（通信与信息系统专业论文）低速率误码测试仪的设计与实现.pdf

郑州太学硕，l j 论文 摘要2 0 0 5 年5 月 摘要 误码率是检验数据传输设备及其信道工作质量的一个主要指标。误码测试数据往 往作为评判通信传输设备性能或系统传输质量优劣的依据。误码仪广泛应用于电信、 移动、联通、电力、铁通、网通、军队等领域。适合于通信接入网、传输网、光通信、 数据通信等系统的现场开通、验收、诊断和维护。 市场上出售的误码测试仪功能齐全、繁多，价格昂贵。根据用户的实际要求，基 于单片机开发设计出一款满足电力载波线路需求的低速率误码测试仪，此误码仪能测 试2 0 4 8 k b p s 速率及n x 6 4 k b p s 速率的通信线路的误码性能，能提供误码插入和可选测 试图案，并能提供r s 一2 3 2 通信接口等功能。 本课题基于8 位单片机微处理器的系统上，解决了并实现了同7 5q 非平衡同轴电 缆和1 2 0 q 平衡双绞线的e 1 线路接口，误码统计和误码测试，以及误码率的计算等 关键问题；提供伪随机码和人工码两种测试图案：并提供固定间隔和随机间隔的误码 插入功能。 本着经济实用的设计原则，且能满足用户低速率通信线路的需要，本误码仪采用 国外超大规模集成芯片和单片机联合设计，全部采用高效低功耗芯片，并使用单电源 工作。设计出一款体积小、重量轻、成本低、性能稳定的低速率误码测试仪。通过硬 件和软件的调试运行，工作稳定可靠，达到用户的要求，与同类产品具有较高的性价 比。 关键词：比特误码率，e 1 线路接口，单片机，低功耗，比特误码率测试仪( b e r t ) 郑州大学颅i 。论文2 0 0 5 年5 月 a b s t r a c t b i te r r o rr a t ei sv e r yv a l u a b l ea n d i m p o r t a n tt od e t e c t ，a n a l y z e ，a n dt r o u b l e s h o o td i g i t a l c o m m u n i c a t i o nd e v i c e sa n dc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s ，b a s e do nw h i c ht oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nd e v i c e so rt h eq u a l i t yo fas y s t e m s t r a n s m i s s i o n b i te r r o rr a t et e s t e r ( b e r t ) w i d e l ya p p l i e si nt h ef i e l d so ft e l e c o m ，m o b i l e ， u n i c o m ，e l e c t r i cp o w e r ，n e t c o m ，t i e t o n g ，m i l i t a r y ，a n ds oo n i ti su s u a l l yu s e dt of i e l d o p e n i n g ，c h e c k i n ga n da c c e p t i n g ，e x c e p t i o nd i a g n o s i n g ，f i e l dm a i n t e n a n c eo fa c c e s s n e t w o r k ，t r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o no rd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h eb e r t sw h i c ho nt h em a r k e ta tp r e s e n t ，h a v em a n yf u n c t i o n sa n dh i 曲c o s tt h a tt h e u s e r sd o n tw a n t a c c o r d i n gt ou s e r s e x p e c t a t i o n s ，t h ed e s i g n a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h e l o w s p e e db e r ti sb a s e d0 1 1s i n g l ec h i pm i c y c o c o ，w h i c hm e e t i n gt h en e e do ft h e e l e c t r i cp o w e rc a r r yw a v el i n e t h eb e r ti sc a p a b l eo ft e s t i n gt h eb i te r r o rp e r f o r m a n c eo f t h ec h a n n e lc a r r y i n g2 0 4 8 k b