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  • 基于互联网的信号传输系统

    千次阅读 2019-09-23 23:55:31
    本系统基于互联网的信号传输系统采用STM32F407ZGT6和FPGA Cyclone IV作为主控芯片,对信号进行采样和处理。系统由幅度测量电路、频率测量电路、信号传输电路、信号处理电路、模拟输出电路等部分组成。FPGA采得一点的...

    参加完电子设计竞赛不知不觉快过去两个月了,今天小刚写一下当时我们这道题的方案。
    本系统基于互联网的信号传输系统采用STM32F407ZGT6和FPGA Cyclone IV作为主控芯片,对信号进行采样和处理。系统由幅度测量电路、频率测量电路、信号传输电路、信号处理电路、模拟输出电路等部分组成。FPGA采得一点的相位和幅度信息后,通过STM32和以太网交换机传输给模拟输出电路,模拟输出电路把点信息写入寄存器并循环读寄存器产生信号,可通过按键切换选择恢复一路或者两路的信号。相位同步通过发送端和接收端互传含时间戳的数据包实现,由接收端快速收发同步数据求出延时补偿。
    本系统由幅度测量电路、频率测量电路、信号传输模块、信号处理模块、模拟输出电路五部分组成。幅度测量电路和频率测量电路从信号中提取出相位、幅度和频率等信息,传输给单片机。A、B端的单片机与C端单片机进行网络通信,构成信号传输模块。网络延时等于C端发送给A、B端同步数据包再立即返回所需时间的一半,求出延时补偿后对数据包中的时间戳进行修正。C端的信号处理模块以大容量的Xilinx ARTIX-7 FPGA为核心,以寄存器为储存单元,存储已经压缩成500个点以内的信号数据,模拟输出电路循环读取储存单元即可输出信号。按键可以切换再生A和B信号。
    在这里插入图片描述
    1.互联网传输策略
    互联网传输以探索者STM32F4开发板为核心,使用UDP协议。发送端A、B端传至接收端C端的报文如下:1位发送端标志“A”或“B”+3位十进制相位+3位十进制幅度值+7位十进制信号频率。数据传输报文如图2所示。
    在这里插入图片描述

    2.网络时间延迟测量及补偿
    网络延迟数据包每秒发送一次,用于求得网络延迟。方法是由C端发送一个只含一个字符“T”的数据包,同时开启计时器计数。A和B端接收后立马返回一个同样的数据包,C端接收到后停止计时器,网络延迟等于计时器计时的一半。
    另外,A和B端会不停地向C端发送同步数据包,报文如下:1位发送端标志“A”或“B”+63位当前时间戳+3位十进制幅度值。这个同步数据包的意义是:发送端在指定的时间戳,信号运行到了指定的相位,将这个目标相位和当前相位比较,再小幅度增大或减小输出信号的周期以接近目标相位,这样就能够同步信号。同步数据报文如图3所示。
    在这里插入图片描述

    硬件电路设计
    

    输入信号为周期信号,由于要采集输入信号的周期,所以要将输入信号通过比较器TLV3501将其转为周期性的矩形波信号给FPGA进行处理,测量其周期大小。由于输入幅值可变,所以通过迟滞比较器,将门限电压设置在零点附近,后级采用电压更随器实现信号隔离和阻抗匹配。比较器电路如图5所示。
    在这里插入图片描述
    3)滤波电路
    由于最后一级的输出信号是通过DAC产生电所以要加一级低通平滑滤波器,滤波器采用7阶椭圆滤波器,将截止频率设置在10MHz。采用filter-solutio软件设计参数,滤波器电路参数如图6所示。
    在这里插入图片描述
    电源原理图:
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述

    ADC采用的是ADC10065:
    在这里插入图片描述
    DAC为DAC904:
    在这里插入图片描述
    这道题做下来感觉平时硬件的训练都没有用武之地,这道题关键在软件,软件也调的心累,主要是相位同步吧。

    四天三夜基本靠软件,不过数据传输过程中会在信道里引入干扰,最后滤波器比较重要。那几天真的是心有余而力不足,虽然最后结果还算满意但是还有一丝丝不甘心——审题不仔细漏掉好几个得分点。
    接下来要多学学软件,学学算法。
    保持初心,保持进步吧!

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  • 5G NR中物理层信号传输过程

    万次阅读 多人点赞 2019-08-06 16:47:17
    NR中物理层信号传输过程: 下面就简单介绍一下在5G中物理层的信号是怎样的一个完整的传输过程,为了能有一个宏观上的概念。这里只讲procedure,不具体到很细节的内容。在学习的过程中我也有很多模糊和理解不到位的...

