[硕士论文精品]基于dsp和fpga的频谱监测系统研究与设计

西北工业大学硕士论文基子DSP霜FPGA时砌着盟翻赓级研穷与份IT摘要本论文基于利用高速宽带放大器对射频信号进行放大滤波，通过高速AD采样后送入FPGA和DSP中以完成相关的指标计算，最后将得到的指标数据通过RS232接口送出的基本设计思路，研究设计了一套实时对广播信号进行监测的硬件设备广播信号遥控监测系统。主要实现了对异地广播信号的实时监测，录音，数据存储，异常告警等功能。监测中心向遥控站下发监测任务后，遥控监测站根据任务类型安排自动收测任务计划，实现对异地广播信号的实时监测、录音以及数据存储等功能。遥控监测站会将工作情况记录到工作日志中，然后监测中心向遥控监测站下发回收数据文件任务，遥控监测站通过以太网将本地的广播信息调制度，信号电平，频偏等告知监测中心，如有异常，遥控监测站会启动设备故障报警。监测中心通过客户端软件对全国各地装有遥控站的监测点的广播信号进行实时监测。该设计方案明显优于传统的全波段收音机调谐到指定频点后测量AGC，再作线性修正得到单点的场强的方案同时与用带数字接口的频谱仪直接监测广播信号的方案相比，也具有更好的性价比。本设计层次清晰，结构紧凑，数据处理速度快，功能齐全且易于进行升级和功能扩展，尤其是计算单元电路大大简化，充分体现出当前应用FPGA和DSP使设备数字化、模块化的发展趋势。设计出的遥控监测系统具有精度高、稳定性好、效率高、动态范围大、可靠性高、智能化程度高等特点，已经应用于国家广电总局的远程监测项目中，具有非常好的工程实用价值和指导意义。关键词遥控监测站FPGA广播信号DSP西北工业大学硕士论文基于DSP和FPGA劣狮著盟礴不统动乡之与纷汁ABSTRACTTHISDISSERTATIONPRESENTSTHEPRINCIPIUMANDSTRUCTUREOFANREMOTEBROADCASTMONITOR,ONTHEBASISOFUTILIZEHIGHSPEEDBROADBANDAMPLIFIERTOAMPLIFYTHERFSIGNALUSESHIGHSPEEDADANDSENDSTHESAMPLEDATAINTOFPGAANDDSPTOCALCULATETHERELEVANTINDEXDATA,THENSENDTHEINDEXDATATHROUGHRS232THEDEVICEMAINLYREALIZESFUNCTIONSASFOLLOWINGSMONITORING,RECORDING,DATASTORAGEANDALARMETCOFBROADCASTINGSIGNALSIFTHEMONITORINGCENTERTASKSREMOTELY,THERELEVANTREMOTEBROADCASTMONITORWILLARRANGEDIFFERENTAUTOMATICTASKSCHEMEACCORDINGTODIFFERENTTASKTYPETOREALIZETHEREALTIMEMONITOR,RECORDANDINDEXDATASTORAGEOFBROADCASTINGSIGNALSTHEREMOTEBROADCASTMONITORWILLHAVEDAILYLOGTORECORDTHESTATUSANDGOINGIFTHEMONITORINGCENTERTASKSTORETURNTHEINDEXDATA,THEREMOTEBROADCASTMONITORWILLRETURNTHELOCALBROADCASTINGSIGNALDATATHEMODULATEDEGREE,LEVEL,FREQUENCYOFFSETETCIFTHEREISANYABNORMALITY,THEREMOTEBROADCASTMONITORWILLSTARTUPSTHEEXCEPTIONHANDLESTOALARMTHEMONITORINGCENTERMONITORSTHELOCALBROADCASTINGSIGNALSWHEREAREMOTEBROADCASTMONITORISSETTINGINREALTIMETHEPRESENTEDDESIGNISOBVIOUSLYSUPERIORTOTHETRADITIONALSCHEMETHATISMEASURINGTHEAGCAFTERAWHOLEBANDRADIOHARMONIZESTOTHEFREQUENCYPOINT,THENGETTHEINDEXDATAAFTERLINEARREVISIONCOMPARINGWITHTHESCHEMETHATTHESPECTRUMDEVICEWITHDIGITALINTERFACEMONITORSTHERADIOSIGNALDIRECTLY,THEDESIGNHASBETTERPERFORMANCEONCASTSIMULTANEOUSLYESPECIALLYTHEGREATSIMPLIFICATIONOFCALCULATINGUNITCIRCUITFULLYEMBODIESTHEDEVELOPMENTTENDENCYOFDIGITIZATIONANDMODULARIZATIONTHEDESIGNEDREMOTEBROADCASTMONITORSYSTEMISHIGHACCURATE,STABLE,EFFICIENCY,CREDIBLE,INTELLIGENTANDWITHBROADDYNAMICSCOPETHEDESIGN,WHICHHASHIGHPRACTICALVALUEANDDIRECTIVESIGNIFICANCE,ISALREADYAPPLIEDTOTHELONGRANGEMONITORINGPROJECTOFSTATEBUREAUOFRADIO,FILMANDTELEVISIONKEYWORDSREMOTEBROADCASTMONITOR,FPGA,BROADCASTINGSIGNAL,DSP西北工业大学硕士论文萝于DSP君FPGA劣蜘著思椒弄龚研穷与没详第一章绪论互11研究背景随着软件无线电，超大规模集成电路VLSI技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理DSP技术日益广泛地应用于现代通信的各个领域，DSP技术在各种信号处理设备中的应用必将发挥日益广泛的深刻的作用。目前HFC接收机大多在中频以下部分采用DSP技术，随着DSP芯片处理速度的迅速提高，从射频开始采用DSP技术处理信号成为可能。采用DSP技术后，模拟数字接口由高速ADC组成，核心部分主要是一块高速DSP。但是由于ADC的采样频率FS根据NYQUIST采样定理应该至少为输入信号频谱最高点值扣的2倍，DSP芯片的处理速度与高速ADC之间的差异成为人们提高频谱分析性能首先要考虑的因素。FPGA是20世纪90年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着EDA电子设计自动化技术和微电子技术的进步，FPGA的时钟延迟可达到NS级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景。并且FPGA具有高集成度、高可靠性等特点，在电子产品设计中将得到广泛的应用。FPGA器件的另一特点是可用硬件描述语言HDL对其进行灵活编程。利用FPGA厂商提供的软件可仿真硬件的功能。使硬件设计如同软件设计一样灵活方便。缩短了系统研发周期。利用JTAG接口可对其进行ISPINSYSTEMPROGRAMMABLE提高了系统的灵活性。随着芯片集成度的提高，单片FPGA内拥有大量的逻辑单元并集成了RAM,ROM及1/0等，从而使SOCSYSTEMONACHIP成为现实。HDL是硬件设计者和电子设计自动化之间的界面，用于数字电路描述、模拟和自动设计。在大规模数字系统的设计中，它逐步取代逻辑状态表和逻辑电路图成为主要的硬件描述工具。基于FPGA实现与高速ADC的高精度接口并与DSP结合实现广播频段频谱分析和监测，将是一个很好的解决办法。进行广播频段的频谱分析，目前国内的传统方法有两种。第一种为采用全波段收音机，调谐到指定频点后测量AGC，再作线性修正得到单点的场强。这种方法实现起来技术简单，价格低廉，但是精度比较低第二种为采用带数字接口的频谱仪，直接监测接入的广播信号。这种方法精度高，操作简单，界面友好，但价格昂贵。本设计方案的思想是利用高速宽带放大器对射频信号500KHZ1700KHZ进行放大，滤波，通过高速AD采样，结果送到FPGA,然后送到DSP中进行计算，完成相关的指标计算，将结果通过RS232接口送出，是目前性价比最高的。西北工业大学硕士论文基子DSP和FPGA必狮著FFRV与黄扩互12遥控监测系统任务及工作方式121遥控监测站主要任务接收中波、短波、调频广播的信号测量中波、短波、调频广播的信号电平和频率，中波调幅度，调频调制度，记录播出时间对中波、短波、调频广播段的频率进行扫描采集中波、短波、调频广播的音频信号。圣122系统工作方式1工作流程一个典型的监测任务的工作流程为数据处理中心向遥控监测站下发监测任务遥控监测站根据任务类型安排自动收测任务计划遥控监测站将工作情况记录到工作日志中遥控监测站设备故障及越限报警遥控监测站在线监听数据处理中心向遥控监测站下发回收数据文件任务遥控监测站回传监测数据。2工作类型实时监测任务频谱收测任务。3工作模式日常任务临时任务在线监听任务。录音方式根据任务要求设置录音时间，一般设置30秒。本地存储的文件类型监测数据时间、频率、电平、调制度等文件，其中每个收测周期内存放电平中值。频谱收测包括时间、频率、电平瞬时值等文件，存储电平的瞬时值，每秒5个数据。音频文件。将接收到的音频信号压缩，以文件的方式存储。异态报警文件外电故障电压小于A或大于B时，频率小于C或大于D时，A,B,C,D为可设定值持续时间达5分钟可设定时报警设备故障音频压缩卡、调幅度卡等故障持续时间达5分钟可设定时报警越限报警调幅西北工业大学硕士论文基子DSP和FPGA必狮著FFRV与黄扩互12遥控监测系统任务及工作方式121遥控监测站主要任务接收中波、短波、调频广播的信号测量中波、短波、调频广播的信号电平和频率，中波调幅度，调频调制度，记录播出时间对中波、短波、调频广播段的频率进行扫描采集中波、短波、调频广播的音频信号。圣122系统工作方式1工作流程一个典型的监测任务的工作流程为数据处理中心向遥控监测站下发监测任务遥控监测站根据任务类型安排自动收测任务计划遥控监测站将工作情况记录到工作日志中遥控监测站设备故障及越限报警遥控监测站在线监听数据处理中心向遥控监测站下发回收数据文件任务遥控监测站回传监测数据。2工作类型实时监测任务频谱收测任务。3工作模式日常任务临时任务在线监听任务。录音方式根据任务要求设置录音时间，一般设置30秒。