基於PXIe接口的數位化儀的製作方法
2023-09-11 01:22:05 2
專利名稱：基於PXIe接口的數位化儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及信號分析領域，特別是涉及一種基於PXIe接口的數位化儀。
背景技術：
隨著技術的發展，軍用測試裝備正朝向小型化、智能化發展，要求測試的功能不斷增多，體積儘可能小。在測試裝備中分析類儀器佔有非常重要的地位，為了解決複雜的信號分析，往往需要進行多域分析，數位化儀為這種需求提供了技術保障。它是建立在信號數位化基礎上的一項數位訊號處理技術，為測試系統提供各種分析功能，包括示波器、矢量信號分析儀、頻譜分析儀等多種功能，滿足時域、解調域及頻域的聯合分析需求，從不同的角度對信號進行分析，為複雜測試系統的功能調試、故障診斷提供有效的支持。但是，在現有技術中，多功能、小型化是該裝置研製的重點和難點。
發明內容
本發明提供一種基於PXIe接口的數位化儀，以解決現有技術中的上述問題。本發明提供一種基於PXIe接口的數位化儀，包括模擬信號處理與模擬/數字A/D轉換電路單元，用於對輸入的模擬信號進行調理，並進行A/D採集，將A/D採集後的數位訊號輸入到板載信號處理單元；觸發管理單元，用於進行觸發源分配，並進行觸發類型管理；時鐘管理單元，用於產生數位化儀各單元的時鐘信號，並對時鐘信號進行分配；板載信號處理單元，用於對A/D採集後的數位訊號進行處理，輸出信號速率可調的IQ數據流信號；捕獲引擎單元，用於根據觸發管理單元發送的觸發信號和時鐘管理單元發送的時鐘信號向板載內存存儲管理單元發送存儲IQ數據流信號的控制指令；板載內存存儲管理單元，用於根據捕獲引擎單元的控制指令，將板載信號處理單元輸出的IQ數據流信號進行存儲；PXIe接口邏輯控制單元，用於與PXIe總線接口進行通信，接收控制單元通過PXIe總線接口發送的控制信號，根據控制信號對數位化儀內部各個單元的寄存器進行讀寫，實現對數位化儀中的各個單元的配置和控制；獲取板載內存存儲管理單元中存儲的IQ數據流信號，通過PXIe總線接口將IQ數據流信號到分析單元；分析單元，用於根據IQ數據流信號進行示波、矢量信號分析和頻譜分析。優選地，模擬信號處理與模擬/數字A / D轉換電路單元具體包括阻抗匹配模塊、衰減器、濾波放大模塊、以及A/D採集模塊；阻抗匹配模塊，用於對模擬信號進行終端匹配；衰減器，由30dB動態範圍、以及O. 5dB步進的衰減網絡組成，用於對阻抗匹配模塊輸出的模擬信號進行衰減；濾波放大模塊，包括濾波器、開關、以及放大器，其中，濾波器用於對兩種濾波方式進行選擇，並對衰減器輸出的模擬信號進行濾波，其中，兩種濾波方式包括低通方式和帶通方式，低通方式完成IOOHz 400MHz的模擬信號接收；帶通方式完成296. 4MHz 346. 4MHz的模擬信號接收；開關以及放大器用於將模擬信號的幅度調整到A/D採集模塊的接收範圍內；A/D採集模塊，用於進行A/D採集，將模擬信號轉換為數位訊號。優選地，觸發源包括外部可編程功能接口 PFI觸發、背板總線觸發、信號通道O觸發、以及板載信號處理單元觸發；觸發類型包括立即觸發、軟體觸發、以及數字觸發。優選地，時鐘管理單元具體包括時鐘產生模塊，用於通過AD9511晶片將參考時鐘經過鎖相環PLL倍頻至預定頻率，然後經過預設的分頻器分頻至所需要的頻率；時鐘分配模塊，用於將AD9511晶片產生的時鐘信號分配給各單兀。優選地，PXIe接口邏輯控制單元採用FPGA實現。