基于DSP的HFC-双向传输系统课程设计

山东建筑大学信电学院课程设计说明书I目录摘要...................................................................II1概述...................................................................12信号调理电路...........................................................33A/D采样电路...........................................................43.1ADC芯片选择......................................................43.2A/D采样电路设计及实现............................................54DSP数据处理电路设计及实现..............................................74.1DSP与FLASH的接口...............................................74.2DSP与SDRAM的接口...............................................84.3DSP与FIFO(FPGA实现)的接口......................................85电源模块、时钟模块和JTAG模块........................................105.1电源模块.........................................................105.2时钟模块.........................................................115.3JTAG模块........................................................126系统测试数据通信电路设计及实现........................................13总结...................................................................14致谢...................................................................15参考文献................................................................15附录...................................................................17山东建筑大学信电学院课程设计说明书II摘要有线电视HFC双向传输系统，是随着CATV增值业务的需求，单向电视传输系统面临全面改造成双向网络的现状，迅速发展起来的一种新型网络传输形式。随着HFC网络的大规模投资建设与改造升级，HFC网络的宽带数据业务成为了公众用户选择宽带接入的一个重点。但在HFC网络上承载通信业务，首先要保障反向通道的传输质量，而影响传输质量的，主要是反向通道中的噪声汇聚和侵入干扰。本文主要针对HFC网反向通道中的噪声汇聚和侵入干扰，设计并实现一种基于数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）和Ethernet的实时信号频谱监测系统。利用多路的高速数字采集系统对输入的RF信号实现高动态范围和低噪声的数字转换；利用DSP的高速数据处理能力，在多个域中分析随时间变化的RF信号；并通过ARM芯片构架的以太网通信系统对某个区域内的大数量和分散的HFC反向通道进行实时的信号频谱监测，及时发现问题和分析问题。与基于瞬态开关的噪声抑制系统组成一套新颖的HFC反向通道噪声监测和抑制解决方案，实时监测HFC反向通道的噪声，并利用噪声抑制系统控制HFC上行的汇聚支路数，减少上行噪声的汇聚。文中给出了系统的各个硬件电路模块具体电路的实现过程，并对硬件设计中遇到的关键问题进行了处理，完成了系统硬件实物的设计和测试。验证明该系统在HFC反向通道的维护中得到很好的应用。可以很好的保障CATV网络的反向通道，实现可靠的上行数据传输，为数字广播电视交互式业务的扩展提供了技术保障。关键词：HFC；反向通道；噪声汇聚；DSP；Ethernet；频谱监测；瞬态开关山东建筑大学信电学院课程设计说明书11概述传统的有线电视网传输的电视信号是广播式的，而数据传输强调的是双向交互，即用户在接收信息的同时，还需要回传个人信息。随着用户对新业务需求的增加以及其他行业快速发展的竞争压力，有线电视台必须不断满足用户对新业务的需求，为此就要新建具备双向传输功能的有线电视网，或将目前只具备单向传输功能的有线电视网改造成双向传输网，以便利用双向有线电视网开展新业务。有线电视网络己从最初由同轴电缆组成的模拟电视分配网发展成为现在的光纤同轴混合(HybridFiberCoax，HFC)网。HFC网络结构的提出不仅解决了传统的有线电视广播业务，而且通过采用先进的光纤技术、数字传输技术和新型的网络拓扑结构，增加了上、下行通道的传输能力，使HFC网具备了承载双向交互式宽带业务的能力。按照现在的设备情况，下行通道的频率范围在85～860MHz，上行通道频率范围在5～65MHz。要实现基于HFC的CATV网络的双向通信，关键技术在于上行信道上。对CATV网络上行数据传输技术进行研究，实现可靠的数据传输，为数字广播电视交互式业务的扩展提供了技术保障，使用户能够通过有线电视网络可靠地传输IP通信量，使用视频点播(VOD)、远程教育、图文电视、数据通信、计算机通信等在上行通道中开展的CATV扩展业务和增值业务。