本地存储的文件类型监测数据时间、频率、电平、调制度等文件，其中每个收测周期内存放电平中值。频谱收测包括时间、频率、电平瞬时值等文件，存储电平的瞬时值，每秒5个数据。音频文件。将接收到的音频信号压缩，以文件的方式存储。异态报警文件外电故障电压小于A或大于B时，频率小于C或大于D时，A,B,C,D为可设定值持续时间达5分钟可设定时报警设备故障音频压缩卡、调幅度卡等故障持续时间达5分钟可设定时报警越限报警调幅西北工业大学硕士论文萝子DSP和FPGA功亥噜嗯君W电平在一个收测周期内，电平中值连续小于设定值可调时，为电平报警频偏频率偏移大于设定值可调时，为频偏报警UPS故障报警。异态解除文件外电恢复持续时间达5分钟可由异地设定时，报警解除设备故障音频压缩卡、调幅度卡等恢复持续时间达5分钟可由异地设定时，报警解除越限恢复调幅度在单位收测时间内如1分钟，超过10的时间调幅度大于70且并不连续大于90时，为调幅度解除电平电平中值大于设定值可调时，为电平解除频偏频率偏移小于设定值可调时，为频偏报警UPS故障解除。6工作日志记录遥控监测站的工作情况，主要包括开机时间、通讯状态记录、自检结果、接收报警门限设置、异态和故障数据记录、在线监听控制记录、接收任务记录、软件升级记录、开始收测工作计划记录以及关机时间等。7故障自动处理机制外电断时，用UPS供电，当UPS电池电压下降到门限可由远端遥控设置以下时，系统自动关机。当外电来后，系统自动恢复工作。8其他参数设置播音时间定义为测量任务的开始时间和结束时间。可以跨天。任务开始日期、时间定义为任务开始的日期、时间。任务结束日期、时间定义为任务结束的日期、时间。9频谱收测任务参数设置开始测量时间结束测量时间频段设置步长设置。10参数回传根据要求，回传站名、日期时间、接收机实时参数值、频率、电平、调制度、UPS参数输入电压、输入频率、输出电压、电池电压、状态、软件工作状态等。西北工业大学硕士论文寡子DSP柳FPGAHV劫首滥翻弄劳研岁含与毋扩123系统框图UPS图11广播监测系统框图124系统功能通讯功能采用DDN数据专线的方式联网接收功能根据任务指令，自动接收当地中、短波和调频广播，并采集主要技术参数。测量功能载波信号电平中波、短波、调频，频率调制度调频和调幅度中波，中短波广播信号频偏音频处理功能采用硬件压缩技术，保证声音不产生明显失真，传输时，不出现断续现象音频信号存储按照运行图在本地同时记录多路音频数据，并存储为语音文件，自动存储10天，自动或根据要求回传。任务管理功能自动接受直属监测台或数据处理中心的监测任务指令，优先响应数据处理中心的指令，并自动安排收测任务。数据回传功能自动回传收测数据、音频文件、工作日志等。实时监听功能控制远程接收设备，实时完成信号的接收，相关数据实时回传，声音信号进行压缩压缩比可调，实时上传。数据存储功能根据任务指令，自动存储10天的测量数据和语音文件。西北工业大学硕士论文寡子DSP柳FPGAHV劫首滥翻弄劳研岁含与毋扩123系统框图UPS图11广播监测系统框图124系统功能通讯功能采用DDN数据专线的方式联网接收功能根据任务指令，自动接收当地中、短波和调频广播，并采集主要技术参数。测量功能载波信号电平中波、短波、调频，频率调制度调频和调幅度中波，中短波广播信号频偏音频处理功能采用硬件压缩技术，保证声音不产生明显失真，传输时，不出现断续现象音频信号存储按照运行图在本地同时记录多路音频数据，并存储为语音文件，自动存储10天，自动或根据要求回传。任务管理功能自动接受直属监测台或数据处理中心的监测任务指令，优先响应数据处理中心的指令，并自动安排收测任务。数据回传功能自动回传收测数据、音频文件、工作日志等。实时监听功能控制远程接收设备，实时完成信号的接收，相关数据实时回传，声音信号进行压缩压缩比可调，实时上传。数据存储功能根据任务指令，自动存储10天的测量数据和语音文件。西北工业大学硕士论文寡子DSP和HPGA时衡遭监君页瑰研穷与纷汗频谱占用自动测量功能可设置包括频段、时间、周期、步长等参数，收测文件自动或根据要求回传。安全功能系统有登陆安全设置和身份验证，可自动接收异地对安全密码的遥控更改。报警功能新频报警功能根据任务指令，可对调频广播的频谱进行自动测量，发现新频自动报警越限报警功能当测量的信号电平、调制度达不到规定的参数或中短波广播频率偏移超过规定的参数并确认后，立即向上级报警，同时自动回传有关异态参数台名、频率、机号、异态数据和开始报警的时间系统异常报警当系统软件、硬件如接收设备、电源等，系统向上级报警并上传相关的信息，详情记录到工作日志中。异态解除异态结束后，发报警解除，并上传相关的信息，详情记录到工作日志中。系统异常处理功能系统具有自启动功能。电源保护功能当UPS系统无输入电压时，系统能根据UPS的电池容量适时关闭系统。软件远程升级功能接收异地发送的升级程序，自动完成升级功能。13遥控监测系统设计要求系统采用遥控遥测的工作方式，无人值守，可全天24小时工作定期接收本系统GPS授时，自动校准系统时钟，误差不能超过1秒测量方式为循环，自动测量。测量误差_5无外电输入时UPS能保持10分钟的工作时间，在无外电时正常关机具有可靠的防雷措施，系统接地电阻5452电磁兼容系统设备应屏蔽良好工作环境温度一10550C,湿度邵5、海拔高度必000M系统支持远程升级和自动重启系统T作电压220V士10，频率5012HZ系统误报率5。