優選地，板載信號處理單元具體包括均衡濾波器、數字增益模塊、數字偏移模塊、直接數字控制DDC模塊、數據處理模式選擇模塊、以及OSP觸發模塊；均衡濾波器，用於A/D採集後的數位訊號進行均衡濾波；數字增益模塊，用於對均衡濾波後的數位訊號進行數字增益；數字偏移模塊，用於數字增益後的數位訊號進行數字偏移；DDC模塊，用於對數字偏移後的數位訊號進行處理，輸出IQ數據流信號；數據處理模式選擇模塊，用於選擇對IQ數據流信號進行處理的數據處理模式，其中，數據處理模式包括實數數據處理模式和複數數據處理模式；板載信號處理單元觸發模塊，用於向觸發管理單元發送IQ數據流信號，其中，IQ數據流信號作為板載信號處理單元觸發的判斷依據。優選地，DDC模塊具體包括頻率轉換模塊，用於對數字偏移後的數位訊號進行數字混頻和下變頻；小數分頻重採樣模塊，用於對進行下變頻後的數位訊號進行小數分頻重採樣；濾波抽取模塊，用於對輸入的數位訊號進行濾波抽取，輸出IQ數據流信號。優選地，頻率轉換模塊具體用於根據預先設置的掃描頻率範圍和掃描頻率步進對輸入的A / D採集後的數位訊號進行掃描，將數位訊號分別與兩路正交的數字振蕩器信號相乘，完成數字混頻和下變頻；濾波抽取模塊具體用於通過級聯積分梳狀CIC濾波器、半帶HB濾波器、以及有限長單位衝激響應FIR濾波器對輸入的數位訊號進行高頻分量消除，獲取同相分量I和正交分量Q，並根據同相分量I和正交分量Q獲取IQ數據流信號，其中，IQ數據流信號包括I信號參量、Q信號參量、M信號參量、P信號參量、以及F信號參量。優選地，控制單元具體包括矢量分析模塊，用於對IQ數據流信號進行載波同步與碼同步，並對IQ數據流信號進行幅度補償和相位補償，通過測量濾波器進行濾波後，IQ數據流信號分成兩路，一路通過碼元檢測形成參考信號，另一路為測量信號，將參考信號與測量信號進行比較，進行誤差計算；頻譜分析模塊，用於通過濾波抽取模塊中的CIC濾波器、HB濾波器、以及FIR濾波器獲取原始頻譜數據的分析帶寬RBW，並通過鑑幅和FIR濾波獲取原始頻譜數據的顯示帶寬VBW，對原始頻譜數據的進行檢波，獲取頻譜數據，根據頻譜數據進行頻譜分析；並控制頻率轉換模塊的掃描頻率範圍和掃描頻率步進，其中，FIR濾波器係數不變，通過控制CIC濾波器和HB濾波器的抽取倍數實現不同的帶寬的轉換。優選地，掃描頻率步進小於或等於1/3RBW。本發明有益效果如下本發明實施例的技術方案能夠提供高採樣率、高解析度的數字分析，模擬帶寬高，並且具有板載信號處理器功能，能夠實現DDC、重採樣、FIR濾波抽取、IQ數據存儲等功能，同時支持時鐘同步、觸發功能，支持多種解調方式，可廣泛應用於射頻通信、射頻廣播、衛星通信等各種通信系統及軍事領域中的電子戰接收機、雷達接收機、電子偵察等領域。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉本發明的具體實施方式
。
通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本發明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中圖1是本發明實施例的基於PXIe接口的數位化儀的結構示意圖；圖2是本發明實施例的模擬信號處理與A/D轉換電路單元的結構示意圖；圖3是本發明實施例的板載信號處理單元的結構示意圖；圖4是本發明實施例的數位化儀控制單元整體工作流程圖；圖5是本發明實施例的示波器驅動接口功能示意圖；圖6是本發明實施例的驅動的功能結構示意圖；圖7是本發明實施例的數字正交抽取平臺結構的示意圖；圖8是本發明實施例的矢量信號分析算法的結構示意圖；圖9是本發明實施例的基於FIR的頻譜分析過程的示意圖；圖10是本發明實施例的以RBW為步進掃描導致幅度測量誤差的示意圖。