    NR中物理层信号传输过程:

    下面就简单介绍一下在5G中物理层的信号是怎样的一个完整的传输过程,为了能有一个宏观上的概念。这里只讲procedure,不具体到很细节的内容。在学习的过程中我也有很多模糊和理解不到位的地方,欢迎大家和我一起讨论。
    涉及到高层的这里不介绍,物理层处理的起点是MAC层传下来的TB终点是生成基带OFDM信号,然后将基带OFDM信号变成射频信号,通过天线发射出去。这个过程涉及到很多步骤,参考下面这个图。
    在这里插入图片描述

    TB到CW

    1、TB是指传输块,MAC发往物理层的组织形式,都是一些01信息。TB第一步要经过CRC循环冗余校验。CRC就是加入了一定的冗余信息以保证你的信息具有一定的检错或者纠错能力,说白了就是一种信元编码。就好像你写了一封信,正经的内容写完了,你又加了一句:“如果你收到信的时候信封被拆封了,那么说明我的信已经被别人看了,你最好给我回个电话”一样。

    2、从高层下来的TB有时会过大,那么过大的TB就要经过码块分割,分割为适合下一步处理的大小,要注意分割之后还要加CRC。

    3、分割后的码块要经过信道编码,就比如汉明码、卷积码、Turbo码、Polar码等,使得接收端可以检测或者纠正传输中发生的错误,实现了可靠传输。

    4、编码后的信号,有时太多,分给它的资源却太少或信号太少,分的资源太多,那么就要进行速率匹配,以实现信息和资源的匹配。简单说就是信息多了就扔掉一些,信息少了就重复一些。

    5、速率匹配后的码块,从一个个的单个码块又串联在一起,形成的就是码字CW(code word)。

    说白了码字codeword其实就是TB的变形。

    MIMO、OFDM实现过程

    1、此时的码字仍然是一个个的0和1,这些0和1要进行扰码操作。扰码就是将信息bit和扰码序列相乘得到新的加扰后的序列。扰码序列会根据小区ID、子帧编号和UE ID的不同而不同,在5G中,由于不再是LTE那样以子帧为单位进行调度,而是以符号为单位,所以5G中扰码序列一般不再与时域的信息有关。进行加扰的目的就是上行避免不同的UE之间的干扰,下行避免不同的小区之间的干扰。
    2、加扰后的bit要进行调制,如下图
    在这里插入图片描述
    从此从0和1的bit变为复数值。5G中多数采用QAM调制,就是用不同的幅度和相位表示不同的01 bit,在数学表达上,调制后的符号可以表示为复数值,图中的I路和Q路分别是复数值的实部和虚部。具体的调制以及为什么要进行调制可以参考另一篇文章https://blog.csdn.net/m0_45416816/article/details/96572794
    3、调制后得到的复数值信号,要进行层映射。现在的系统最多可以同时处理2个码字,也就是说前面所说的从TB到CW的这个过程,目前可以有2个这样的过程并行进行。所以在层映射的过程中,包括1个码字的映射和2个码字的映射。这里所说的1个码字或者2个码字,指定是码字流,也就是一串码字流或是两串码字流。单码字流最多可以映射到4层,双码字流最多可以映射到8层。从协议38211中直接把层映射的表格拿过来如下。从表中可以很清楚的了解层映射的方式,以单码字映射到3个层为例,映射方式就是把码字按顺序分到层1一个、层2一个、层3一个,然后又层1一个、层2一个…双码字映射方式与单码字类似,以双码字映射到7个层为例,码字流1映射到层1一个、层2一个、层3一个,然后又层1一个、层2一个… 码字流2映射到层1一个、层2一个、层3一个、层4一个,然后又层1一个、层2一个…
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    4、层映射之后的复数值信息进行预编码,就是将各层输出的结果看做一个向量,与一个预编码矩阵相乘,得到预编码的结果就可以直接进行天线端口映射了。这部分内容可以参考38211中6.3.1.5。层映射和预编码两步合起来,其实就是为了将码字映射到各个天线端口上进行发射。这里就涉及到物理天线数和天线端口数,因为在4G和5G中,多天线系统是为了将信号除了频域分集、时域分集以外,在加入空间分集,也就是不同的信号走不同的路。物理天线数就是多天线系统中实际的天线个数,决定了空间分集的理论上限,但如果不同的物理天线所形成的“路”太近了,那么也就失去了空间分集的意义,此时不同的物理天线就是一条“路”,所以天线端口数就是实际的“路”的多少。也就是天线端口数≤物理天线数。
    5、从一个天线端口出来的一系列复数信号,每个复数信号都与一个子载波相乘,然后一系列子载波相加,就可以得到一个OFDM符号。过程可以这么描述,但在实际中,子载波也是复数信号,是一个复指数信号,根据欧拉公式,也有实部和虚部,分别是一个sin函数和一个cos函数,在设备中存在的形式其实是一张表,这张表给出了每个采样时刻每个子载波的sin函数和cos函数的幅值。天线端口的复数信号和表中的值进行相乘,所有相乘的结果再相加,就是某一个采样时刻的OFDM符号的幅值。一系列采样时刻的OFDM符号的幅值构成OFDM符号,该数字符号再经过D/A转换、功放、射频等一系列操作最终发射出去。当然后面这些都是实现上的问题。至于采样间隔具体是多少,和什么有关系,也可以参考我的另一篇文章https://blog.csdn.net/m0_45416816/article/details/98349772