西北工业大学硕士论文寡子DSP和HPGA时衡遭监君页瑰研穷与纷汗频谱占用自动测量功能可设置包括频段、时间、周期、步长等参数，收测文件自动或根据要求回传。安全功能系统有登陆安全设置和身份验证，可自动接收异地对安全密码的遥控更改。报警功能新频报警功能根据任务指令，可对调频广播的频谱进行自动测量，发现新频自动报警越限报警功能当测量的信号电平、调制度达不到规定的参数或中短波广播频率偏移超过规定的参数并确认后，立即向上级报警，同时自动回传有关异态参数台名、频率、机号、异态数据和开始报警的时间系统异常报警当系统软件、硬件如接收设备、电源等，系统向上级报警并上传相关的信息，详情记录到工作日志中。异态解除异态结束后，发报警解除，并上传相关的信息，详情记录到工作日志中。系统异常处理功能系统具有自启动功能。电源保护功能当UPS系统无输入电压时，系统能根据UPS的电池容量适时关闭系统。软件远程升级功能接收异地发送的升级程序，自动完成升级功能。13遥控监测系统设计要求系统采用遥控遥测的工作方式，无人值守，可全天24小时工作定期接收本系统GPS授时，自动校准系统时钟，误差不能超过1秒测量方式为循环，自动测量。测量误差_5无外电输入时UPS能保持10分钟的工作时间，在无外电时正常关机具有可靠的防雷措施，系统接地电阻5452电磁兼容系统设备应屏蔽良好工作环境温度一10550C,湿度邵5、海拔高度必000M系统支持远程升级和自动重启系统T作电压220V士10，频率5012HZ系统误报率5。西北工业大学硕十论文萝子DSP匆FPGA劣狮谱密翻质AWZ与完成部分上位机程序的软件编程并进行测试参与了基于DSP和FPGA的广播监测系统的设计和实现，建立了基于以太网的监测平台。15本章小结本章主要对遥控监测系统的研究背景，设计任务和设计要求进行了简单介绍。遥控监测站的主要任务是接收中波、调频广播信号测量广播信号的电平和频率，中波调幅度，调频调制度，记录播出时间对中波、调频广播段的频率进行扫描采集音频信号。根据遥控监测站主要任务，给出了系统框图和设计任务。并从系统工作方式、系统功能两方面进行分析，对广播监测系统的主要设计任务和工作方向进行了预测。西北工业大学硕士论文基子DSP柳FPGA必劫著一寒与价IT第二章频谱监测系统的结构及方案设计21广播数据接口协议频谱监测系统所采用的协议接口层次如图21所示广播监测设备监测网主机口，HTTP协议早，月，月，TCPIIP协IV早，日几，月蜘拥体排协IQ早，图21协议接口层次图211物理连接协议层规定“监测网主机”和“广播监测设备”必须连接在同一个IP网络上。连接方式使用LOMLOOM的RJ45接口。图22物理连接方式图212TCP/IP协议层规定在连接监测网主机和广播监测设备的IP网络中，监测网主机的IP地址和广播监测设备的IP地址由国家主管部门统一分配。该IP网络必须能够保证监测网主机和广播监测设备的连接通畅。监测网主机和广播监测设备必须实现TCPIIP协议，以保证被接入此IP网络的其它主机正常访问。西北工业大学硕士论文塞子DSP和FPGA的赛嗯阴芝翻衷纷班泞与纷扩213HTTP协议层规定监测网主机和广播监测设备之间的数据传输通信采用非持续连接类型，通信模式采用“请求一回应”方式。其中，根据通讯的具体情况，监测网主机和广播监测设备都可以充当“发起方”和“回应方”。基于HTTP协议的“请求一回应”流程如下图23“请求一回应”流程图回应方对某个PORT进行监听，收到请求后返回接收结果。数据包采用标准的HTTP协议进行封包。包分为请求包和回应包两种类型。包分为包头和包体两部分。包头和包体之间有一空行。具体HTTP协议参加参考标准。发起方在发送数据时采用POST方法，发送方的HTTP头中要包含POST方法和内容长度字段。即包含以下两个字段1POSTURLHTTP/112CONTENTLENGTHMURL指回应方接收数据的程序位置，发起方必须能够配置此IRL。内容长度XXX根据具体情况填入实际的值，长度不限。发送方的HTTP数据包的包体中内容为需要传递的XML文档，XML的具体格式在本规范中有规定。回应方返回的HTTP头要包含状态码和状态描述HTTP/11YYYYYY是指状态码，如果所有处理都正确，则应该为“200“如果是HTTPSERVER本身的错误，则HTTPSERVER会填入相应的错误码如果是回应方模块内部判断产生错误，则应该填入“500“。YYY西北工业大学硕士论文寡尹NSP柳FPGA时卿谱腔关口与纷扩必须为整数，限制为3位。XXXX为对状态码的描述，长度不限。毛沃1R的其它限制以HTTP/11协议要求为准。回应方发送的HTTP数据包的报体内容为空。214XML协议内容1下行消息头当中心需要向广播监测设备查询信息时，会发送下行XML，每个下行XML都具有消息头，格式如下其中，MSG标记为消息头的标记，每个XML消息都必须具有此标记，MSG标记中VERSION属性表示XM1接口的版本号，本文档中描述的接口版本一律为5MSGID属性标识XML消息的ID，此ID为无符号整数类型，且需要本地唯一对不同的XML消息，MSGID应该不同。TYPE属性表示XMI消息的类型，对于上行消息，类型为RADIOUP，表示安全上行接口。DATETIME表示此XML消息生成的时间，时间格式需要符合YYYYMMDDHHMMSSSRCCODE表示XM消息发送方的代码。