（信号与信息处理专业论文）基于fpgadsp的hfc网络监测系统研究.pdf

中文摘要 通过双向的有线电视光纤同轴电缆混合网( h f c ，h y b r i df i b e r - c o a x i a l ) 上网， 是当前解决宽带网络接入的重要技术，在北美和我国都得到大量应用。用户端使 用有线电缆调制解调器( c a b l em o d e m , c m ) 与h f c 网络前端的设备电缆调制解 调器端接系统( c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m s ，c m t s ) 进行双向数据通信， 通过耶c 网络连入i n t e m e t 网。 由于h f c 网络的星树形的网络拓扑结构，使得h f c 网络的上行信道存在严 重的噪声汇聚效应，通常称为“漏斗噪声”。由于噪声源产生在用户端，因而这 种噪声干扰是不可控的。但是，上行信道的信噪比直接影响整个网络的通信质量， 严重时会直接导致通信中断。因此需要专门的网络监控设备对各个网络节点进行 实时监控，从而保证整个网络的正常运行。 论文研究了h f c 网络监控系统中的高速数字信号处理板的设计与实现。高 速数字信号处理板及算法是整个监测系统的核心。论文创新地采用f p g a + d s p 的信号处理架构来保证高速数字信号处理功能的实现：采用了高达1 6 6 4 m h z 采 样率，并将核心信号处理算法移至f p g a 实现，从而保证了信号处理的适时性。 通过f p g a 的高速并行能力进行信号的频谱分析，实现f f t 和d f t 两个模块的 并行运算。d s p 则完成信号处理的后期部分，同时完成对整个系统的控制以及与 上位机的通信。 在论文研究过程中，完成了m a t l a b 算法仿真，f p g a 算法编程，d s p 程序 实现以及数字信号处理硬件板的开发调试等关键工作。实验结果表明，论文工作 研制的高速数字信号处理单元对每场频谱分析的处理时间小于l m s ，满足网络监 控系统的要求，证明了设计的正确性和使用价值。 关键词：光纤同轴电缆混合网；频谱分析；f p g a ；d s p ；快速傅里叶变换 a bs t r a c t a c c e s s i n gt h ei n t e r n e tt h r o u g hh f c ( h y b r i df i b e r - c o a x i a l ) n e t w o r k ，w h i c hi s w i d e l yu s e di n n o r t ha m e r i c aa n do u rc o u n t r y , i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t t e c h n ol o g i e st oc o n n e c tt ot h ei n t e r n e t t h r o u g ht h ei - i f cn e t w o r k , u s e r sc a n u s et h e c l i e n td e v i c ec a b l em o d e m ( c m ) t oc o m m u n i c a t ew i t ht h ef r o n te n do ft h eh f c n e t w o r kc a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e me q u i p m e n t ( c a b l em o d e mt e r m i n a t i o n s y s t e m s ，c m t s ) t oc a r r yo u tat w o - w a y d a t ac o m m u n i c a t i o n s ， b u tt h es t a r s - t r e et o p o l o g yo ft h eh f cn e t w o r kb r i n g sal o to fn o i s eg a t h e r i n g t o g e t h e ro nt h eu p s t r e a mc h a n n e lo ft h en e t w o r k , w h i c hw ec a l l e d f u n n e ln o i s e a n d t h en o i s ei su n c o n t r o l l a b l eb e c a u s ei tc o m e sf r o mt h eu s e r s t h es n ro ft h eu p s t r e a m c h a n n e ld i r e c t l yd e t e r m i n e st h eq u a l i t yo ft h ei n t e r n e ts e r v i c e s ow en e e dt h e n e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mt