p sa n dn x 6 4 k b p ss p e e dd a t as t r e a m ，o f f e rt h ef u n c t i o no fe l l o r i n s e a i o n ，o p t i o n a lt e s tp a t t e r n sa n dr s 一2 3 2c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b a s e do n8b i t ss i n g l ec h i pm i c y c o c os y s t e m ，t h eb e r tc a ni n t e r f a c ew i t h7 5q a s y m m e t r yc o a xa n d1 2 0qs y m m e t r yt w i s t e d p a i rl i n e s ，a n dh a sr e s o l v e dt h ek e yp r o b l e m s o fb i te r r o rs t a t i s t i c s b j te r r o rt e s ta n db i te r r o rr a t ec a l c u l a t i o n i tc a n p r o v i d e p r o g r a m m a b l ep s e u d o r a n d o mp a t t e r na n da n yr e p e t i t i v ep a t t e r nu pt o3 2 b i t s ，a n dc a ni n s e r t s o f t w a r ep r o g r a m m a b l eb i te r r o ra tf i x e di n t e r v a l so rr a n d o mi n t e r v a l s b a s e do nt h ee c o n o m i c a ld e m a n da n dt h el o ws p e e dc o m m u n i c a t i o nl i n en e e d ，t h e d e v i c em a k e sac h o i c et ou s es i n g l ec h i pm i c y c o c oc o m b i n e dw i t ho v e r s e a sv e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t e d ( v t s 0c i r c u i t ，w h i c ha r ea l lh l i 曲e f f i c i e n c ya n dl o wp o w e rc h i p s ，o p e r a t e d w i t h + 5 vs i r l g i ep o w e rl e v e l t h ed e s i g n a t i o nm a k e st h eb e r th a v es m a l lv o l u m e ，l o wc o s t ， p o r t a b i l i t y ，s t e a d yp e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o nm e r i t s w i t hd e b u g g i n ga n d r u n n i n go ft h et e s t e r ，t h er e s u l t i n d i c a t e si tc a nr e l i a b l yb eo p e r a t e d ，o b t a i n st h et e s t p a r a m e t e r su s e rd e m a n d s ，a n d h a st h ea d v a n t a g ea tt h er a t eo fp e r f o r m a n c ea n dc o s t c o m p a r e dw i t ht h ec o n g e n e r i cb i te r r o rt e s t e r k e y w o r d s ：b i te r r o rr a t e ，e 1l i n ei n t e r f a c e ，s i n g l ec h i pm i c y c o c o ，l o wp o w e r ，b i te r r o r r a t et e s t e r ( b e r t ) l i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导卜独市撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等 违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任 和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：彳勿壤乡 动盯年5 月列同 郑j - h 大学硕j 一论文第1 章绪论2 0 0 5 年5 月 1 1 通信测试技术的发展 第1 章绪论 通信和网络技术的日新月异的发展，信息技术成为全球一个热门话题，使得 如何确保先进复杂的通信网络以及网内各种设备正常进行这一问题愈来愈为人 们所重视，这也极大的推动了通信测试技术的发展【”。