随着广电HFC双向网络改造的深化，双向业务的日益发展，保障HFC网络的稳定运行日趋重要。其中很重要的一点就是保障上行通道的传输质量，而影响传输质量的，主要是上行通道中的噪声汇聚和侵入干扰。由于HFC网络电缆部分是树形拓扑结构，用户终端和电缆设备引入的噪声在上行信道中产生严重的汇集，造成漏斗效应，从而形成噪声的汇聚。上行信道的噪声干扰问题成为双向HFC网络发展的制约因素。为了让上行通道更畅通，就应该对反向通道的噪声和干扰进行抑制，同时加强对反向通道进行监测。要解决上行通道畅通的问题，就是尽可能抑制或削弱上行的噪声和干扰，提高信道的载噪比，再就是对上行通道的噪声和干扰进行通道隔离并能跟踪监测，以便分析该通道噪声和干扰的性状。我们要构建的反向通道的噪声监控系统，就是要解决反向通道的噪声抑制和监测，通过对反向通道噪声、侵入干扰的监测，及时发现和解决问题。并且对反向信号的历史数据进一步进行统计分析，分析噪声的历史状况，统计频谱的可用度，对回传频谱进行长期趋势和可用性检测。山东建筑大学信电学院课程设计说明书2图1-1HFC反向通道监测系统布置框图根据系统的设计要求和性能指标，系统由信号调理、高速A/D采样、DSP数据处理、ARM数据通信等几个主要部分组成。首先，信号调理部分对来自多路开关的一路RF信号进行滤波、电调衰减、一级放大、二级放大（单端信号转差分信号）和抗混叠滤波，目的在于提高信号的可靠性和数据的精度，保证A/D采样的动态范围；其次，选用高速ADC对输入的RF信号进行采样，A/D技术的进步可以实现高动态范围和低噪声转换，ADC对信号进行滤波、数字化，然后传送到DSP引擎上；其中，FPGA实现系统的逻辑控制，并利用其内部的RAM实现FIFO存储功能，构架ADC与DSP的高速数据缓存；再次，DSP数据处理部分负责管理系统的触发、内存和分析功能，并且利用FFT变换提取信号特征，分析信号的频谱特性；最后，DSP处理完的数据，由ARM负责通过以太网传输到PC机上进行历史数据的保存和实时频谱的分析，并且通过PC机上的软件进行系统的远程控制。系统方框图如下：图1-2系统方框图山东建筑大学信电学院课程设计说明书32信号调理电路信号调理部分是整个监测系统的前端，介于被测信号和A/D转换之间，其主要是为后续的ADC提供足够幅度的被测信号（1VP-P）,而引入的噪声和非线性又要足够低，以满足系统测量的要求。为了实现较高信噪比ADC的采样性能，提高信号的可靠性和数据的精度，保证A/D采样的动态范围，设计信号调理部分对来自多路开关的一路RF信号进行抗混叠滤波、电调衰减、一级放大、二级放大（单端信号转差分信号）和低通滤波，电路连接图下图所示。图2-1前端信号调理电路连接图山东建筑大学信电学院课程设计说明书43A/D采样电路模/数转换器（ADC）是一种器件，它把采集到的采样模拟信号经量化和编码后，转换成数字信号并输出。因此，作为沟通模拟世界和数字世界的桥梁，A/D采样电路的核心。3.1ADC芯片选择现代频谱分析仪通常将超外差式和快速傅立叶变换（FFT）结合起来，能测量高达几十GHz的输入信号，并且有良好的动态范围。但是，超外差式的工作原理（利用频谱搬移的原理，通过变频形式把信号变换到中频进行分析）为信号的测量引入更多的模拟器件，带来更多的干扰源。为了减少设计难度，简化系统的中频前端的设计，同时由于HFC反向通道的频率范围为5～65MHz，所以，设计选用合适的ADC对60MHz宽的信道进行直接采样。根据奈奎斯特抽样定理：能量有限的带限信号，不存在高于W赫的频率分量，完全可从抽样速率为每秒2W的样值序列中恢复出来。因此，选用采样频率大于120MHz的ADC就满足设计需要。由于ADC的动态范围（DynamicRange，DR）指标主要取决于转换位数（n），一般来说采用转换位数越高的ADC，其动态范围越高。3-1系统要求50dB的动态范围，A/D采样电路作为整个系统的数据采集前端，其动态范围的好坏影响着整个系统的动态范围。所以为了给整个系统的动态范围提供更大的余量，设计A/D采样电路的动态范围满足60dB。由公式（1）可知，理论上10位ADC的信噪比可以达到60.2dB，应该符合设计要求。但实际上，10位ADC的信噪比根本无法达到这个理论上的最高水平。此外，信号路径上的其他元件也会为系统添加噪音。同时也希望能够将ADC的输入信号加以抑制，确保振幅无法达到其峰峰值的范围，因为这样可以避免出现过驱动的现象。加上即使最微弱的信号也必须比ADC的噪声高6dB以上，所以选择信噪比可以达到66.2dB的11位模/数转换器。按照以上的分析，根据市场供货情况和性价比分析，选用ADI公司低功耗系列的产品AD80141(11bit、140MSPS)应该是明智的选择。该产品采用1.8V单电源，在最大采样频率下的功耗为400mW，在70MHz输入频率条件下能保持优良的65.6dBF信噪比（SNR）和85dBc无杂散信号动态范围（SFDR）。AD80141含有内置基准电压源和采样保持，两个并行低压差分信号（LVDS）输出模式（ANSI-644和IEEE1596.3减小链接范围）容易与现场可编程门阵列（FPGA）连接以及双数据速率模式（DDR）将需要的并行输出数据印制线数量减半。山东建筑大学信电学院课程设计说明书53.2A/D采样电路设计及实现国外的A/D技术已经非常成熟，并且片内都集成了取样－保持电路、基准参考电压、编码电路等，只需外加少量器件，即可组成完整的A/D采样电路。AD80141的连接框图如下图所示。图3-1AD80141的连接框图ADC具有与简单模拟放大器相同的性能限制，比如有限增益、偏置电压、共模输入电压限制和谐波失真等。而且，ADC的采样特性需要更多地考虑时钟抖动和混叠。其中，ADC的模拟输入信号中的“无用输入”通常会导致“数字化的无用输出”。所以设计中，模拟信号路径应远离任何快速开关的数字信号线，