om o n i t o rt h en o d e so ft h en e t w o r kt om a k es u r ei tw o r k s r i g h t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es t u d yo ft h eh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g s y s t e m t h ea l g o r i t h mo ft h eh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi s t h ek e yp o i n to f t h ew h o l em o n i t o r i n gs y s t e m t h es y s t e m , w h i c hu s e s16 6 4 m h za si t ss a m p l e f r e q u e n c y , u s e sf p g a + d s pt om a k es u r eh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f g p a i m p l e m e n t st h ef f t a n dd f ta l g o r i t h mw i t hi t sh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g p e r f o r m a n c e d s pf i n i s h e st h el e f ts i g n a lp r o c e s s i n g ，c o n t r o l st h ew h o l e s y s t e ma n d e x e c u t e st h ec o m m a n d sf r o mt h eu s e r s d u r i n gt h es t u d y , w ei m p l e m e n ta l g o r i t h ms i m u l a t i o nu s i n gm a t l a b ，w r i t ef p g a a n dd s pc o d e s ，d e b u gt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gb o a r d t h er e s u ko fm yp a p e r s h o w st h a tt h eh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mc a nf i n i s ht h es p e c t r u m a n a l y z i n gw i t h i nlm s ，w h i c hc a l lw e l ls a t i s f yt h ed e m a n do ft h em o n i t o r i n gs y s t e m a n dp r o v et h ea p p l i c a t i o nv a l u eo f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：h f c ；s p e c t r u ma n a l y z i n g ；f p g a ；d s p ；f f t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：子， 一电磊签字日期：工。7 年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞基茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乃卜础匕磊 签字日期： 。7 年月f 日 导师签名： 稻皑 签字同期：函矿多年易月f 日 第一章绪论 1 1 双向h f c 网络概述 第一章绪论 随着世界范围内信息化迅猛发展，各种接入方式都在为跟上这一发展而努力 完善和提高，全球范围的电信网、广播电视网、互联网三网融合已经成为必然趋 势。传统的广播式的有线电视网络完全不能适应三网融合的大趋势。光纤同轴电 缆混合网( h f c ，h y b r i df i b e r - c o a x i a l ) 网络依据其特有的优势，极宽的传输频带、 丰富的频率资源、方便的接入方式和相对较低的技术改造费用，成为三网( 电话 网、有线电视网、计算机网) 合一最具竞争力的方式，这也成为为业界所公认、 前景最被看好的一种宽带接入方式。正因为如此，近几年双向h f c 网络得到了 快速发展。 利用双向的有线电视光纤同轴电缆混合网进行宽带上网接入，遵循d o c s i s 协议。在北美，应用有线电视网络，使用c a b l em o d e m 宽带上网非常成功，美 国采用c a b l em o d e m 实现宽带接入的占全部宽带用户的5 5 ，约是a d s l 的1 5 倍。