DSTCODE西北工业大学硕士论文寡尹NSP柳FPGA时卿谱腔关口与纷扩必须为整数，限制为3位。XXXX为对状态码的描述，长度不限。毛沃1R的其它限制以HTTP/11协议要求为准。回应方发送的HTTP数据包的报体内容为空。214XML协议内容1下行消息头当中心需要向广播监测设备查询信息时，会发送下行XML，每个下行XML都具有消息头，格式如下其中，MSG标记为消息头的标记，每个XML消息都必须具有此标记，MSG标记中VERSION属性表示XM1接口的版本号，本文档中描述的接口版本一律为5MSGID属性标识XML消息的ID，此ID为无符号整数类型，且需要本地唯一对不同的XML消息，MSGID应该不同。TYPE属性表示XMI消息的类型，对于上行消息，类型为RADIOUP，表示安全上行接口。DATETIME表示此XML消息生成的时间，时间格式需要符合YYYYMMDDHHMMSSSRCCODE表示XM消息发送方的代码。DSTCODE西北工业大学硕士论文萝于DSP和FPGA内奈谙盟翻索垅研关与纷IF表示XM消息接收方的代码。REPLY表示此XML消息对应的下行查询消息MSGID如果是主动上报的消息，则REPLYID为一1如果该上行XML消息非主动上报XML，则需要具有RETUM元素，代表查询的结果。RETUM元素具有如下属性TYPE属性表示对应查询类型，如QULITYTASKSET表示此上行消息为频道查询的查询结果。VALUE属性表示查询结果，DESC为说明，VALUE和DESC的取值可能为0成功1目的地址错误2优先级低3版本错误4消息ID错误5消息类型错误6源地址错误7消息格式错误8任务已存在9其他错误错误为未定义错误，由设备进行定义返回。具体的QUALITYALARMHISTORYQUERY,QUALITYALARMHISTORYREPORT,QUALITYTASKSET,QUALITYALARMPARAMSET,SPECUUMHISTORYQUERY,QUALITYHISTORYQUERY,SPECTRUCNHISTORYREPORT,QUALITYHISTORYREPORT,SPECFUMTASKSET,STREAMHISTORYQUERY等等任务的XML协议格式此处不再赘述。22频谱监测设备结构概述频谱监测站用于广电广播监控系统，主要功能为通过专网或公网将广播信号的技术指标数据、声音数据、设备状态参数等以主动或被动形式送往中心的指定服务器。系统整体结构说明如下与上位机采用TCP/IP通讯，SOCKET长链接，数据流方式通讯，数据格式采用XML。与接收机的通讯采用RS232串口的方式实现，其中对于在线监听，采用声卡的方式来录音。采用多线程的方式，不同的线程完成不同的任务，提高系统的性能和并发。采用统一的日志接口，对于重要信息、错误信息、可疑信息、业务要求的信息等可以记录到指定的日志文件中或者数据库表中。221网络结构图安放在监测地点的各个遥控站通过天线接收广播信号进行分析计算，得到中心所需要的各项指标和数据，并通过调制解调器或者广域网网络设备接日通过SDH专用网或者PSTH公网进行传输。西北工业大学硕士论文萝于DSP和FPGA内奈谙盟翻索垅研关与纷IF表示XM消息接收方的代码。REPLY表示此XML消息对应的下行查询消息MSGID如果是主动上报的消息，则REPLYID为一1如果该上行XML消息非主动上报XML，则需要具有RETUM元素，代表查询的结果。RETUM元素具有如下属性TYPE属性表示对应查询类型，如QULITYTASKSET表示此上行消息为频道查询的查询结果。VALUE属性表示查询结果，DESC为说明，VALUE和DESC的取值可能为0成功1目的地址错误2优先级低3版本错误4消息ID错误5消息类型错误6源地址错误7消息格式错误8任务已存在9其他错误错误为未定义错误，由设备进行定义返回。具体的QUALITYALARMHISTORYQUERY,QUALITYALARMHISTORYREPORT,QUALITYTASKSET,QUALITYALARMPARAMSET,SPECUUMHISTORYQUERY,QUALITYHISTORYQUERY,SPECTRUCNHISTORYREPORT,QUALITYHISTORYREPORT,SPECFUMTASKSET,STREAMHISTORYQUERY等等任务的XML协议格式此处不再赘述。22频谱监测设备结构概述频谱监测站用于广电广播监控系统，主要功能为通过专网或公网将广播信号的技术指标数据、声音数据、设备状态参数等以主动或被动形式送往中心的指定服务器。系统整体结构说明如下与上位机采用TCP/IP通讯，SOCKET长链接，数据流方式通讯，数据格式采用XML。与接收机的通讯采用RS232串口的方式实现，其中对于在线监听，采用声卡的方式来录音。采用多线程的方式，不同的线程完成不同的任务，提高系统的性能和并发。采用统一的日志接口，对于重要信息、错误信息、可疑信息、业务要求的信息等可以记录到指定的日志文件中或者数据库表中。221网络结构图安放在监测地点的各个遥控站通过天线接收广播信号进行分析计算，得到中心所需要的各项指标和数据，并通过调制解调器或者广域网网络设备接日通过SDH专用网或者PSTH公网进行传输。西北工业大学硕士论文基于DSP孑钌FPGA兢掰学篮鼎嚣苏醒掰与撑舻表示XML消息接收方的代码。