    这就是宏观上物理层的信号过程的一个简单描述,每个单独的部分又有很多的知识。

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  • 基带信号传输与调制传输

    千次阅读 2012-12-23 20:59:36
    数字信号的传输有两种方式,一种是基带信号传输,另一种是调制传输。 基带传输就是数字信号的01直接表示为高低电平进行传输。 但是这样的话,如果数字信号的频率比较高,即传输速度比较快时,由于线路的电容效应,使...
    数字信号的传输有两种方式,一种是基带信号传输,另一种是调制传输。
    基带传输就是数字信号的01直接表示为高低电平进行传输。
    但是这样的话,如果数字信号的频率比较高,即传输速度比较快时,由于线路的电容效应,使信号损失很大,到接收端严重变形,造成误码。
    调制就是把基带信号变化成可以在一些物理介质上传输的信号。调制方式有很多种。比如我们用的电话线modem就是来做这个事情的。就相当于在电话线上传输数字信号。
     
    
    数据通信原理
    
    
     
    
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  • 2019 年(E 题)基于互联网的信号传输系统

    千次阅读 多人点赞 2020-07-23 19:37:41
    2019 年(E 题)基于互联网的信号传输系统 2019 年全国大学生电子设计竞赛试题 【本科组】 文章目录2019 年(E 题)基于互联网的信号传输系统一、任务二、要求1.基本要求2.发挥部分三、说明四、评分标准 一、任务 ...

    2019 年(E 题)基于互联网的信号传输系统

    2019 年全国大学生电子设计竞赛试题 【本科组】

    一、任务

    设计并制作一个基于互联网的信号传输系统。如图 1 所示。
    在这里插入图片描述

    二、要求

    1.基本要求

    (1) 配置一个由 3 个通用百兆/千兆以太网交换机级联的局域网,模拟一个互联网。交换机采用通用成品,端口数 4~24 个,接口为 RJ45 标准接图 1 基于互联网的信号传输系统示意图口,采用 1 米网线连接,级联个数及端口可任意变换。交换机采用通用默认配置,并可以被测试现场提供的通用交换机替换。

    (2) 制作三个网络终端 A、B 和 C。A 和 B 两个终端用于信号的采集,C终端用于信号的再生输出。网络终端 IP 地址自定。A 和 B 两个终端可以独立实时采集两路不相关的周期性任意波信号,其采样率不低于10MS/s,采样位数不低于 8 位。被采集信号为交流信号,峰峰值范围为 1V~5V。信号源 1 和 2 采用两台成品任意波信号发生器,无需制作。在 C 终端可以通过手动设置选择,再生 A 或 B 终端采集的信号。C终端信号输出端输出电阻和负载均为 50 欧姆。负载电阻需裸露便于

    观察测量。

    (3) C 终端再生信号与采集端被采信号相比,波形无明显失真。其幅度相 对误差的绝对值不大于 5%,周期相对误差的绝对值不大于 10%。

    2.发挥部分

    (1) C 终端再增加一个信号输出端,输出电阻和负载均为 50 欧姆。可同时再生输出 A 和 B 两个终端采集的信号。

    (2) 在 C 终端同时再生输出 A 和 B 两个终端采集信号的条件下,通过对传输网络时延的测量及补偿,实现再生信号与原信号相位同步。两信号周期最大同步误差时间(含抖动)不大于 10 微秒。

    (3) 通过改变交换机级联个数或网线长度改变网络时延, C 终端能够自动测量及补偿时延时间,实现再生信号与原信号相位的快速同步。从网线连通开始,到两信号周期最大同步误差时间(含抖动)不大于 10微秒为止,时间不大于 5 秒。

    (4) 其他。

    三、说明

    (1) A、B 和 C 三个终端可以基于任何嵌入式系统制作,但不得采用台式或笔记本电脑。A、B 和 C 需采用独立直流电源供电。

    (2) A 和 B 与 C 之间仅通过所搭建的局域网连接,不得使用其他连线及无线通信装置。

    (3) 测试时,局域网中以太网交换机级联的个数可以在 1-3 个间任意指定。连接网线长度可以在 1~50 米间任意指定。

    (4) 测试还原信号与被采集信号的波形失真及同步状况,可采用一台双通道示波器,一个通道观察被采集信号,并作为同步触发源,同时用另一个通道观察还原信号。

    四、评分标准

    在这里插入图片描述

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