在深圳，2 0 0 2 年开始了大规模的有线电视网络的双向化改造，随后开始宽 带业务的大规模推广。目前c a b l em o d e m 用户仍在不断增长中，三网融合已成 必然【2 】。 基于d o c s i s 的h f c 网络双向传输存在的最大问题是上行信道的噪声汇聚 问题，这其实是限制d o c s i 应用和相关业务发展最重要的原因。由于h f c 网络 采用点对多点的星树型网络结构，多个用户点的回传噪声汇聚到c m t s 同一个 端口，形成噪声的“漏斗效应”，造成信号底噪声高，信噪比下降，影响传输质 量，严重时甚至导致信号中断【3 】。由于噪声源来自用户端，不容易进行控制监管， 因此需要h f c 网络回传信号监测系统，对回传信号进行监测，保证回传信号信 噪比，并对信噪比劣化信号进行及时报警通知。 1 2h f c 上行信道监测系统的发展背景与现状 由于上行信道噪声产生于用户端，不在运营商的监管范围内，因此对上行信 道的监测尤为重要，通过对上行通道的实时监测可使运营商对网络状况有直接的 了解，对出现问题的网络节点及时进行反馈。 第一章绪论 上行信道的好坏直接影响其用户体验，因此h f c 双向网络系统中上行信道 质量特别重要，所以出现了专门用于上行信道质量监测的a c t e r n a 公司的 p a t h t r a k 性能监测系统、t r i l i t h i c 公司的9 5 8 1s s t 上行回传通道分析仪等专用通 道监测设备，提供了比较完善的i - i f c 上行通道性能监测仪。 但是国外仪器性能不高，最快只能在3 0 0 m s - - 一4 0 0 m s 之间完成一场数据采集 和处理，实时性体现的不是很完美，有时无法及时显示突发噪声，使得正常网络 信号遭到干扰破坏，仪器的价格也较为昂贵。同时，测量模块固定，成本比较高。 所以，一般网络公司只能少量购买，作为故障诊断仪器使用，基本上没有用在大 量的h f c 网络上行回传通道日常监测工作之中【4 】。 在国内，对于双向h f c 监测系统的尚未有产品出现，属于我国监测仪器上 的一项空白，也是各地区有线电视网络信号测试中迫切需要的监测设备。因此对 于双向h f c 网络监测系统的开发对于国内监测仪器的发展具有重大意义。 随着技术的进步与网络运营维护水平的发展，需要能够对h f c 网络中每个 上行回传链路的频谱、本底噪声、侵入噪声等重要信道质量指标提供远地实时监 测，以及完全可以在总前端对于分布在全网络范围内的每个光工作站进行实时监 测、实时发布信道质量信息、提供灵活的信道质量监测手段。设计良好的上行回 传通道监测系统还能够结合网管系统对回传信道质量进行某种控制，以改善回传 通道的质量，将网络故障及时找出，消灭在萌芽状态。 本课题采用f p g a + d s p 的方案来解决高速实时监测系统的高速数据处理算 法。通过f p g a 高度的并行运算能力和d s p 的灵活的编程方式，实现高速数字 信号处理，满足系统的实时性需求。本系统中，一台仪器最多可测1 2 8 个接入点 的回传信号，以更快的时间处理采样数据，实时显示网络中的各种突发故障。该 系统能够通过网络将监测信号实时传到远程的监控端，使监测者可以在个人p c 上进行远程控制，只需坐在办公室里便可对整个网络的状况了如指掌，而不需要 像从前那样带着频谱仪到各个接入点对信号进行测量，大大增加了系统测量的灵 活性和方便性。 1 3 项目来源和论文主体的章节安排 本课题是深圳双向网络运营商提出项目需求，并由天津市德力电子仪器有限 公司进行研发的双向h f c 网络监测系统项目，该系统可为我国双向h f c 网络监测 提供方便采用优秀的h f c 网络测量技术，测试水平处于世界领先地位。本课题 的主旨是为我国c a t v 故障测量行业提供排障方法，研制性能优良，价格低廉 的h f c 上行信道监测系统。本人主要负责高速数字信号处理部分的研究与实现。 2 第一章绪论 本课题所实现的监测系统应达到每场l m s 的监测速度，因此高速数字信号处理算 法是实现该系统的关键。本课题创新的运用f p g a + d s p 的信号处理架构，将核心 数字信号处理算法交给f p g a 实现，为高速数字信号处理提供可靠保障。论文的 主要章节安排如下： 第一章的绪论简要介绍了h f c 双向网络监测系统的发展背景和研究现状； 第二章主要介绍了c 双向网络概况以及h f c 网络监测系统工作原理； 第三章阐述了系统采用的高速数字信号处理算法及实现方式； 第四章详细说明了数字信号处理系统部分的软硬件架构； 第五章给出系统的调试方法过程以及整个系统的运行性能。 第二章h f c 双向网络监测系统整体架构 第二章h f c 双向网络监测系统整体架构 2 1h f c 网络介绍 h f c 即h y b r i df i b e r - - c o a x i a l 的缩写，是混合光纤同轴电缆网，是一种发展 前景广阔的通信技术。