基于FPGA+DSP的HFC网络监测系统研究

摘要

通过双向的有线电视光纤同轴电缆混合网(HFC，Hybrid Fiber-Coaxial)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(Cable Modem,CM)与HFC网络前端的设备电缆调制解调器端接系统(Cable Modem Termination Systems,CMTS)进行双向数据通信，通过HFC网络连入Internet网。
　　 由于HFC网络的星树形的网络拓扑结构，使得HFC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HFC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FPGA+DSP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166.4MHz采样率，并将核心信号处理算法移至FPGA实现，从而保证了信号处理的适时性。通过FPGA的高速并行能力进行信号的频谱分析，实现FFT和DFT两个模块的并行运算。DSP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Matlab算法仿真，FPGA算法编程，DSP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1ms，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。

目录

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第一章绪论

1.1双向HFC网络概述

1.2 HFC上行信道监测系统的发展背景与现状

1.3项目来源和论文主体的章节安排

第二章HFC双向网络监测系统整体架构

2.1 HFC网络介绍

2.1.1 HFC网络发展状况

2.1.2 HFC网络特性

2.1.3 HFC网络汇聚噪声

2.2 HFC双向网络监测系统

2.2.1 HFC网络监测系统在网络中的位置

2.2.2 HFC网络监测系统架构

2.3本章小结

第三章高速数字信号处理算法及实现

3.1频谱分析算法

3.1.1频谱仪分类及原理

3.1.2频谱仪中常用的测量参数及意义

3.1.3傅里叶变换与频谱分析

3.1.4快速傅里叶变换(FFT)

3.1.5频谱细化算法

3.2 FPGA频谱分析算法实现

3.2.1双端口RAM缓存

3.2.2窗函数数据存储ROM

3.2.3 FFT模块实现

3.2.4 FFT控制模块

3.2.5傅里叶变换后续数据处理

3.2.6 DFT模块

3.2.7 FPGA编程注意事项

3.3本章小结

第四章高速数字信号处理系统

4.1 DSP芯片介绍

4.1.1 DSP芯片的主要特点

4.1.2 Blackfin531芯片介绍

4.2可编程逻辑器件与FPGA简介

4.2.1 FPGA结构原理与特点

4.2.2 Cyclone Ⅲ系列FPGA芯片介绍

4.3数字信号系统整体架构

4.3.1高速A／D采样电路

4.3.2 LMK3002初始化及电压转换CPLD芯片

4.3.3 FPGA初始化

4.3.4 DSP与FPGA通信实现

4.3.5 DSP外围芯片

4.3.6 DSP程序

4.4本章小结

第五章系统调试

5.1.信号处理算法调试

5.1.1算法仿真

5.1.2信号处理算法的板级调试

5.1.3信号处理算法的系统级调试

5.2数字信号处理板硬件调试

5.3调试结果

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