基于FPGA的RS485接口误码测试仪的设计和实现 测试结果, 测试仪器, 误码率, Error, 接口

yuyang911220

在数字通信中，误码率BER（Bit Error Rate）是衡量通信系统质量的一项重要指标。无论是设备故障、传播衰落、码间干扰、临近信道干扰等因素都可能造成系统性能恶化甚至造成通信中断，其结果都可通过误码的形式表现出来[1]。因此，误码测试仪是现代通信系统的主要测试仪器之一。
目前，通常使用的传统误码测试仪虽然具有测试内容丰富、测试结果直观等优点，但是由于通信系统复杂程度的不断增加，接口形式变化多样以及一些非标准码率的应用，使得传统误码测试仪的使用受到了一定的限制。另一方面，近年来FPGA技术得到了迅速发展，使用FPGA设计电路具有很大的灵活性，可以大大提高集成度和设计速度，还可以简化接口和控制，有利于提高系统的整体性能和工作可靠性。本文即介绍了一种基于FPGA的RS485接口误码测试仪的设计和实现。该设计具有系统简单、功能可靠、接口独特等特点，并且增加了传统误码测试仪所没有的测量系统传输延时的功能。
1 设计背景
本文所设计的误码测试仪主要用于测试某通信系统的误码性能。该通信系统是一个庞大复杂的系统，本文主要介绍信道部分，包括基带的信道编解码和无线信道的收发，其基本框图如图1所示。

为了在线路传输上保证良好的抗干扰能力，系统采用了RS485接口，选用了4.096 Mb/s的码率。因此，为了测试图1所示系统的误码性能，误码测试仪必须具有以下指标：
(1) 逻辑接口：RS485差分信号。
(2) 物理接口：DB9。
(3) 码率：4.096 Mb/s。
传统误码测试仪通常都不具备以上3项指标，本文设计的误码测试仪满足了上述3项指标。
2 误码测试原理
构成误码测试仪的方案有多种形式，其基本工作过程可以概括为以下几个步骤：
(1) 以某种方式产生和发送码组相同的码形,以相同相位的本地码组作为比较标准。
(2) 将本地码组与接收码组逐个进行比较,并输出误码脉冲信号。
(3) 对误码脉冲信号进行统计,并给出相应的误码率。
在通信工程应用中,为了最大程度地模拟真实通信中的数据流的统计特性，通常采用二进制伪随机序列。对于伪随机序列有以下几点要求[2]：
(1) 应具有良好的伪随机性,即应具有和随机序列类似的随机性。
(2) 应具有良好的自相关、互相关和部分相关特性，即要求自相关峰值尖锐，而互相关和部分相关值接近于零。这是为了接收端的准确检测，以减小差错。
(3) 要求随机序列的数目足够多，以保证在码分多址的通信系统中，有足够多的地址提供给不同的用户。
根据本地码组发生器的构成方式不同，误码测试仪可分为多种类型，本文采用的是逐位检测式，其使用的码组为最大长度线形移位反馈寄存器序列，即m序列。其工作原理为：本地的m序列发生器产生的m序列和所接收的m序列进行逐位比较，若两个m序列同步，则比较器输出的是传输误码；若两个m序列不同步，则比较器输出的是由失步造成的误码。由于失步造成的误码较大(根据m序列的特性，其误码率应为0.5)，因此可根据误码率门限来区分检测系统是否失步。若失步，则让本地m序列发生器等待一个时钟周期,再依次逐位比较,并逐位控制本地m序列发生器的等待时间,直到两序列完全同步为止。
3 硬件设计
本系统用单片机作为主控芯片,由FPGA完成误码测试的工作，将得到的误码信息传送给单片机，单片机进行误码率的计算后送液晶屏进行显示。m序列的发送和接收都是通过RS485接口进行的。本系统单片机选用的是51系列的STC89LE58RD+，3.3 V供电,可以减小系统功耗。FPGA选用了Xilinx公司的SPARTNANII-E系列的XC2S300E，其内部包括了30万个逻辑门和其他丰富的资源，可以满足本系统的需要。RS485接口芯片选用Analog Device公司的ADM4857，它是一款10 Mb/s码率、全双工的485接口芯片[3-4]。系统的硬件框图如图2所示。