随着数字通信技术的发展，特别是高速宽带通信时代的到 来，h f c 已成为现在和未来一段时期内宽带接入的最佳选择，因而i - i f c 又被赋 予新的含义，特指利用混合光纤同轴来进行双向宽带通信的c a t v 网络( 5 1 。 2 1 1h f c 网络发展状况 有线电视网络的双向化是近年来业内的热门话题，新推出的技术种类繁多。 但是，就目前的技术水平和体系以及网络现状而言，h f c 还是最有竞争力的主 流接入方式。 在国内，目前主流的宽带接入技术分别是基于固定电话网络的a d s l 方式、 基于五类线的l a n 方式及基于有线电视同轴电缆的c a b l em o d e m 方式，实际上 它们基于的基础网络分别是电信网、计算机网和有线电视网。其中a d s l 占有 比较大的优势，根据信息产业部的统计，到2 0 0 7 年6 月，全国宽带用户是5 9 4 3 万户，其中x d s l 占到4 4 7 5 万户，剩下主要以l a n 的用户为主，c a b l em o d e m 的市场份额只有2 左右。 在北美，应用有线电视网络，使用c a b l em o d e m 宽带上网非常成功，美国 采用c a b l em o d e m 实现宽带接入的占全部宽带用户的5 5 ，约是a d s l 的1 5 倍。在深圳，2 0 0 2 年开始了大规模的有线电视网络的双向化改造，随后开始宽 带业务的大规模推广。目前c a b l em o d e m 用户仍在不断增长中，三网融合已成 必然。 2 1 2h f c 网络特性 h f c 既是一种灵活的接入系统同时也是一种优良的传输系统，h f c 把铜缆 和光缆搭配起来，同时提供两种物理媒质所具有的优秀特性。h f c 的主要特点 是：传输容量大，易实现双向传输，从理论上讲，对光纤可同时传送1 5 0 万路 电话或2 0 0 0 套电视节目；频率特性好，在有线电视传输带宽内无需均衡；传输 损耗小，可延长有线电视的传输距离，2 5 公里内无需中继放大；光纤间不会有 4 第二章h f c 双向网络监测系统整体架构 串音现象，不怕电磁干扰，能确保信号的传输质量【6 】。 h f c 网络是一种双向共享介质系统，包括前端和光纤节点之间的光纤干线， 以及从光纤节点到用户驻地的同轴分配网络。光纤节点将光纤干线和同轴电缆互 相连接。光纤节点通过同轴电缆可以为3 0 0 - 5 0 0 个用户服务，这些用户共享同一 根线缆的传输带宽。与传统的树型和分支型电缆网络相比。h f c 大大减少了前 端和用户之间的放大器数目；因此，改善了信号的传输质量，提高了可靠性。 通常，放大器故障是c a t v 网络传输中断的主要原因。采用h f c 技术构建 c a t v 网络拓扑结构的主要优点是：光纤干线上不再需要放大器，光纤的噪声干 扰较小，同时其信号衰减也很小。即便是出现放大器故障时，也只影响很少的用 户，故障定位比较容易。 h f c 网络通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络三部分组成，从 有线电视台出来的节目信号先通过光电转换变成光信号在于线上传输；到用户区 域后把光信号转换成电信号，经分配器分配后通过同轴电缆送到用户。它与早期 c 朋w 同轴电缆网络的不同之处主要在于，在干线上用光纤传输光信号，在前端 需完成电一光转换，进入用户区后要完成光一电转换。 同传统的c a t v 网络相比，其网络拓扑结构也有些不同：第一，光纤干线采 用星形或环状结构；第二，支线和配线网络的同轴电缆部分采用树状或总线式结 构：第三，整个网络按照光结点划分成一个服务区；这种网络结构可满足为用户 提供多种业务服务的要求【7 1 。 随着传统有线电视网络及其设备双向改造的完成，h f c ( h y b r i df i b e rc o a x ) ， 即光纤同轴混合网已成为向用户提供双向宽带综合业务的重要途径。为了兼容传 统的有线电视传输模式，h f c 网络带宽首先被频分为若干个8m h z 的频道，这 些频道被统一划分为下行和上行信道。 1 9 9 9 年国家广播电影电视总局为了适应广播电视发展的需要，重新颁发了 有线电视广播系统技术规范( g y t 1 0 6 - - 1 9 9 9 ) ，依据新的标准，有线电视广 播系统的波段划分如表2 1 所示。 表2 1h f c 网络波段划分 波段频率范围m h z业务内容 r5 - 6 5 上行业务 x 6 5 8 7 过渡带 f m8 7 1 0 8广播业务 a 1 1 0 1 0 0 0 模拟电视、数字电视、数据业务 第二章i - i f c 双向网络监测系统整体架构 2 1 3h f c 网络汇聚噪声 有线电视h f c 网络的上下行传输信道是非对称的，由于其下行信道的传输 方式为广播方式，因此具有良好的传输特性和较高的信噪比，完全可以达到通信 传输的技术指标要求。影响h f c 系统传输质量的主要问题是来自于上行信道的 噪声。在双向h f c 系统中，由于h f c 网络中电缆传输部分是树状的拓扑结构， 用户至光节点信号回传共同使用上行带宽，因此由用户终端和电缆设备引入的噪 声在上行系统中的前端产生严重地汇聚，造成所谓的“漏斗效应”，从而淹没有 用信号，使高速数据的回传困难，严重影响上行信道的性能。 