REPLY表示此XML消息对应的下行查询消息MSGLD。如果是主动上报的消息，则REPLYID为一1如果该上行XML消息非主动上报XML，则需要具有RETURN元素，代表查询的结果。RETURN元素具有如下属性TYPE属性表示对应查询类型，如QULITYTASKSET表示此上行消息为频道查询的查询结果。VALUE属性表示查询结果，DESC为说明，VALUE和DESE的取值可能为0成功；1目的地址错误；2优先级低；3版本错误；4消息ID错误5消息类型错误；6源地址错误7消息格式错误；8任务已存在9其他错误错误为未定义错误，由设备进行定义返回。具体的QUALITYALARMHISTORYQUERY，QUALITYALARMHISTORYREPORT，QUALITYTASKSET，QUALITYALARMPARAMSET，QUALITYHISTORYQUERY，QUALITYHISTORYREPORT，SPECTMMHISTORYQUERY，SPECMAMHISTORYREPORT，SPECTRUMTASKSET，STREAMHISTORYQUERY等等任务的XML协议格式此处不再赘述。22频谱监测设备结构概述频谱监测站用于广电广播监控系统，主要功能为通过专网或公网将广播信号的技术指标数据、声音数据、设备状态参数等以主动或被动形式送往中心的指定服务器。系统整体结构说明如下与上位机采用TCPIP通讯，SOCKET长链接，数据流方式通讯，数据格式采用XML。与接收机的通讯采用RS232串口的方式实现，其中对于在线监听，采用声卡的方式来录音。采用多线程的方式，不同的线程完成不同的任务，提高系统的性能和并发。采用统一的日志接口，对于重要信息、错误信息、可疑信息、业务要求的信息等可以记录到指定的日志文件中或者数据库表中。221网络结构图安放在监测地点的各个遥控站通过天线接收广播信号进行分析计算，得到中心所需要的各项指标和数据，并通过调制解调器或者广域网网络设备接口通过SDH专用网或者PSTH公网进行传输。西北工业大学硕士论文基于DSP和FPGA新学篮蜊莠纺院号撑舻222设备结构图图24网络结构图嵌入式主机分别通过3个串口与3个接收机连接，分别用来实现数据采样，采集音频信号，调谐至某一频点。此外还有1个串口与MODEM连接以实现拨号上网，1个网卡设备以实现宽带接入。臣函调制解调器西北工业人学硕士论文基于DSP和FPGA张颤喾篮鼎募棼醪疗亨醋矛图25设备结构图23频谱监测设备工作流程在启动遥控监测设备以后，设备以图26所示的简要流程完成中心下发的各项监测任务。其中客户连接、监控进程以线程方式实现；数据库和设备用信号量保护；客户连接之间的线程同步链用状态表加信号量实现。HTTPSERVER模块的主要功能是等待上位机的连接，并返回应答；监控进程主要负责基本情况监控、采集，包括设备状态、环境情况等；客户连接主要负责解析上位机的命令，并进行相关的处理访问设备数据库，最后需要将结果返回上位机。绍。图26设备工作流程图设备工作流程中各个模块具体的软件或硬件设计，后面几章将分块进行详细介24本章小结根据由国际标准组织提出的开放系统互联模型。在七层通讯协议层里，跟本设计的硬件有关的主要是物理层，数据链路层和网络层。第一层也就是最下面一层物理层用来传送电气信号，第二层数据链路层负责将数据组成帧位组，并在网络设备之间传输。第三层网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层西北工业大学硕士论文萝子DSP君FPGA功斯著盗翩表9V与蹬动图25设备结构图23频谱监测设备工作流程在启动遥控监测设备以后，设备以图26所示的简要流程完成中心下发的各项监测任务。其中客户连接、监控进程以线程方式实现数据库和设备用信号量保护客户连接之间的线程同步链用状态表加信号量实现。HTTPSERVER模块的主要功能是等待上位机的连接，并返回应答监控进程主要负责基本情况监控、采集，包括设备状态、环境情况等客户连接主要负责解析上位机的命令，并进行相关的处理访问设备数据库，最后需要将结果返回上位机。图26设备工作流程图设备工作流程中各个模块具体的软件或硬件设计，后面几章将分块进行详细介绍。24本章小结根据由国际标准组织提出的开放系统互联模型。在七层通讯协议层里，跟本设计的硬件有关的主要是物理层，数据链路层和网络层。第一层也就是最下面一层物理层用来传送电气信号，第二层数据链路层负责将数据组成帧位组，并在网络设备之间传输。第三层网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层西北工业大学硕士论文萝子DSP君FPGA功斯著盗翩表9V与蹬动图25设备结构图23频谱监测设备工作流程在启动遥控监测设备以后，设备以图26所示的简要流程完成中心下发的各项监测任务。其中客户连接、监控进程以线程方式实现数据库和设备用信号量保护客户连接之间的线程同步链用状态表加信号量实现。HTTPSERVER模块的主要功能是等待上位机的连接，并返回应答监控进程主要负责基本情况监控、采集，包括设备状态、环境情况等客户连接主要负责解析上位机的命令，并进行相关的处理访问设备数据库，最后需要将结果返回上位机。图26设备工作流程图设备工作流程中各个模块具体的软件或硬件设计，后面几章将分块进行详细介绍。