据国外资料报导，近年来 国外通信测试仪器已成为电子测量仪器市场中发展最快的部分，它在整个电子测 量仪器市场销售中所占份额已自百分之几猛增至3 0 左右；这种增长势头预计还 要不断扩大。国外有关专家和企业家都对这一领域的发展极为重视，在他们看来， 测试技术上不去必将成为严重制约通信技术发展的重要因素。一些大公司调焦一 批优秀通信专家和测试专家联手开发先进的测试仪器，并垄断市场。但我国情况 极不乐观，目前国内档次高一些的通信测试仪器绝大部分仰求于国外，自己不但 形不成一个像样的产业，也缺乏一个像样的规划，对问题严重性的认识也极其不 足【2 1 。 通信领域涉及的范围很广，这些领域需要测试的参数越来越多，精度要求越 来越高，测试速度越来越快，频率范围也越来越宽。随着通信测量技术的发展， 用于通信测试的测试手段及各种专用、通用的测试设备也随之应运而生。 随着通信测试技术的发展，通信测试仪器表现出一些共同的发展趋势和 特点f 3 1 f 舢。首先，测试设备的软件化，智麓化程度正在提高。其次，由于通信技 术的发展迅速，同时通信测试仪器相对比较昂贵，考虑到投资费用问题，就要求 仪器开发商必须考虑测试设备的测试功能，针对相应领域及成本问题。 另外，小型便携化的设计思想是网络测试设备发展的又一个趋势和特点”。 由于网络测试的移动性，需要在同一个网络的不同测试点进行测试，或者测试物 理距离跨度较大的网络，这都要求网络测试仪器朝着小型化、便携式的方向发展。 便携式通信测试仪器以现场施工和运行维护使用为主要目的，它不强调追求测试 功能的完备性，而重点考虑的是实用性和方便性。本课题的低速率误码测试仪就 是基于用户提出的实用、方便、经济方面的要求来进行设计开发的。 郑州大学倾上论文第1 章绪论2 0 0 5 年5 月 1 2 课题背景与意义 数字通信中，误码率是检验数据传输设备及其信道工作质量的个主要指 标。误码测试数据往往作为评判通信传输设备性能或系统传输质量优劣的依据。 误码仪广泛应用于电信、移动、联通、电力、铁通、网通、军队等领域。适合于 通信接入网、传输网、光通信、数据通信等系统的现场开通、验收、诊断和维 护。它不愧是通信工程技术人员手中的“万用表”。 市场上出售的误码测试仪功能齐全、繁多，价格昂贵。用户需要花不必要的 钱去买许多冗余功能。大部分商家的误码仪只有高速率信道的测试接口，不能满 足低速率接口用户的需要。本课题根据特定领域( 电力载波通信) 用户的需要设 计性能可靠、功能全面实用的高性能低速率误码测试仪。 目前许多厂商还是采用的传统设计方法，用分立元件或集成电路设计误码测 试模块的各个部分，结构繁琐、设计复杂。本误码仪采用d a l l a s 公司误码测 试专用芯片和单片机联合设计，结构简单，性能稳定可靠，具有较高的性价比。 1 3 论文主要工作 本误码测试仪是许继公司委托的重点项目。在开发设计本课题过程中，本人 在课题的设计和开发过程中完成了如下工作： 1 完成搜集和查阅与项目相关的资料工作。 2 完成了和组织了d s 2 1 5 5 4 、d s 2 1 7 2 和g 7 0 3 和( 3 7 0 4 等英文资料的翻译 工作。 3 完成了该误码仪指标和功能制定工作。 4 ，完成了系统硬件方案的制定，并且在此基础之上设计和实现了硬件电路。 5 完成了系统软件方案的制定，并且在此基础之上完成了主要软件的编写工 作。 6 完成了硬件和软件系统的调试工作。 7 完成了系统功能的改进和扩展工作。 本论文的第2 章首先介绍了误码仪设计过程中涉及到的数据通信理论基础， 并着重接收了e 1 线路接口相关的协议标准g 7 0 3 建议。第3 章概述了系统设计 2 郑卅1 人学钡 论文第1 章绪论 2 0 0 5 年5 月 的总体方案，并对重点模块的芯片的选型作了讨论。第4 章详细介绍了硬件系统 的设计方案和各个模块的设计过程。第5 章阐述了软件系统部分的设计方案和设 计过程。第6 章对本次课题设计作了总结和展望。 郑州人学碗l 论立第2 章数据通信理论基础2 0 0 5 年5 月 第2 章数据通信理论基础 数据指事实、概念以及指令，其形式由创建及使用者决定i 。“在计算机信 息系统中，数据是以二进制信息单元( 或是比特位) 的形式表示，并以o 和1 的 方式被使用的。”数据通信就是通过某种传输媒介( 例如电缆) 进行数据交换( 以 0 、1 形式表示) 的过程。如果相互通信的设备处于同一建筑物或是相似的有限 地区域内，则视为本地通信；如果这些设备相互远离，则被视为远程通信【”。 要实现数据通信，通信设备必须成为由软硬件组合成的通信系统的一部分。 数据通信系统的有效性基于三个基本方面：( 1 ) 传递，系统必须能将数据传递到 正确的目的地。数据必须而且只能由所期望的设备或用户接收。( 2 ) 正确，系统 必须能正确的传递数据。