随着用户数的增加，可以看到入口噪声电平也随之增加，这种现象被称为噪 声的漏斗效应。因为h f c 网中所采用的是树型分支的网络结构，用户在发送信 息时，由各用户所发出的信号都通过上行信道会聚到前端。同时上行信道中的各 种噪声也随着信号一起流向前端，汇聚在一起，形成漏斗噪声现象。当网络中有 n 个用户同时向前端传送信息时，如果他们之间的噪声是互不相关的，则漏斗噪 声现象会引起1 0 1 9 n d b 的载噪比负增益；而如果各用户间噪声的相位完全一致 时，漏斗噪声现象在前端所引起的载噪比下降可达2 0 1 9 n d b t 8 1 。在实际的上行信 道中，噪声很大部分都是由外界的干扰所形成的窄带侵入噪声所引起的，而同一 外界干扰源在不同的上行信道中所引起的噪声通常都是相关的。因此，它们在前 端会聚时所产生的漏斗噪声现象将对整个上行信道的通信质量产生极大的负面 影响，使上行信道的载噪比远远低于下行信道信号传输时的载噪比，从而引起前 端接收到的用户信号的误码率上升，并影响到整个h f c 网络的正常运行。 上行通道的噪声是由多种因素形成的，概括起来，影响h f c 网络上行通道 信号传输的主要因素可分网络结构噪声和系统入侵噪声两大部分。网络结构噪声 是指反向通道各支路级联噪声叠加汇集到反向接收机入端形成的噪声，主要有基 础热噪声、汇入点噪声、光端机噪声等；入侵噪声是指一些随机的不规则的外界 电磁波的侵入而形成的噪声，它可分为三个基本类型：窄带短波信号，主要来自 无线电和雷达站，它在陆地上传输，并且在用户家里或有线电视分配设备里耦合 进上行通道的频带内；突发噪声，它是人为或自然产生的噪声，它的周期长；脉 冲噪声，它和突发噪声类似，但它的周期短，使得接收机的脉冲响应可以有效的 进行测量。 在上行通道，同轴电缆部分处于一个极其复杂的电磁环境，每种干扰都处于 h f c 网的反向频段内，同时由于同轴电缆网上的放大器、分支器、分配器、同 轴电线接头以及终端盒屏蔽连接不好等原因，造成回传信号受到严重的噪声影 响。有调查数据表明，7 0 的噪声混入来源于用户端，2 5 的源于分支系统，5 6 第二章h f c 双向网络监测系统整体架构 左右的源于弯曲的电缆。 由于各个用户的上行数据要在充满噪声的上行通道中进行传送，如果噪声指 标超标，就会使传输的数据和信息出现较高的误码率，影响其传输质量。由于上 述提到的各种上行信道的噪声中有的噪声信号是突发地出现并且是持续时间极 短的瞬时噪声，只有毫秒级的长度，所以为了监测到这些噪声以判断信道的好坏， 把上行信道中的各种噪声都能监测到，根据信道各个频段的好坏决定c a b l e m o d e m 的上行频率，就必须做出一个实时频谱监测设备，才能将各种噪声完全 监测到，而这个实时频谱监测设备为了不漏掉信道中出现的任何干扰信息，必须 满足做出一场频谱数据的时间在毫秒级之内。 2 2h f c 双向网络监测系统 h f c 网路上行信道监控系统是一个用于监控h f c 网络中上行信道性能指标 的强大的测试系统。通过该系统，管理员可以在内部联网的任一计算机上得到所 有上行信道的特性参数及相应的波形数据，而无需跑到各个远程站点。 本系统采用先进的实时频谱分析技术可以对很短暂的突发噪声和侵入噪声 进行捕获。这样就可以在系统发生重大故障之前发现网络中的细微问题，并进行 及时解决，从而避免了重大事故的发生。 系统服务器数据库管理系统能够存储历史性能数据和参数，可以存储多达一 年的通道信息。以此建立对故障历史状态以及发展趋势的分析，为可能发生的问 题做提前的准备。同时系统使用智能的告警管理系统，用户可自定义多种报警门 限，对每个故障的严重性进行等级，采取不同的措施。 该系统的模块化设计具有很好的可扩展性，可以根据用户网络的大小灵活配 置测试模块的数量，最大程度地提高系统初期建设性价比。同时支持今后网络的 不断扩容，使整个系统具有高度的灵活性。 2 2 1i - i f c 网络监测系统在网络中的位置 i - i f c 网络监测系统在网络中的位置如图2 - 1 所示，监测设备位于前端。在用 户端p c 的信号经过c m ( c a b l em o d e m ) 调制后，向上传输，经过光电转换后， 形成光信号在光纤干线上传输。在前端机房，经过前端的光电转换设备将光节点 传来的光信号转换成电信号，并进入c m t s 和我们的监测设备。我们的一台前 端监测设备最大可以接监测1 2 8 路的待测信号，而一路信号对应着一个光节点所 传来的一路信号，所以我们监测的每一路信号实际上是一个光节点所覆盖的所有 用户的信号。 7 第二章h f c 双向网络监测系统整体架构 圈圈 “心“、二二，m 4 i p “ 拽t 宁镊髫” 囱n 简， i 盎她t 烹一i 兰童。 童一圃t 、 虱一 量苗童警喘研” i 图2 - ih f c 网络监控系统在网络中的位置 整个h f c 网络监铡系统中主要是对h f c 网络上行信道的信号进行频谱监测 与分析，属于频谱分析仪，它是利用数字傅里叶变换的方式进行频谱分析。它包 括两个模式。第一个模式是上行信道实时频谱监测即监测( r a o n i t o r ) 模式， 在该模式下，对上行信道5 1 v i i 矗到6 5 m h z 全频带内的信号进行频谱监测。