具體實施例方式下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這裡闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，並且能夠將本公開的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。為了解決上述問題，本發明提供了一種基於PXIe接口的數位化儀，能夠完成三域(時間域、頻域、調製域)的分析功能，本發明實施例的數位化儀包括模擬信號處理與A/D轉換電路單元、觸發管理單元、時鐘管理單元、板載信號處理OSP單元、板載內存存儲管理單元和捕獲引擎單元、以及PXIe接口邏輯控制單元；並採用IVI標準接口實現儀器互聯，驅動功能接口函數遵循IV1-4. l_Scope示波器規範，與NI數位化儀產品相兼容；本發明實施例的數位化儀能夠進行頻譜分析和矢量分析，下述將分別給出頻譜分析和矢量分析的框架結構。需要說明的是，本發明實施例還可以具有示波器功能，由於示波器功能相對比較簡單，本發明實施例不進行過多的闡述。本發明實例使用通用數位訊號處理的通用解調框架取代了原有的模擬解調方式，大大簡化了信號分析儀的結構尺寸，實現PXIe緊湊體積下的寬頻帶示波器、矢量信號分析和頻譜分析功能，為測試裝備的小型化提供技術支持，同時為軍用測試系統未來發展時域、解調域及頻域的綜合化的聯合分析提供技術保障。以下結合附圖以及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不限定本發明。根據本發明的實施例，提供了一種基於PXIe接口的數位化儀，圖1是本發明實施例的基於PXIe接口的數位化儀的結構示意圖，如圖1所示，根據本發明實施例的基於PXIe接口的數位化儀包括模擬信號處理與模擬/數字A / D轉換電路單元10、觸發管理單元
11、時鐘管理單元12、板載信號處理單元13、捕獲引擎單元14、板載內存存儲管理單元15、PXIe接口邏輯控制單元16、以及分析單元17，以下對本發明實施例的各個模塊進行詳細的說明。模擬信號處理與模擬/數字A/D轉換電路單元10，用於對輸入的模擬信號進行調理，並進行A/D採集，將A/D採集後的數位訊號輸入到板載信號處理單元13 ；模擬信號處理與模擬/數字A/D轉換電路單元10具體包括阻抗匹配模塊、衰減器、濾波放大模塊、以及A/D採集模塊；阻抗匹配模塊，用於對模擬信號進行終端匹配；衰減器，由30dB動態範圍、以及O. 5dB步進的衰減網絡組成，用於對阻抗匹配模塊輸出的模擬信號進行衰減；濾波放大模塊，包括濾波器、開關、以及放大器，其中，濾波器用於對兩種濾波方式進行選擇，並對衰減器輸出的模擬信號進行濾波，其中，兩種濾波方式包括低通方式和帶通方式，低通方式完成IOOHz 400MHz的模擬信號接收；帶通方式完成296. 4MHz 346. 4MHz的模擬信號接收；開關以及放大器用於將模擬信號的幅度調整到A / D採集模塊的接收範圍內；A/D採集模塊，用於進行A/D採集，將模擬信號轉換為數位訊號。觸發管理單元11，用於進行觸發源分配，並進行觸發類型管理；其中，觸發源包括外部可編程功能接口 PFI觸發、背板總線觸發、信號通道O觸發、以及板載信號處理單元13觸發；觸發類型包括立即觸發、軟體觸發、以及數字觸發。時鐘管理單元12，用於產生數位化儀各單元的時鐘信號，並對時鐘信號進行分配；時鐘管理單元12具體包括時鐘產生模塊，用於通過AD9511晶片將參考時鐘經過鎖相環PLL倍頻至預定頻率，然後經過預設的分頻器分頻至所需要的頻率；時鐘分配模塊,用於將AD9511晶片產生的時鐘信號分配給各單兀。