24本章小结根据由国际标准组织提出的开放系统互联模型。在七层通讯协议层里，跟本设计的硬件有关的主要是物理层，数据链路层和网络层。第一层也就是最下面一层物理层用来传送电气信号，第二层数据链路层负责将数据组成帧位组，并在网络设备之间传输。第三层网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层西北工业大学硕上论文基子DSP和FPGA时纷歼V分份IT包头，其中含有逻辑地址信息源站点和目的站点地址的网络地址用来处理网络间路由，确保数据及时传送。本章主要在这3个层面上，从三个方面对频谱监测系统进行了总体介绍。一是接口协议，分别从物理连接协议，TCP/IP协议，HTTP协议和XML协议四个方面对系统接口进行了介绍说明。二是结构分析，分别从网络结构和设备结构两方面对广播监测系统进行了总体介绍。三是设备工作流程，给出了设备启动以后的工作流程及简单介绍。西北工业大学硕士论文澎子DSP柳FPGAJAI,FC与纷洋第三章指标监测板的设计及实现31指标监测板结构设计指标监测板是本设备的设计重点，是基于FPGA和DSP的硬件系统。广播监测系统是实时信号处理系统，要求必须具有处理大数据量的能力，以保证系统的实时性其次对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。实时信号处理算法中经常用到不同层次、不同种类的处理。其中有的运算本身结构比较简单，但是数据量大，计算速度要求高有些处理对速度并没有特殊的要求，但计算方式和控制结构比较复杂，难以用纯硬件实现。指标监测系统是对运算速度要求高、运算种类多的综合性信息处理系统。随着大规模可编程器件的发展，采用DSP十ASIC结构的信号处理系统显示出了其优越性，正逐步得到重视。与通用集成电路相比，ASIC芯片具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批量应用时，可降低成本。现场可编程门阵列FPGA是在专用ASIC的基础上发展出来的，它克服了专用ASIC不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便。目前，FPGA的容量已经跨过了百万门级，使得FPGA成为解决系统级设计的重要选择方案之一。DSPFPGA结构最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。实时信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用FPGA进行硬件实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。32指标监测板电路设计及功能细分下面对监测板的各个部分做详细的设计说明，指标监测板系统框图如图31所示。应用软件通过底层驱动软件下达各种命令以完成自动调谐、搜索相关频点等动作，为系统提供中频及音频信号。同时还能读取各种系统及指标参数。西北工业大学硕士论文澎子DSP柳FPGAJAI,FC与纷洋第三章指标监测板的设计及实现31指标监测板结构设计指标监测板是本设备的设计重点，是基于FPGA和DSP的硬件系统。广播监测系统是实时信号处理系统，要求必须具有处理大数据量的能力，以保证系统的实时性其次对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。实时信号处理算法中经常用到不同层次、不同种类的处理。其中有的运算本身结构比较简单，但是数据量大，计算速度要求高有些处理对速度并没有特殊的要求，但计算方式和控制结构比较复杂，难以用纯硬件实现。指标监测系统是对运算速度要求高、运算种类多的综合性信息处理系统。随着大规模可编程器件的发展，采用DSP十ASIC结构的信号处理系统显示出了其优越性，正逐步得到重视。与通用集成电路相比，ASIC芯片具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批量应用时，可降低成本。现场可编程门阵列FPGA是在专用ASIC的基础上发展出来的，它克服了专用ASIC不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便。目前，FPGA的容量已经跨过了百万门级，使得FPGA成为解决系统级设计的重要选择方案之一。DSPFPGA结构最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。实时信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用FPGA进行硬件实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。32指标监测板电路设计及功能细分下面对监测板的各个部分做详细的设计说明，指标监测板系统框图如图31所示。应用软件通过底层驱动软件下达各种命令以完成自动调谐、搜索相关频点等动作，为系统提供中频及音频信号。同时还能读取各种系统及指标参数。西北工业大学硕士论文翁尹DSP和FPGA功期谓监翻雳现研穷与毋洋自动调谐接收电路ISA总线接口图31指标监测板系统框图321电源模块本设备中采用VICORL2V和VICOR5V电源和自己设计的电压变换电路来为各个模块提供所需要的供电电压。