频谱 分析的r b w ( 分辨率带宽) 固定在3 0 0 k l - l z ，w w ( 视频带宽) 固定在3 0 0 k h z ，输出 显示频谱为5 - - - 6 5 m 2 - 1 z 带宽内等频率问隔的2 5 1 个频点的频谱值。为了捕获上行 信道中的短暂的突发噪声和侵入噪声，要求一场的频谱分析时间小于i m s 。第二 个模式叫做实时频谱仪( s p e c t r u m ) 模式，在该模式下起到一台实时频谱仪的作 用，用户在该模式下可以设定不同r b w ( 3 0 0 k ，1 0 0 k h z 3 0 k h z ) ，v b w ( 3 0 0 k h z ，1 0 0 k h z ，3 0 k h z ) c e n t e r ( 显示中心频率) ，s p a n ( 显示带宽) 来观察上行信 道的实时频谱，由于在1 0 0 k h z r b w 和3 0 k h z r b w 以及小的v b w 情况下会比 3 0 0 k h zr bw 3 0 0 k h zv b w 的监测模式下计算数值变多，计算速度变慢，故在实 时频谱仪模式下，在不同的设置条件下，一场的频谱分析时间会变长，在实时频 谱仪模式下，显示的频点也是在s p a n 内等频率间隔的2 5 1 个频点的频谱值。 2 2 2h f c 网络监测系统架构 h f c 取向网络监测系统主要监铡h f c 网络回传信号的额谱，由于h f c 取向 网系统的回传信号频率范围为5 - - 6 5 m i - l z 为保证系统的整体处理速度，系统设 计没有采用传统的d d s 扫频模式，而是采用直接采样模式进行处理。系统的整 体粲构如图2 = 2 所示。 第二章h f c 双向网络监测系统整体架构 系统的整体结构包括本地机和客户机两部分组成。本地机如图2 - 1 的上半部 分，即在接入i n t e r n e t 网之前的部分为本地机，该部分通常放在h f c 网络的前端 机房处，客户端部分则是使用者的个人p c ，客户端部分主要是软件编程。 在结构上，本地机又包括上位机和下位机两个部分。上位机是一台计算机， 主要是做前端服务器，接受来自i n t e m e t 的客户端请求，并将命令发送至下位机。 下位机是多个数据采集板卡，上面包括r f 前端，a d ，d s p ，f p g a 等器件，负 责测试信号的采集，频谱分析以及和上位机通信的功能，整个频谱分析f f t 的 核心运算是在f p g a 中完成的。 、借口、 、 1 _ 。亨 f p g a + d s p 射 s p i 接口 高速数字 频 信号处理板 p c 处 前 l r 理 i p c i 接口 接 端 口 服 处 务 理 器 一 共 板 1 6 铬 一 亨砦 0 1 l1 l 气八一 客户客户客户 端p c 端p c端p c 机机机 图2 - 2h f c 网络监测系统整体架构 系统各部分功能说明： h f c 双向网络监测系统主要监测h f c 网络回传信号的频谱，由于h f c 双向 网系统的回传信号频率范围为5 - 6 5 m h z ，为保证系统的整体处理速度，系统设 9 第二章h f c 观向网络监测系统整体架构 计没有采用传统的d d s 扫频模式，而是采用直接采样模式进行处理。 1 、射频处理板 射频处理板主要包括：主要由多路开关、低通滤波器、衰减器和放大器等 。矗吖 。妇咩 。巍。f o h _ 匕； 啊 争f 盱 。i 寸“# 尸 圈2 - 3 射频开关电路 为了提高系统的集成度。降低设计成本，系统设计采用将8 路输入信号接入 1 路数字信号处理板上，系统控制对8 路信号进行轮询扫描，获得相应的信号频 谱。8 选l 开关电路通过7 个2 选1 可控开关芯片实现，如图2 3 所示。8 路信 号通过4 个2 选l 开关后变成4 路信号，4 路信号经过2 个2 选1 开关，变成2 路，最后再经过一个2 选1 开关。控制信号通过一块c p l d 接人d s p ，由d s p 控制对8 路信号接人的选择。 从输入的8 路输入信号选择l 路经过低遥滤波器后，送至数字信号处理板。 由于h f c 规范中回传信号的频谱范围为5 6 5 m h z 。因此，低通滤波器的截止频 率为6 5 m h z 。在本系统中的采样频率为1 6 64 m h z ，即要求在8 3 2 船k 时具有 很好的阻带特性。同时低通滤波器的通带平坦度要好，以尽量减少对后续数据处 理的影响。射频处理板的要求是尽量减少对输入信号的影响，尽量不引入新的系 统噪声。 2 、数字信号处理板 数字信号处理板为系统的核心部分，是整个系统高速数字信号处理算法 第二章h l 、c 双向网络监测系统整体架构 的实现部分，主要包括的器件有a d 采样芯片，f p g a 高速数字信号处理芯片， d s p 芯片，以及相关的c p l d ，s d k a m , f l a s h 等相关的芯片。 其主要功能将射频板传过来的信号进行高速a d 转换，经过c p l d 送至 f p g a ，由f p g a 进行高速数字信号处理算法，完成频谱的分析，进而由d s p 对 频谱分析后的数据进行后期数据处理，主要包括取对数，频响修正等。