板載信號處理單元13，用於對A/D採集後的數位訊號進行處理，輸出信號速率可調的IQ數據流信號；板載信號處理單元13具體包括均衡濾波器、數字增益模塊、數字偏移模塊、直接數字控制DDC模塊、數據處理模式選擇模塊、以及OSP觸發模塊；均衡濾波器，用於A/D採集後的數位訊號進行均衡濾波；數字增益模塊，用於對均衡濾波後的數位訊號進行數字增益；數字偏移模塊，用於數字增益後的數位訊號進行數字偏移；DDC模塊，用於對數字偏移後的數位訊號進行處理，輸出IQ數據流信號；其中，DDC模塊具體包括頻率轉換模塊，用於對數字偏移後的數位訊號進行數字混頻和下變頻；具體地，頻率轉換模塊根據預先設置的掃描頻率範圍和掃描頻率步進對輸入的A/D採集後的數位訊號進行掃描，將數位訊號分別與兩路正交的數字振蕩器信號相乘，完成數字混頻和下變頻；小數分頻重採樣模塊，用於對進行下變頻後的數位訊號進行小數分頻重採樣；濾波抽取模塊，用於對輸入的數位訊號進行濾波抽取，輸出IQ數據流信號。數據處理模式選擇模塊，用於選擇對IQ數據流信號進行處理的數據處理模式，其中，數據處理模式包括實數數據處理模式和複數數據處理模式；具體地，濾波抽取模塊具體用於通過級聯積分梳狀CIC濾波器、半帶HB濾波器、以及有限長單位衝激響應FIR濾波器對輸入的數位訊號進行高頻分量消除，獲取同相分量I和正交分量Q，並根據同相分量I和正交分量Q獲取IQ數據流信號，其中，IQ數據流信號包括1信號參量、Q信號參量、M信號參量、P信號參量、以及F信號參量。板載信號處理單元13觸發模塊，用於向觸發管理單元11發送IQ數據流信號，其中，IQ數據流信號作為板載信號處理單元13觸發的判斷依據。捕獲引擎單元14，用於根據觸發管理單元11發送的觸發信號和時鐘管理單元12發送的時鐘信號向板載內存存儲管理單元15發送存儲IQ數據流信號的控制指令；板載內存存儲管理單元15，用於根據捕獲引擎單元14的控制指令，將板載信號處理單元13輸出的IQ數據流信號進行存儲；PXIe接口邏輯控制單元16，用於與PXIe總線接口進行通信，接收控制單元通過PXIe總線接口發送的控制信號，根據控制信號對數位化儀內部各個單元的寄存器進行讀寫，實現對數位化儀中的各個單元的配置和控制；獲取板載內存存儲管理單元15中存儲的IQ數據流信號，通過PXIe總線接口將IQ數據流信號到分析單元17 ;優選地，PXIe接口邏輯控制單元16採用FPGA實現。分析單元17，用於根據IQ數據流信號進行示波、矢量信號分析和頻譜分析。分析單元17具體包括矢量分析模塊，用於對IQ數據流信號進行載波同步與碼同步，並對IQ數據流信號進行幅度補償和相位補償，通過測量濾波器進行濾波後，IQ數據流信號分成兩路，一路通過碼元檢測形成參考信號，另一路為測量信號，將參考信號與測量信號進行比較，進行誤差計算；頻譜分析模塊，用於通過濾波抽取模塊中的CIC濾波器、HB濾波器、以及FIR濾波器獲取原始頻譜數據的分析帶寬RBW，並通過鑑幅和FIR濾波獲取原始頻譜數據的顯示帶寬VBW，對原始頻譜數據的進行檢波，獲取頻譜數據，根據頻譜數據進行頻譜分析；並控制頻率轉換模塊的掃描頻率範圍和掃描頻率步進，其中，FIR濾波器係數不變，通過控制CIC濾波器和HB濾波器的抽取倍數實現不同的帶寬的轉換。掃描頻率步進小於或等於1/3RBW。以下結合附圖，對本發明實施例的上述技術方案進行詳細說明。本發明實施例公開了一種基於PXIe接口的多功能數位化儀，採用數位訊號處理方式，可提供250MS/S高採樣率、16bit高解析度信號分析功能，硬體主要由模擬信號處理與A/D轉換電路和FPGA信號處理IP組成，並採用IVI標準接口實現儀器互聯。本發明實施例的數位化儀的結構如圖1所示，主要包括模擬信號處理與A/D轉換電路單元、觸發管理單元、時鐘管理單元、板載信號處理OSP單元、板載內存存儲管理單元、捕獲引擎單元、PXIe接口邏輯控制單元等七個硬體單元以及分析單元組成。以下分別對上述各個單元進行詳細說明。1、模擬信號處理與A/D轉換電路單元模擬信號處理與A / D轉換電路單元完成輸入模擬信號調理與A/D採集功能，圖2是本發明實施例的模擬信號處理與A/D轉換電路單元的結構示意圖，如圖2所示，包括阻抗匹配、衰減器、濾波放大網絡及A/D採集等五部分組成。