在传输中被改变并未被纠正的数据是无用的。( 3 ) 及时， 系统必须能及时将数据传递。迟到的数据是无效的。在视频、音频和语音数据方 面，及时传递意味着不失真地，按照数据创建时的相同顺序，并没有很大的延迟 地送达目的地。这种传递方式成为实时传输h 。 本章将误码仪设计中相关的数据通信理论基础和相关的协议标准作以简要 的介绍。 2 1数据通信系统组成部分 一个数据通信系统由五部分组成1 6 】：( 如图2 - 1 所示i6 】) 协议 图2 一l 数据通信系统组成 协议 ( 1 ) 消息消息是需要通信的信息。它可以由文本、数字、图片或声音以 及这些类型的混和方式组成。 凰一 譬 回臼一 郑州人学碗l ：论文第2 章 数据通信理论辇础2 0 0 5 年5 月 ( 2 ) 发送方发送方是发送数据消息的设备。它可以是一台计算机、一个 工作站、电话听筒、摄像机等等。 ( 3 ) 接收方接收方是接收消息的设备。它可以是一台计算机、一个工作 站、电话听筒、电视机等等。 ( 4 ) 媒介媒介是消息从发送方传输到接收方的物理路径。它可以由双绞 线、同轴电缆、光缆、激光或是无线光波( 地面或空间微波) 组成。 ( 5 ) 协议协议是控制数据通信的一组规则。它代表了通信设备之间的一 种约定。离开协议，两个设备可以相连但不会交流信息，就像一个说 法语的人不能被一个只会日语的人听懂。 由介质连接在一起的一系列设备( 常常被成为网络节点) 就构成了网络，设 备之间的链路常被称为通信信道。一个被认为是有效和有效率的网络必须达到一 些指标。最重要的指标是性能、可靠性和安全性。 2 2 协议和标准 2 2 1 协议 在计算机网络中，不同系统的实体之间将会发生通信。一个通信实体是指 能够发送和接收信息的任何事物，例如应用程序、文件传输包、浏览器、数掘库 管理系统以及电子邮件软件。一个系统是包含由一个或多个实体的物理对象，例 如计算机和终端。 但是，两个实体问仅发送二进制位就指望对方能理解所传送的信息的内容 是刁i 可能的。为了进行通信，实体之间一定要达成一个协议。正如在数据通信组 成部分中所定义，协议就是控制数据通信的一组规则。一个协议定义了通信内容 是什么，通信如何进行以及何时进行。协议的关键要素是语法、语义和时序。 2 2 2 标准 由于有多种因素要求同步，即使排除传输正确性和效率因素，仅仅考虑通信 的建立，在网络节点之间的大量协调也是必需的。 5 郑州大学硕士论文第2 章数据通信理论基础2 0 0 5 年5 月 为生产厂商创建和维护一个开放和有竞争的市场，以及保证数据和电信技术 及过程的国际国内互操作性，标准是十分重要的。他们为生产厂家、供应商以及 政府机构和其他服务提供者提供了保证某种程度的互操作性的指导方针，而这种 互操作性在今天的市场和国际通信中是必需的。 数据通信标准可以分为两大类：事实标准和法定标准。法定标准是那些被官 方认可的组织制定的。未被官方认可的、但却在实际应用中被广泛采用的标准称 为事实标准。事实标准通常都是那些试图对新产品进行功能定义的生产厂商建立 的。 事实标准可以进一步分为两类：私有的和非私有的。私有标准是最初由一个 商业组织为本身产品的操作制定的基础。因为该标准由制定它的企业完全拥有， 所以称为私有标准。这些标准也被称作封闭式标准，因为它不提供与别的厂商产 品间的通信能力。非私有标准是最初由某些组织或委员会制定并推向公共领域的 标准；他们也被称为开放标准。因为他们提供了不同系统之间的通信能力。 尽管同时存在着许多标准化组织，但是北美的数据和电信方面的标准主要依 据于以下一些机构：国际标准化组织( i s o ) 、国际电信联盟电信标准化部( i t u t ， 原为c c i t t ) 、美国国家标准化协会( a n s i ) 、电气电子工程师协会( i e e e ) 、 电子工业联合会( e i a ) 、贝尔中心1 6 j 。 2 3g 7 0 3 建议 g 7 0 3 建议是由i t u t 第十五研究组( 2 0 0 1 - - 2 0 0 4 ) 制订的，并在2 0 0 1 年 1 1 月2 9 日通过世界电信标准化全会( w t s a ) 的决议。此建议详细说明了在g 7 0 2 ( p d h 准同步数字系列) 和g 7 0 7 ( s d h 同步数字系列) 中描述的分级数字接口 的被推荐使用的物理和电气特性。接口是根据以下几点定义的：一般特性，输出 和输入端口或者交叉连接点的规范，外导体或屏蔽物的接地以及编码规则。g 7 0 3 建议提供了g 7 0 2 ( 准同步数字系列) 和g 7 0 7 ( 同步数字系列) 规定的分级数 字接口的被推荐使用的物理和电气特性，使得数字网络设各( 数字终端、复用设 备、交换设备) 的互连能够成为国际化的数字链路或连接。靳设备的设计必须符 合此建议规定的特性。以下介绍其中相关的6 4 k b i t s 和2 0 4 8 k b i t s 两个最基本的 接口标准。 6 郑州大学硕上论文第2 章数据通信理论基础 2 0 0 5 年5 月 2 3 16 4 k b i t s 接口( e 0 ) 2 3 1 1 功能要求 以下基本要求是设计接口时推荐的： 对于发送和接收两个方向，都有三种信号通过接口： 一 6 4 k b i t s 信息信号 一6 4 k h z 定时信号 一8khz定时信号 6 4 k b i t s 信息信号和6 4 k h z 定时信号时必须的。