同时d s p 还负责系统整体控制协调，数据的暂存和传送，以及上位机命令解释执行等。 d s p 与上位机的通信通过s p i 口进行，由p c i 处理板进行数据的转化处理。本部 分将会在第四章进行详细阐述。 3 、p c i 接口处理板 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线即外围部件互连总线，是一种 先进的高性能3 2 6 4 位地址数据复用局部总线，可同时支持多组外围设备，并且 不受制于处理器，为中央处理器与高速外围设备提供一座沟通的桥梁，提高了数 据吞吐量( 3 2 位是最大可达1 3 2 m b s ) ，是现在p c 领域中流行的总线。p c i 总线 具有严格的总线规范，这就保证了它具有良好的兼容性，符合p c i 总线规范的 扩展卡可以插入任何p c i 系统可靠地工作。一个p c i 接口包括一系列的寄存器， 这些寄存器中的信息允许计算机自动配置p c i 卡。 由于前端服务器通过p c i 总线通信，而同服务器直接通信的d s p 芯片没有 p c i 总线接口，所以必须要通过其他方法进行数据总线的转换，将d s p 的s p i 总线数据转换为p c 服务器的p c i 总线数据。 在本系统中采用专门的p c i 接口处理板实现接口转换。该接口处理板主要功 能为负责数字信号处理板中d s p 的s p i 口与上位机的p c i 口通信的接口转换， 同时协调处理1 6 路数字信号处理板与上位机的通信，该部分设计成可热插拔式， 即可随时插入或拔出一路数字信号处理板。 对于p c i 口的协议解析，采用p l x 公司的p c i9 0 5 4 总线接口芯片，由于 d s p 与p c i 口的通信设计到数据的双向传输问题，在本系统中，用a l t e r a 公司 c y c l o n ei i i 系列的f p g a 芯片实现数据缓存和协议通讯实现，由于f p g a 具有较 大的片内r a m 资源，因而由f p g a 编程生成片内双端口r a m ，实现d s p 的s p i k 口和前端服务器的p c i 口的通信，同时f p g a 还负责把1 6 块数字信号处理板卡 集合到一起传到前端服务器，负责将前端服务器的命令送至相应的d s p 处。 对于f p g a 的初始化程序，则是由前端服务器在启动时进行初始化的。f p g a 的初始化数据放在前端服务器的硬盘上，服务器在上电启动后，自动运行f p g a 的初始化程序，通过p c i 接口将初始化数据经过c p l d 做逻辑转换后送入f p g a ， 完成f p g a 的上电初始化工作。 4 、前端机服务器 第二章h f c 双向网络监测系统整体架构 该前端服务器通过p c i 接口与1 6 路数字信号处理板相连，该部分主要为 软件编程，主要软件功能模块包括： 1 ) w i n d o w s 下的p c i 驱动编程，前端服务器用的是w i n d o w s 操作系统，由 由于服务器的p c i 接口所接芯片是本系统自己设计的p c i 接口，因此需要专门的 p c i 驱动程序，来实现应用程序与底层操作系统的通信。 2 ) 与d s p 通信编程，这是该系统的一个重要组成部分，由于所有的数字信 号处理都是在数字信号处理板完成，因此所有的通信命令，参数设置都由上位机 从客户端接收后，通过相应的协议送至d s p ，再由d s p 进行相应的控制处理。 图2 4c s 模式通信框图 3 ) c s 模式的服务器端软件编程。 ( c l i e n t s e r v e r ) ，即客户向服务器提出请求， 1 2 本系统采用客户机h i 务器模式 服务器接收到请求后，提供相应的 第二章h f c 双向网络监测系统整体架构 服务。服务器端编程采用w i n d o w ss o c k e t s 网络程序设计接口，它是从b e r k e l e y s o c k e t s 扩展而来的，基于t c p i p 协议，i 三【动态链接库的形式提供给我们使用， w i n d o w ss o c k e t s 在继承了b e r k e l e ys o c k e t s 主要特征的基础上，又对它进行了重 要扩充。这些扩充主要是提供了一些异步函数，并增加了符台w i n d o w s 消息驱 动特性的网络时间异步选择机制“1 。其整个c s 架构的流程如图2 - 4 所示。服务 器端的主要工作就是：创建套接字( s o c k e t ) ：将套揍字绑定到一个本地地址和端 口上( b m d ) ；将套接字设为监听模式准备接收客户请求( 1 i s t e n ) ：等待客户请 求到来；当请求到来后，接受连接请求，返回个新的对应于此次连接的套接字 ( a c c e p t ) ；用返回的套接字和客户端进行通信( s e n d r e e v ) ；返回，等待另一客 户请求：关闭套接字。 5 、客户端p c 相比服务器端的软件编程，客户端软件编程主要负责c s 模式下的客户 端软件编程，以及图形用户界面，各个端口输入信号的频谱分析后的波形显示以 及相应的控制命令的传输。