VICORL2V和VICOR5V用来产生PC机所需要的稳定的12V和5V的供电电压，并为变换产生其他的电源电压提供基础。产生的电压通过LM111725和LM111733及滤波电容以产生DSP和FPGA所需要的25V和33V电源电压。用TLP521实现光电祸合以隔离PC机信号及DSP,FPGA信号。具体的电路图如图32所示器朴一邵一“】311L如粼如喊乞I丫联W霖能爹M11口以二斗入一卜一11D劝F图32电源模块电路图L6西北工业大学硕士论文翁尹DSP和FPGA功期谓监翻雳现研穷与毋洋自动调谐接收电路ISA总线接口图31指标监测板系统框图321电源模块本设备中采用VICORL2V和VICOR5V电源和自己设计的电压变换电路来为各个模块提供所需要的供电电压。VICORL2V和VICOR5V用来产生PC机所需要的稳定的12V和5V的供电电压，并为变换产生其他的电源电压提供基础。产生的电压通过LM111725和LM111733及滤波电容以产生DSP和FPGA所需要的25V和33V电源电压。用TLP521实现光电祸合以隔离PC机信号及DSP,FPGA信号。具体的电路图如图32所示器朴一邵一“】311L如粼如喊乞I丫联W霖能爹M11口以二斗入一卜一11D劝F图32电源模块电路图L6西北工业大学硕士论文基子DSP和FPGA必须着密D不黝研兑与黄IF322中心计算单元整个监测板的中心计算单元由FPGA和DSP结合组成，系统对接收频点的信号进行实时采集，然后将数据送FPGA作预处理，最后给DSP作各种信号数字处理，以得到指标参数。所有采集，处理，计算均由监测板完成，不占用工控机CPU的任何资源，为以后的二次开发提供了最大的计算机资源。具体的电路图如图33和图34所示1监控复位芯片X5643本设计中采用了监控复位芯片X5643实现看门狗功能和校准数据掉电存储功能。监控复位芯片X5643是微处理器/单片机系统的监控复位集成电路，他们提供上电复位、掉电复位、电压跌落复位、看门狗定时输出和掉电数据保护等功能。X5643是SPI接口、带64K位EEPROM的CPU监控器。X5643芯片将以下四种功能集成在一起上电复位控制，看门狗定时器，电源电压监控和在一个封装中用块锁定保护的EEPROM存储器。这种集成降低了系统损耗，减少了电路板空间需要，并且增强了可靠性。对设备上电可以激活上电复位电路，上电复位电路可以使RESETIRESET有效保持一段时间。这可以使电源电压和振荡器在处理器在执行代码前可以稳定。看门狗定时器为微控制器提供一个独立的保护机制。当微控制器在一个可选择的超时时间内没有重新启动定时器，器件就会激活RESETLRESET信号。用户可从三个预置值中选择超时时间，一旦选定，那么这个时间就不能改变，即使重新上电以后也不会改变。设备的低VCC检测电路在低压状态下保护用户的系统，当VCC低于最小VCC跳变点时，检测电路会复位系统，直到VCC回到正常工作范围并稳定下来。有五种工业标准VTRIP门限值可以选用，允许对门限电压值进行编程来满足普通需要或更高精度的应用。2快速RAMIS61C256AHIS61C256AH采用ISSI高性能CMOS技术及创新的电路设计方法设计制造，是高速COMS静态RAMIS61C256AH共有32KX86IT，访问时间可以达到15NS满足了系统需求。3FPGA配置芯片EPC2LCACEXIK是基于SRAM的芯片，在每次系统初始化的时候都需要重新下载配置数据如果配置数据有所变化，也需要重新下载。ALTERA生产的配置芯片EPC2LC为EPROM，可以为ACEXIK芯片存储配置数据。EPC2LC是为了实现ACEX系列FPGA配置的串行EPROM具有方便使用的与ACEX系列连接的4引脚接口配置时低电流功耗，接近0电流功耗的等待状态软件可编程支持ALTERA的MASTERPROGRAMMINGUNITMPU编程及从数据UOBP微系统以及其他系统的硬件编程西北工业大学硕士论文塞于DSP柳FPGA肘翻A盆麒赓缭研I纷IF可反复编程FLASH配置存储器舀叼洲I目峨1八吩喃卜七TL肠T喊已一6公怡匕盏刀行枯T1111图33DSP及其接口电路图18西北工业大学硕士论文萝子DSP柳FPGA必衡盆匆奏醉与纷IF拍砚纬明藻刃甘1匕勺贬翔，口刁巨声L工1争汾性，砚巨住，二皿图34FPGA模块电路图19西北工业人学硕士论文萝于DSP和FPGA必翔谐盟戴共瑰研与蹬IF323AD单元通过两路不同采样频率的AI通道，采用ADS822分别采样AM广播信号和FM广播信号。采用动态范围大的AD7731采样FS广播信号。采样数据通过FPGA存入快速RAMIS61C256中。ADS822是单电源5V供电的低功耗，COMS模拟数字转换单片电路。单端输入和差分输入的情况下都能够提供非常好的转换结果。IOBITS的编码器，宽波段跟踪保持，高精度内部参考电压或外部参考电压。采用数字误差修正技术以提供优异的线性微分性能。ADS822的低失真和高SNR也使转化结果更加精确。AD7731是低噪声、高通过率的E一模数转换器，适合于测量具有广泛动态范围的低频信号。AD7731独特的前端增益可编程功能允许AD7731直接接受各种范围的输入信号。AD7731采用三线模式串行接口，易于与微处理器或数字信号处理器接口，可广泛应用于数据采集系统和可编程逻辑控