然而，尽管8 k h z 定时信号 必须由控制设备( 如p c m 复用或时隙存取设备) 产生，对其他端接口的下级设 备，是利用控制设备提供的8 k h z 定时信号还是自己提供8 k h z 定时信号，没有 强制要求。上级数据流中检测到错误可通过报警指示信号( a i s ) 由6 4 k b i t s 接 口传送给下级设备。 特别地，对于八位字节同步的1 5 4 4 k b i t s 数字网络中，在6 4 k b i t s 数字信号 的任八位字节中至少有一个二进制位为1 。在非八位字节同步的比特流中，一；允 许超过7 个连续的零出现在6 4 k b i t s 信号中。 三种接口类型【7 】： 同向接口：指通过这个接口的信息和它相关的定时信号是以同一方向传输 的，如图2 2 所示【7 j ： 终端业务 - 世备 信息信号 定时信号 图2 2 同向接口 数字传输 设备 郑州夫学硕论史第2 章数据通信理论基础2 0 0 5 年5 月 反向接口：指通过这个接口的与两个传输方向相关的定时信号都是由数字传 输设备提供给终端设备的，如图2 - 3 所示【7 】： 终端业务 设备 信息信号 定时信号 图2 3 反向接口 数字传输 设备 中央时钟接口：指通过这个接口的与两个传输方向相关的定时信号是由个 中央时钟供给的，例如这个中央时钟可能来自于进入链路的信号。如图2 - 4 所示【7 l ： 终端业务 设备 2 3 1 2 接口电气特性 冈 i 时钟 l ，。一 匪哿 信息信号 定时信号 f 刊援；1 数字俸输 设备 由于三种接口类型的定时信号提供方式的不同，因此所需的接口线和信号编 码方式也不同，以下分别说明1 7 】： ( 1 ) 同向接口的电气特性 a 标称比特率：6 4 k b i t s b 经接口传输的信号比特率的最大容差：= + l o o p p m ( 6 4b i t s ) 8 郑州人学顾 论文第2 章数据通信理论基础2 0 0 5 年5 月 6 4 k b i t s 和8 k h z 的定时信号年l ：1 6 4 k b i t s 的信息信号在同一方向传输，对每一 传输方向用一平衡线对；推荐使用变压器。 c 用编码的方法将三种信号综合在一个传输信号之中。 d 信号编码规则如下： a 将6 4 k b i t s 周期分成4 个单位间隔 b 二进制的1 被编码成为4 比特码组：1 1 0 0 c 二进制的“o ”被编码成为4 比特码组：1 0 1 0 d 通过交替变换相邻码组的极性，把二进制信号转换成三电平信号 e 在每第8 组破坏码组的极性交替( 第八组不改变极性) ，从而表示该破 坏码组代表了八比特信息组的最后一个比特。 上述编码规则可通过图2 5 所示【7 】的例子予以说明。 过压保护要求：参见l t u t 的k 4 1 燃剖：| ：| ：i ：i ：| ：l ；i ：f ：f ：l ： “步 几几几几厂 几几f 1n 厂 厂 r 几门厂 d 步 门几一几n 卜f 卜 nn 门n r n 卜 图2 5 同向接口信号编码规则 从图中我们可以看出，对于任意的信息比特组合，传输信号都在按规则发生 变化，接收端可以从信号中识别出包含的6 4 k h z 定时信号，同时利用第8 组破 坏码组的极性交替的规则，接收端可以识别出8 k h z 定时信号。这样就实现了在 一个传输方向上用一对平衡线传输三种接口信号( 6 4 k b i t s 信息、6 4 k h z 定时、 9 郑州大学倾 二论立第2 章数据通信理论基础 2 0 0 5 年5 月 8 k h z 定时) 。对于全双工通信，接口只需两对( 四线) 平衡线路。 e 接口特性： 接口电路的输出信号为矩形脉冲，“传号”( 有脉冲) 的标称峰值电压为1 0 v ， “窄号”( 无脉冲) 的峰值电压为- + 0 1 0 v 。标称脉冲宽度3 鼽s ( 信号波特率 2 5 6 k b d ) 。如果平衡线对是平衡的，屏蔽层在输出口接地，必要时也要能在输入 口将屏蔽接地。 ( 2 ) 反向接口的电气特性 反向接口与同向接口不同的是，它需要在每个传输方向使用两对平衡线， 一对用于传输数据信号，另对用于传输综合的定时信号( 6 4k h z 和8 k h z ) 。推 荐用变压器。数据信号编码采用1 0 0 占空比的双极性a m i ( a l t e m a t em a r k i n v e r s i o n ) 码，综合的定时信号采用5 0 占空比的双极性a m i 码传递6 4 k h z 定 时信号，并通过引入编码规则破坏点的办法来传递8 k h z 定时信号的8 相信息。 如图2 - 6 所示1 7 】： 篇淼f 。6f ，7 。8i ，1i 。2f ，3 。4f 。5f 。6i 。7f i ： 数据信号 定时信号 卜厂 ， 图2 6 反向接口信号编码规则 反向接口电路的输出波形也是矩形脉冲，数据信号的标称脉冲宽度为 1 5 印s ，定时信号的标称脉冲宽度为7 即s 。其它特性与同向接口相似。 ( 3 ) 中央时钟接口的电气特性 标称比特率：6 4 k b i t s ，容限决定于网络时钟的稳定性( 见g 8 1 1 ) 中央时钟接口在每一个传输方向上需要用一对平衡线传输数据信号，另外还 需要用一对平衡线将来自中央时钟源的综合定时信号( 6 4k h z 和8 k h z ) 送至局 1 0 郑州人学倾士论文第2 章数据通信理论基础2 0 0 5 年5 月 内终端设备。数据信号采用1 0 0 占空比的双极性a m i 码，定时信号采用5 0 7 0 占空比的a m i 编码和编码规则破坏点技术，与反向接口的情况相同。编码 舰则不再重复。 2 3 22 0 4 8 k b i t s 接口( e 1 2 ) 2 3 2 1 一般特性 2 0 4 8 k b i t s 的一般特性如卜吼 标称比特率：2 0 4 8 k b i t s 比特率精度：5 0 p p m ( 1 0 2 4b i t s ) 过压保护要求：参见l t u t 的k 4 1 编码：3 阶高密度双极性码( h i g hd e n s i t yb i p o l a r o f o r d e r 3 ) 。h d b 3 码是a m i 码的改进型。a m i 码是用交替极性的脉冲表示码元“l ”，用无脉冲表示码元0 。 为了防止电路出现长时间无脉冲状态，h d b 3 码的编码规则是：当没有4 个或4 个以上连续的“o ”码时，就按a m l 规则编码：当连续出现4 个或4 个以上连续的 “0 ”码时，每4 个连续“o ”的第一个0 的变化要看它前面相邻的1 的情况而变， 如果它的前一个“1 ”的极性与前一个破坏点的极性相反而本身又不是破坏点，则 4 个连续的0 的第一个0 仍保持“o ”；如果它的前一个1 的极性与前一个破坏 点的极性相同或本身就是破坏点，则第一个0 改为1 。这一规则保证了相继破 坏点具有交替的极性，因而不会引入直流成分。4 个连续0 的第2 、3 个“0 ”总是 为0 。4 个连续“o ”的第4 个“0 ”改为1 ，而其极性与它前一个1 的极性相同 ( 破坏极性交替规则) 。在接收端，如果相继收到两个极性相同的“1 i j ，它的前面 有3 个连续的0 贝0 将后一个1 改为0 ，如果它的前面是两个“o ”，则将前后两 个1 均改为“o ”。这样就恢复了原来的数据信号。 2 3 2 2 输出端信号特性 脉冲形状为标称矩形脉冲，“传号”( 有脉冲) 的标称峰值电压为2 3 7 v ( 同 轴线对) 或3 v ( 平衡线对) 。“空号”( 无脉冲) 的标称峰值电压为o 0 2 3 7 v ( 同 1 1 郑州太学硕f 论文第2 章数据通信理论基础2 0 0 5 年5 月 轴线对) 或o 0 3 v ( 平衡线对) ；标称脉冲宽度为2 4 4 n s 。 输出信号环回衰减必须具有如下最小值限制 频率范围( k l t z ) 环回衰减( d b ) 5 1 1 0 26 1 0 2 3 0 7 28 2 3 2 3 输入端信号特性 在输入端呈现的数字信号应该符合上述定义，但由于互连线对的特性而做了 修改。假定互连线对在频率为1 0 2 4 k h z 会衰减0 6 d b 。输入信号的抖动容限参见 g 8 2 3 7 1 2 。 输入环回衰减具有如下暂定最小值限制： 频率范围( i d t z ) 环嗣衰减( d b ) 5 l 1 0 21 2 1 0 2 2 0 4 8 1 8 2 0 4 8 3 0 7 21 4 2 。3 3g 7 0 3 接口的应用 利用模拟通信网传输数据信号，个话路的数据传输速率通常不高于 9 6 k b i t s ，而利用数字通信网传输数据信号，一个话路( 零次群) 的数据传输速 率可达4 8 、5 6 或6 4 k b i t s ，而且数据传输的误码率低，通信质量好。具有g 7 0 3 接口功能和特性的数据通信设备( 数据终端、分组交换、集中器等) 可以直接与 数字通信设备( p c m 设备) 连接。对于具有v 系列或x 系列建议接口功能和特 性的数据通信设备要利用数字通信信道传输数据时，需要在数据通信设备和 p c m 设备之间加接口和速率转换器。 郑州夫学硕l 论立第3 章 误码仪系统设计总体方案2 0 0 5 年5 月 第3 章误码仪系统设计总体方案 本课题所丌发的误码仪可对2 m 以下速率通信线路的通信质量进行有效的 评估，并可以将测试结果通过显示屏直观的显示给用户，并且还提供实时各种报 警信号的指示。 低速率误码仪总体设计采用a t 8 9 c 5 2 单片机芯片、d s 2 1 7 2 误码仪测试芯 片和e 1 接口芯片来完成系统硬件主体部分的设计，结合必要的外围器件完成整 个硬件的设计。软件系统可以提供显示、键盘命令、l e d 指示、背光、节电模 式、误码测试等用户必需的功能。 本章以下内容，就从误码仪的测试原理、误码仪的技术指标、总体构架和 主要芯片的选型及介绍几个方面，对低速率误码测试仪的系统总体方案作简要阐 述，系统硬件和软件设计的详细论述在第4 章和第5 章介绍。 3 1 误码仪测试原理 1 误码仪的测试原理 误码仪由发端模块和收端模块两部分组成。