客户端的软件界面如图2 - 5 所示。 避雷 q 曼，同螂 厂。- 瓦i 一 一簟t 一 一一 一一， 声一s a m i 一一 d 一6 d t a 柏m n 8 1+ b a 3 i 一 - 孽 - 簟* 5 卑一r 目一 霉目一 u t e l e $ 二 i | 。 5 u h 第二章h f c 双向网络监测系统整体架构 以看到，可以通过该图形显示界面设置该测试节点的各个参数：r b w , v s w ，中 心频率，扫描带宽等各个参数，同时可看到，图形中的红色的线为最大保持线， 即所测端口各个频点的最大值，绿色的线为当前的实际波形，灰色的线为最小保 持值，即所测端口的各个频点的最小值。 2 3 本章小结 本章主要介绍了h f c 网络的网络结构和特点，以及h f c 上行信道的汇聚噪 声的产生原因及分类。接着对h f c 双向网络监测系统进行整体介绍，介绍系统 的主要组成模块及各个功能模块的主要功能。 1 4 第三章高速数字信号处理算法及实现 第三章高速数字信号处理算法及实现 3 1 频谱分析算法 本系统主要负责对信号进行频谱分析，因而频谱分析算法是本系统的核心部 分，其功能与频谱仪类似，只是相当于经过定制的频谱仪，其扫频范围限制在 5 - 6 5 m h z 范围内，其r b w 只有3 0 k ，1 0 0 k ，3 0 0 k 三档，其他功能与频谱仪类似。 3 1 1 频谱仪分类及原理 从工作原理上看，频谱分析仪可分为扫频式频谱仪和实时频谱仪。扫频式频 谱仪原理图如所示，其工作原理有点类似超外差式接收机，输入信号与本振进行 混频，混频的目的是为了将所需频点的频谱信息搬移到中频去，经过中频滤波器 后，将所需频点的信号滤出，送至检波器进行检波，测得该频点信号的能量，然 后送至r c 滤波器滤波，滤波的主要目的是为了平滑所得到的频谱数据，最后将 结果送至显示器进行波形显示。本振从起始频率开始扫频每次计算一个频点的结 果并送至显示器显示，通过一个一个的频点扫描完成频谱监测，此种方式具有良 好的频谱分析特性，但是其最大缺点就是缺乏实时性，如果信号迅速变化，则会 容易漏掉一些突发的频率信号n 引。 图3 1 扫频式频谱仪原理 正因为这个缺陷，因此产生了实时频谱仪，实时性是相对扫频式频谱仪而言 的，其实时性是指在一定的时间内，可将监测信号的所有频谱分量捕捉到。根据 乃奎斯特采样定理可知，只要信号的采样频率高于信号最高频率的2 倍，就可由 第三章高速数字信号处理算法及实现 采样信号恢复原始信号，因此可采用高速a d 采样，将所需数据采集下来，然 后通过快速傅里叶变换( f f t ) 得出频谱来对信号频谱进行分析。 3 1 2 频谱仪中常用的测量参数及意义 1 r b w r b w 是指最小分辨率带宽，其全称是r e s o l u t i o nb a n d w i t h 分辨率带宽，它是 指中频带通滤波器或低通滤波器的3 d b 衰减处的通带宽度1 1 。r b w 越小，则滤 波器的通带宽度越窄，则越能分开两个频率相差很近的两个频谱分量，但同时模 拟频谱分析仪中的检波器所需的建立时间也就越长，反映在数字信号处理中就是 所需采样的信号长度越大。 在f f t 处理方式下，由于没有用到扫频和滤波器的方式，因此其r b w 需要 根据传统滤波器的定义来推算出来。在f f t 方式下，信号频谱的最小频率间隔 为： f ：五 铀 ( 3 1 ) 则其 r b 形：五口 n ( 3 2 ) 其中，为a d 转换处信号的采样频率，n 为进行f f t 变换的点数，系数口 是由f f t 变换前加窗所用的窗函数系数所决定的一个常数，不同窗函数对应不 同的系数口。 由于r b w 是系统所能分辨的最小带宽间隔，所以r b w 是频谱分析中很关 键的一个参数。r b w 的大小对实际信号分析的影响如图3 2 所示。 输入信号 频谱 中频滤 波器带 宽r b w 显示 囚囚田 图3 2r b w 与频率分辨率关系 同时r b w 的大小也会影响点频信号分析结果的s n r ，而对宽带信号无影响。 1 6 止n 第三章高速数字信号处理算法及实现 由于白噪声的信号功率谱密度在一段频段内是恒定的一个值，r b w 越大，则滤 波器的带宽越大，因此通过中频滤波器的信号能量越大，则检波器检出的信号功 率值越大。而对于点频信号而言，由于它是一个点频，所以不论r b w 是多大， 它都能完全通过中频滤波器，所以不论r b w 为多大，在屏幕上显示的点频信号 的功率值是不变的。因此，对于点频信号而言，r b w 越大，其白噪声功率越高， 因而其s n r 就越小n 2 1 。 2 v b w v b w 是指视频滤波器带宽，其目的是为了平滑信号频谱分析所得的结果， v b w 越小，则检出的频谱轨迹越平滑。在模拟频谱仪中，主要由检波器之后有 一个低通滤波器来实现视频滤波，在数字信号处理中，可通过f i r 滤波器或时域 平均的方式来实现。 3 c e n t e r ，s p a n c e n t e r 表示频谱仪显示部分的中心频率，而s p a n 则表示频谱仪要显示的频