其中，阻抗匹配網絡完成信號的終端匹配工作，避免信號的反射、振鈴現象，增強系統的穩定性。衰減器由30dB動態範圍、O. 5dB步進的衰減網絡組成，擴展系統的動態範圍，使模塊具有測量大信號的能力。濾波放大網絡由濾波器、開關、放大器等組成，濾波放大網絡分為兩種濾波方式進行選擇，低通方式、帶通方式。低通方式完成IOOHz 400MHz的信號接收，用於裝置自身的信號採集分析；帶通方式完成296. 4MHz 346. 4MHz的信號接收，主要用於本裝置與下變頻裝置配接，作為合成儀器的場合，帶通方式可提升合成儀器的信噪比，提升弱信號的分析能力；開關、放大器把信號的幅度調整到A/D可接收的較理想範圍，便於A/D接收。A/D採集是裝置中非常重要的環節，A/D採集的效果直接影響後續信號分析結果，為此A/D採集是裝置中A/D晶片選擇高SFDR的AD9467晶片，採樣率高達250MSPS，16bit解析度，SFDR在300MHz時為90dBFs，接口為差分的LVDS。A/D採集的頻譜純度與電源關係密切，尤其是載波近端的雜散幹擾，因此本裝置對A/D供電既要滿足電流要求，同時又要儘可能地減少紋波，裝置採用兩片LM1085系列穩壓片分別提供+3. 3V和+1. 8V電壓。2、觸發管理單元觸發管理單元主要包括觸發源分配、觸發類型管理。其中，觸發源由外部PFIlJg板總線觸發、信號通道O觸發、以及OSP觸發等；觸發類型包括立即觸發、軟體觸發、數字觸發。3、時鐘管理單元時鐘管理單元負責系統各部分時鐘的產生和分配，時鐘的產生主要是由AD9511晶片把IOOMHz參考時鐘經過PLL倍頻至1GHz，然後經過預設的分頻器分頻至所需要的頻率；時鐘的分配主要是把AD9511產生的時鐘信號分配給各單元電路，如觸發單元、模擬信
號處理單元等。4、板載信號處理單元(OSP)板載信號處理單元OSP負責A/D採集後的數位訊號處理，圖3是本發明實施例的板載信號處理單元的結構示意圖，如圖3所示，包括正交下變頻結構、NCO數控振蕩器、濾波器、抽取結構、信號增益和偏置調整等幾個方面。它包括實數和複數兩種數據處理模式，把A/D採集後較高頻率的信號下變頻至較低的頻率，同時支持1-16384的抽取因子(支持小數模式)，輸出信號速率可調的IQ信號，尤其是配合下變頻裝置組合的合成儀器，中頻321. 4MHz可以由OSP下變頻至很低的頻率，以便與後續信號分析、可滿足用戶多種需求。5、板載內存存儲管理單元和捕獲引擎單元板載內存存儲管理單元配合捕獲引擎單元，在用戶設定的各種觸發存儲模式下，把OSP輸出IQ數據流信號進行存儲，支持多記錄和連續採集功能，為示波器和頻譜分析提供有效的數據流，同時本裝置提供2Gb大容量DDR2存儲功能，使用戶對信號可進行更細膩的分析。6、PXIe接口邏輯控制單元PXIe總線接口負責與PXIe零槽控制器進行通信，對裝置內部各個寄存器進行讀寫，最終實現對AD9467等硬體的控制，通常可以採用專用接口晶片完成，它的優點是使用簡單，協議比較完善，缺點是成本較高、體積大。考慮本裝置通信方式比較簡單，為節約成本，減少體積，本裝置採用FPGA完成接口協議轉換，接口程序主要採用ALTERA自帶PCIe的IP核，再此基礎上配合EXt_ACCesS等封裝成普通CPU讀寫方式的IP核。7、控制單元(該控制單元可以設置於上位機中)在本發明實施例中，控制單元包括應用程式層、IVI驅動程序層、裝置底層驅動程序層、作業系統和總線接口驅動程序。其中，應用程式層通過對驅動程序的調用，通過VISA庫PXIe總線接口，實現對儀器的配置和控制。