发端模块产生伪随机码序列数据 流，作为通信系统的信源数据流；收端模块接收通信系统输出的比特流，并将其 与本地产生的、与发端形式相同的伪随机码比特流进行比较，从而完成误码测试， 如图3 - 1 所示。 发! 传输信 送i 一 图3 一】误码仪测试原理图 2 测试步骤： ( 1 ) 发端模块产生原始数据，并使其通过被测通信系统构成的信道。 醮矬器 郑州大学硕卜论文第3 章误码仪系统设计总体方案2 0 0 5 年5 月 ( 2 ) 收端模块产生与发端相同码型、相同相位的数据流。 ( 3 ) 将收到的数据流与收端产生的本地数据流逐比特地比较，并进行误码统计。 ( 4 ) 根据误码统计结果，计算出相应的误码率，并输出误码显示。 ( 5 ) 具体计算思路为：平均误码率= 统计时间间隔内的误码个数时钟速率( 周 期讧统计时间间隔总秒数 3 误码仪的几种测试方法 在实际工作中，为解决远距离传输造成的信号衰减，实际通信中常用两台调 制解调器( m o d e m ) 将收、发数据终端连接起来，从而实际应用中的误码率测试 就有自测、环测和对测三种方式，如图3 - 2 所示。 | 误码仪 一：_ m o d e m | ( 1 ) 自测( 由本地m o d f a t 环回) f 每煎 一刊塑一 ： 至 ( 2 ) 环测( 由远端m o d e m 环回) 每每碎- ：二降：可m o d e 呻m _ 1 _ 事夏| ( 3 ) 对测( 由对端误码仪互测伪随机序列) 图3 2 误码仪测试的三种方式 3 2 误码仪设计思路和主要技术指标 1 误码仪总体设计思路 本课题开发的低速率误码仪是基于手持仪器的设计要求：电路板面积小，仪 器重量轻，电量消耗少，电路结构简洁等。因此在开发过程中是基于以下设计思 路来进行的。 _ 硬件电源采用+ 5 v 单电源工作。 尽量采用超大规模集成器件。 - 采用高效、低功耗器件。 提供可靠复位和程序故障监视。 1 4 郑州人学硕士论文第3 章误码仪系统设计总体方案2 0 0 5 年5 月 _ 提供掉电数据保护。 - 软硬系统采用模块化设计。 一软件采用中断处理模式。 2 误码仪的主要技术指标 2 m b s ，n x 6 4 k b s 通信信道误码测试。 误码插入：随机单误码插入，固定间隔插入误码( 1 0 1 1o 7 ) 。 串行接口：r s 2 3 2 。 告警和状态l e d 指示。 测试图案：伪随机码1 0 6 1 ，1 0 9 1 ，1 0 1 1 _ 1 ，1 0 1 5 _ i ，l o ，o i ，1 0 2 3 _ 1 ，1 0 3 21 ；3 2 位 人工码，图案可编程。 3 3 误码仪系统总体构架 为了实现误码仪的功能指标，本课题开发的误码仪系统总体构架分为软件部 分和硬件部分，如图3 3 所示。硬件部分和软件部分设计均采用模块化结构，不 仅方便了调试和维护工作，而且提高了c p u 的工作效率和系统运行的可靠性。 i 一一一一 i ! 嫩i j。一一一一 。 j 芦i ；罱il 什_ f 百箭l ；附画i ；匡司 j i 匿 离赫i i l ：陌翮 l l 服务卜 ：匡到 七竺型；i 匝团； i 叵!i 匡蓟j i l l 一一 图3 3 误码仪系统构架框图 软件部分由主程序和各个中断服务程序组成，这样安排软件结构使得程序结 构台理，有效的利用了c p u 的资痫。中断服务程序包括若干功能处理子模块， 郑州大学倾上论文第3 章误码仪系统设计总体方案2 0 0 5 年5 月 分别完成相应的功能。 硬件部分则包括c p u 、扩展存储器、外部接口、键盘、液晶显示器、看门 狗复位电路、电源等模块。c p u 模块是整个系统的大脑，控制着整个系统的有 序运行和进行实时处理，采用m c s 5 1 系列单片机芯片a t 8 9 c 5 2 作为中央处理 器，并配合一片3 2 k b y t e s 的外部数据存储空间。误码测试模块选用d a l l a s 公司 的d s 2 1 7 2 误码测试芯片来实现。外部接口包括与e 1 线路的接口电路和与p c 机接口电路。液晶和键盘提供用户一个交互操作的平台，使得用户可以对误码仪 进行命令干预。 3 4 主要芯片选型及芯片介绍 在一个硬件系统的设计中，除了硬件逻辑要保证正确外，器件的选型也是至 关重要的。如果器件选型不合理，不仅会导致购买不方便、成本增加，还会导致 整个设备工作性能下降，设计生产工作量和难度大幅度的增加，更甚着还会引起 硬件系统不兼容，不能工作或损坏器件。在本误码测试仪设计中，芯片的选择考 虑了手持仪器省电、体积小，便于携带和使用等特点，尽量用低功耗c m o s 高 集成度芯片，节约耗电量和器件的体积和重量；还考虑了仪器成本经济性，尽量 使用当自f 应用中流行，市场上性价比较高的器件；最后考虑了开发设计中的简洁 和方便，器件电压等级都统一为5 v 电源供电，减小了设计中的复杂程度，增强 了设备工作的可靠性和兼容性，也方便了购买器件。 本章的以下内容中，主要集中对a t 8 9 c 5 2 、d s 2 1 7 2 、d s 2 1 5 5 4 三个重要芯 片的选型，以及芯片功能和特性作了较详细的论述。由于本章篇幅和论述的方便， 硬件系统其他的器件的选型和介绍在将在第4 章硬件系统设计中相应的章节再 作相关的介绍。 