号输入到信道，将10k~100k的m序列及其对应曼彻斯特码作为数字信号输入到信道。
29.信道模块滤波器由三路sallen-key型，4阶巴特沃斯低通滤波器组成，其电路如图6所示，电路具体参数如下：截止频率为100khz的低通滤波器参数为：r1=16k，r2=8.2k，r3=
8.2k，c1=100pf，c2=400pf，c3=100pf；截止频率为200khz的低通滤波器参数为：r1=8.2k，r2=3.9k，r3=3.9k，c1=100pf，c2=400pf，c3=100pf；截止频率为500khz的低通滤波器参数为：r1=3k，r2=1.6k，r3=1.6k，c1=100pf，c2=400pf，c3=100pf；信道模块增益调节器电路如图7所示，其中rp1=25k、r1=1k、r2=4k、r3=1k，根据电阻分压公式：u
p
/u
in
=r3/r2 r3，可得正向输入端电压up为输入电压的0.2倍，同时调节rp1可调节反向比例运算器的放大倍数为1，那么这时的输出电压为输入电压的0.2倍，若调节rp1使其电阻值19k时，反向比例运算器的放大倍数就为20倍，那么这时输出电压为输入电压的4倍。即调节rp1的组织便可使得输出电压值在0.2-4倍之间变化。
30.信道模块中加法器电路如图8所示，需要将10m的方波噪声和最高频率为100k的低频信号进行叠加。考虑如果采用阻容耦合，会造成一定的衰减，如需还原还需经过放大，所以采用直接耦合的加法电路。因为信号包含有10m的高频信号，考虑到其高次谐波分量，为了保证其合成质量，所以需要增益带宽积较高的放大器，在此我们采用ti公司的ths3091作为放大器，其供电电压为36v，5倍增益带宽积将近100m，压摆率为7300v/us，可以较好的完成信号的叠加。
31.数字信号分析模块，由fpga分析器和整形滤波器构成，因为通过信道中等环节的处理之后，信号发生器发出的信号会发生一定的形变，这种信号如果直接送到信号分析处理其中不利于fpga对信号的处理，所以必需在信号处理器前对数字信号进行一定的整形和滤波，滤波电路和上述图6滤波电路结构相同，但是波形的形状则需经过整形电路进行整形，将信号的前沿坡度变得更陡和对信号的幅值进行限幅。其电路如图9所示，电路原理是使用lm311构成一个比较器电路，数字信号从其反向比较端进入，并与正向比较端的电位进行比较，从lm311的输出脚输出整形后的方波。在电路中调节电位器rp3可调节输出波的占空比，调节电位器rp1可调节输出方波的幅值。同时因为该电路是个反向比较器，输出的方波信号与原信号相位相差了180
°
，所以后面又加了一级同样的反向比较器，将相位进行了反转，从而使得其输出信号与原信号同相。
32.fpga分析器根据曼彻斯特码的原理特性，曼彻斯特码每发一贞数据脉冲必定会产生一次翻转，利用曼彻斯特码的这一特性，我们可以捕捉前后两次翻转的时间，并进行多次采集，以前后几次中周期最短的时间，作为同步脉冲的翻转时间，这样就能得到一个与同步脉冲周期相同的脉冲，但是其相位有可能不同，因此，在模块中应添加一个锁相环，使得前面产生的脉冲信号与所接收码源的信号相位相同，从而得到可用于解码的同步脉冲。
33.示波器同步信号通过转换开关，可以选择信号发生模块产生的同步信号，也可以选择由数字信号分析模块产生的同步信号；通过转换开关，测试通道信号可以选择加法器输出的干扰信号，也可以选择经过整形滤波后的信号。
34.应当理解的是，本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。