圖4是本發明實施例的數位化儀控制單元整體工作流程圖，如圖4所示，本發明實施例的數位化儀上電開機後，啟動自檢操作，自檢操作完成對數位化儀的驗證操作，對系統中重要的部件進行檢驗，如果工作正常，則開始進入下一步操作流程，否則發出報警信號，表示數位化儀異常。正常操作流程時，數位化儀等待用戶的命令，收到命令後，通過FPGA完成各種時序的轉化工作，最後產生相應的信號。在本發明實施例中，上位機主要提供硬體參數配置，測量波形結果輸出等IVI接口，被合成儀器調用。為與NI公司數位化儀驅動兼容，採用示波器驅動，接口函數遵循IV1-4. l_Scope示波器規範，圖5是本發明實施例的示波器驅動接口功能示意圖，圖6是本發明實施例的驅動的功能結構示意圖，如圖5、6所示，所有的輸入參數設置都是對底層參數設置的調用，然後再調用裝置儀器驅動。底層參數設置裝置要求對每一個參數都有對應的操作函數，必須對參數範圍進行檢查和保護。原始數據獲取的是未折合的原始波形數組。通過測量算法，獲得波形參數測量結果。8、分析單元(在本發明實施例中，分析單元可以設置於上位機中)( I)寬帶矢量信號分析框架數字正交抽取平臺在本發明實施例中，算法實現充分利用軟體無線電的軟體定義儀器的思想，高速A/D採集之後數據處理流程均採用數位訊號處理算法，圖7是本發明實施例的數字正交抽取平臺結構的示意圖，如圖7所示，AD轉換器位數16位，採樣率最高可達250MHz，採用後A/D輸出的數位訊號經數字混頻、低通及抽取達到降低信號頻率和採樣速率的目的。AD轉換後的數位訊號首先進入數字正交抽取下變頻結構，輸入信號分別與兩路正交數字振蕩器(NCO)信號相乘，完成數字混頻，隨後通過CIC、HB、FIR等濾波器消除高頻分量，中間採用抽取結構達到降低信號採樣速率的目的。輸出的同相分量I和正交分量Q，進入特徵提取單元分離出1、Q、M、P、F等信號參量，為矢量信號分析提供必要數據源。其中，圖7中所示的數控NCO對應於圖2中的DDC中的頻率轉換模塊，CIC濾波器、HB濾波器、FIR濾波器、以及特徵提取對應於圖2中DDC中的濾波抽取模塊。數字解調通用分析平臺由於矢量調製類型較多，因此採用通用矢量解調技術作為寬帶矢量信號分析的核心，以提高數位化儀對各種矢量調製的解調功能。圖8是本發明實施例的矢量信號分析算法的結構示意圖，如圖8所示，主要包括測量信號解調單元、參考信號形成單元和誤差分析單元。它實現通用信號解調功能，在該模型下只需要對通用解調器進行配置，即可支持大量的信號調製模式。正交抽取結構輸出的IQ數據流首先進行載波同步與碼同步，載波同步採用載波頻偏計算算法，對信號數據流中的頻偏失真進行修正，該算法可以達到很高的精度，也是硬體採用非同步數字本振的一個基礎。隨後數據流進入幅度補償和相位補償，主要補償模擬信道產生的相位失真(群時延失真)和幅度失真，提升信號分析質量。測量濾波器實際就是ISI匹配濾波器，根據信號的不同，包括平方根升餘弦濾波器、IS-95上下行測量濾波器等。匹配濾波器後的信號流分成兩路，一路通過碼流檢測獲得比特信息流，形成新的理想參考基帶信號，後端的參考匹配濾波器隨信號的調製性質改變，通用的有升餘弦濾波器、IS-95上下行參考濾波器、高斯濾波器等；另一路用於與參考信號比較，進行誤差計算，獲得EVM(誤差矢量幅度)、幅度誤差、相位誤差等信息。(2)頻譜分析框架基於FIR的頻譜分析過程圖9是本發明實施例的基於FIR的頻譜分析過程的示意圖,如圖9所示,基於FIR的頻譜分析中，中頻濾波器一般只有I 3個帶寬可選擇，相應的濾波器帶寬稱為頻譜儀的「實時帶寬」。AD採集轉化為數位訊號，經正交混頻分解為1、Q兩路信號，1、Q信號經CIC、半帶抽取，濾除混頻的和頻(高頻)信號，進入FIR濾波器，FIR濾波器對應於RBW濾波器，FIR濾波器係數不變，由於在不同的CIC、半帶抽取下，進入FIR濾波器的數據率不同，從而導致 FIR濾波器對應的模擬帶寬不同從而實現不同的RBW帶寬。