3 4 1c p u 芯片的选型和介绍 c p u 芯片是整个硬件系统的核心，中央处理器芯片多种多样，有高速的d s p 芯片，有功能简单经济的单片机，p c 机专用的c p u 芯片等等，c p u 芯片生产厂 商更是不胜枚举。c p u 芯片选择是否合适不仅影响到整个系统的工作的性能， 还关系到设计的复杂程度和设计的经济性。在本设计中考虑到设备工作性能的需 郑州大学硕i 论文第3 章误杩仪系统设计总体方案2 0 0 5 年5 月 要、开发成本、设计周期等综合因素，选择m c s 5 1 单片机芯片a t 8 9 c 5 2 作为 本课题的中央处理器。 a t 8 9 c 5 2 是美国a t m e l 公司生产的低电压，高性能c m o s 工艺8 位单片 机，片内含8 k b y t e s 的可反复擦写的只读程序存储器( e p r o m ) 和2 5 6 kb y t e s 的随机存取数掘存储器( r a m ) ，器件采用a t m e l 公司的高密度，非易失性存储 技术生产，兼容标准m c s 5 1 指令系统，片内置8 位中央处理嚣( c p u ) 和f l a s h 存储单元，功能强大a t 8 9 c 5 2 单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活 应用于各种控制领域。a t 8 9 c 5 2 的引脚封装图如图3 4 所示。 a t 8 9 c 5 2 主要有以下特i 生 s l ： 与兼容m c s 5 1 产品指令系统和引脚完全兼容。 系统内置8 kb y t e s 的可重复编程的f l a s h 存储器，寿命可达1 0 0 0 次檫 写周期。pdipcerdip 全静态操作：0 h z 2 4 m h z 。t 。2 ：；：? p 12 2 5 6 x 8 位内部r a m 。 ； ； p 1s 3 2 条可编程f o 口线。 酞i 3 个1 6 位定时器，计数器。黑蒜灌i 8 个中断源。6 向量2 级中断结构。 黑t o 饕： 可编程全双工串行u a r t 通道。 。吧盟； 低功耗空闲和电源掉电模式。a t 8 9 c 5 2 可降 “o p 22 f 1 “ 至0 h z 静态逻辑操作，并且支持两种软件可 选的节电工作模式。空闲模式下停止c p u ，但允许r a m ，定时器计数 器，串行接口，中断系统继续工作。掉电模式保存r a m 中的内容，但 是振荡器工作停止，禁止其他所有部件功能直到下一个硬件复位。 片上集成振荡器和时钟电路。 3 4 2 误码测试芯片的选型和介绍 误码测试模块的电路是硬件系统设计的重点。选择占用体积很小的d s 2 1 7 2 ， 它的封装形式为t q p f 7 x 7 x l m m ( 3 2 ) ，引脚封装图如图3 - 4 所示。 1 7 黜涩裟浠瓣懑巢萌 虻阳鼬邮邮邮即即即|耋川陌雌 、pp口bbbbbbbbbbbbb口b 一种弛盯”；：”。引竹曲”扑n蛆引一 厂 一 、 一 一，2，o o o，o，”侣仃作伯一 ，qqqqqq日qq口唾日口口口口口qq口j 郑州人学倾l 论文第3 章误码仪系统设计总体方案2 0 0 5 年5 月 d s 2 1 7 2 是d a l l a ss e m i c o n d u c t o r 公司生产的一种用于通信测试的比特误码率 测试仪( b e r t ，b i te r r o rr a t et e s t e r ) 芯片。d s 2 1 7 2p i n a s s i g n m e n t 比特误码率测试仪是由可软件编程的测试模式发生器、 接收器和分析部件构成的，它能够满足数字传输设备的 最严格的误码性能要求。有两种测试模式发生器( 伪随 即模式和重复模式) ，遵守c c i t i i t uo 1 5 1 ，o 1 5 2 ， o 1 5 3 和o 1 6 1 标准。d s 2 1 7 2 的工作频率从0 h z 到 5 2 m h z 。这个如此宽的工作频率允许d s 2 1 7 2 可用于现 有的和未来的测试设备、传输设备、交换设备 ( s w i t c h i n g ) 、数模转换器( d a c s ) 、网桥( b r i d g e s ) 、 数据服务单元( d s u ) 、和客户终端设备( c p e ) 。 图34d s 2 1 7 2 3 1 脚图 1 f i t 啄i r 辑 信道服务单元( c s u ) 、 d s 2 1 7 2 用户编程模式寄存器有产生环回( l o o p b a c k ) 模式的独特能力，这 些环回模式是t 1 、部分t 1 线路( f r a c t i o n a l t 1 ) 、s m a r tj a c k 和其他测试工程必 需的。因此d s 2 1 7 2 有能够建立环回、进行测试、检测误码和最后解除环回的功 能。 d s 2 1 7 2 编程可产生任何长度的伪随机图案( 长度可达2 3 2 1 位) ，或者可 产生任何用户自己编程的比特图案( 长度从1 到3 2 位) 。利用逻辑输入可将 d s 2 1 7 2 配置为要求有时隙时钟( g a pc l o c k i n g ) 的应用中，如：