鑑幅器對應於包絡檢波器，用於測量RBW濾波之後的信號幅度(能量)。VBff起到頻譜平滑作用，實際中用「CIC+半帶+FIR」實現，與RBW實現原理類似，FIR係數不變，通過控制CIC、半帶抽取實現不同的VBW帶寬。在FIR方式中，每改變一次掃描頻率(NC0頻率)，存儲一個頻點的頻譜數據，隨著掃描頻點的改變，可以獲取全部頻點上的頻譜數據(原始頻譜數據)，原始頻譜數據按照用戶指定的掃描點數檢波，即可獲得最終頻譜。基於FIR的頻譜掃描過程比較容易理解，在此不再贅述，詳細說明一下有關RBW帶寬和掃頻步進的關係問題，直接以RBW帶寬為步進進行掃描時信號幅度測量誤差偏大，而且無法掃出RBW濾波器形狀(在RBW計量中，要求掃出濾波器形狀)。實際上，掃頻步進與RBW帶寬之間是沒有直接對應關係的，掃頻步進是每次置頻，本振信號改變的頻率，而RBW帶寬是所採用的中頻濾波器的帶寬，這一點從模擬頻譜儀的斜坡發生器很容易看出來，如果拿RBW帶寬為步進進行頻譜掃描將會產生嚴重的幅度測量誤差，圖10是本發明實施例的以RBW為步進掃描導致幅度測量誤差的示意圖，如圖10所示，假設輸入信號位於fin位置，前一次置頻濾波器中心頻率位於Π，再次置頻濾波器中心頻率位於Π+RBW，若有fl〈fin〈n+RBW，則兩次置頻信號的測量幅度分別為兩個濾波器在fin位置處的衰減與輸入信號大小的乘積。由於RBW帶寬為3dB帶寬，如果以RBW帶寬為掃描步進則最壞情況下，fin剛好=f 1+RBW / 2時，兩次測量得到的信號幅度相同，但都比實際信號幅度小3dB。由此造成很大的幅度測量誤差。從上面的解釋已經不難看出，如果用小於RBW的步進進行掃頻，則一個RBW帶寬內就會有一個以上採樣點，幅度測量誤差就會大幅減小，如果掃頻步進足夠小，就可以掃描出濾波器的形狀。一般掃頻步進要小於1/3RBW，可滿足工程需求。頻譜儀的寬帶RBW拼接技術為獲取較好的信噪比，通常採樣較窄的濾波器，這樣對於小的RBW分析有利，本發明實施例中頻濾波器為1. 5MHz帶寬，故3MHz的RBW濾波器的實現需要進行拼接，即採用IMHz的RBW的結果進行3次拼接。
圖10是本發明實施例的3MHz的RBW拼接的示意圖，如圖10所示，設輸入信號的頻率為F1，則第一次分析即左偏移IMHz的曲線，它與頻率Fl相交處功率很小，可以認為為O ;第二次分析即偏移為O的曲線，它與頻率Fl相交處功率比曲線峰點值小3dB (功率為峰值的1/2);第三次分析即右偏移為IMHz的曲線，它與頻率Fl相交處功率比曲線峰點值小3dB (功率為峰值的1/2)，這樣三次功率的合成為0+1/2+1/2=1即峰值功率，當輸入信號在其它位置時計算的過程類似。這裡很重要的一點是IMHz的RBW所對應的濾波器曲線一定要準確，即3dB帶寬為IMHz,否則合成的3MHz的rbw濾波器曲線會有較大誤差。任意頻率操作過程如下當3MHz的RBW要分析的信號頻率為fin時，按如下過程進行拼接步驟1，設置RBW為1MHz，獲取的信號fin的功率為P_dbl，信號fin_lMHz的功率 為P_db0，信號fin+lMHz的功率為P_db2 ；
權利要求
1.一種基於PXIe接口的數位化儀，其特徵在於，包括 模擬信號處理與模擬/數字A / D轉換電路單元，用於對輸入的模擬信號進行調理，並進行A / D採集，將A/D採集後的數位訊號輸入到板載信號處理單元； 觸發管理單元，用於進行觸發源分配，並進行觸發類型管理； 時鐘管理單元，用於產生所述數位化儀各單元的時鐘信號，並對所述時鐘信號進行分配； 板載信號處理單元，用於對A/D採集後的數位訊號進行處理，輸出信號速率可調的IQ數據流信號； 捕獲引擎單元，用於根據所述觸發管理單元發送的觸發信號和所述時鐘管理單元發送的時鐘信號向所述板載內存存儲管理單元發送存儲IQ數據流信號的控制指令； 板載內存存儲管理單元，用於根據所述捕獲引擎單元的控制指令，將所述板載信號處理單元輸出的所述IQ數據流信號進行存儲； PXIe接口邏輯控制單元，用於與PXIe總線接口進行通信，接收控制單元通過PXIe總線接口發送的控制信號，根據所述控制信號對所述數位化儀內部各個單元的寄存器進行讀寫，實現對所述數位化儀中的各個單元的配置和控制；獲取所述板載內存存儲管理單元中存儲的IQ數據流信號，通過所述PXIe總線接口將所述IQ數據流信號到分析單元； 所述分析單元，用於根據所述IQ數據流信號進行示波、矢量信號分析和頻譜分析。
2.如權利要求1所述的數位化儀，其特徵在於，所述模擬信號處理與模擬/數字A/D轉換電路單元具體包括阻抗匹配模塊、衰減器、濾波放大模塊、以及A/D採集模塊； 阻抗匹配模塊，用於對所述模擬信號進行終端匹配； 衰減器，由30dB動態範圍、以及O. 5dB步進的衰減網絡組成，用於對所述阻抗匹配模塊輸出的模擬信號進行衰減； 濾波放大模塊，包括濾波器、開關、以及放大器，其中，所述濾波器用於對兩種濾波方式進行選擇，並對所述衰減器輸出的模擬信號進行濾波，其中，兩種濾波方式包括低通方式和帶通方式，低通方式完成IOOHz 400MHz的模擬信號接收；帶通方式完成296. 4MHz 346. 4MHz的模擬信號接收；所述開關以及所述放大器用於將所述模擬信號的幅度調整到A/D採集模塊的接收範圍內； A/D採集模塊，用於進行A/D採集，將模擬信號轉換為數位訊號。
3.如權利要求1所述的數位化儀，其特徵在於， 所述觸發源包括外部可編程功能接口 PFI觸發、背板總線觸發、信號通道O觸發、以及板載信號處理單元觸發； 所述觸發類型包括立即觸發、軟體觸發、以及數字觸發。
4.如權利要求1所述的數位化儀，其特徵在於，時鐘管理單元具體包括 時鐘產生模塊，用於通過AD9511晶片將參考時鐘經過鎖相環PLL倍頻至預定頻率，然後經過預設的分頻器分頻至所需要的頻率； 時鐘分配模塊，用於將所述AD9511晶片產生的時鐘信號分配給各單兀。
5.如權利要求1所述的數位化儀，其特徵在於，所述PXIe接口邏輯控制單元採用FPGA實現。
6.如權利要求3所述的數位化儀，其特徵在於，所述板載信號處理單元具體包括均衡濾波器、數字增益模塊、數字偏移模塊、直接數字控制DDC模塊、數據處理模式選擇模塊、以及OSP觸發模塊； 所述均衡濾波器，用於A/D採集後的數位訊號進行均衡濾波； 所述數字增益模塊，用於對均衡濾波後的數位訊號進行數字增益； 所述數字偏移模塊，用於數字增益後的數位訊號進行數字偏移； 所述DDC模塊，用於對數字偏移後的數位訊號進行處理，輸出IQ數據流信號； 所述數據處理模式選擇模塊，用於選擇對所述IQ數據流信號進行處理的數據處理模式，其中，所述數據處理模式包括實數數據處理模式和複數數據處理模式； 板載信號處理單元觸發模塊，用於向所述觸發管理單元發送所述IQ數據流信號，其中，所述IQ數據流信號作為板載信號處理單元觸發的判斷依據。
7.如權利要求6所述的數位化儀，其特徵在於，所述DDC模塊具體包括 頻率轉換模塊，用於對數字偏移後的數位訊號進行數字混頻和下變頻； 小數分頻重採樣模塊，用於對進行下變頻後的數位訊號進行小數分頻重採樣； 濾波抽取模塊，用於對輸入的數位訊號進行濾波抽取，輸出IQ數據流信號。
8.如權利要求7所述的數位化儀，其特徵在於， 所述頻率轉換模塊具體用於根據預先設置的掃描頻率範圍和掃描頻率步進對輸入的A/D採集後的數位訊號進行掃描，將所述數位訊號分別與兩路正交的數字振蕩器信號相乘，完成數字混頻和下變頻； 所述濾波抽取模塊具體用於通過級聯積分梳狀CIC濾波器、半帶HB濾波器、以及有限長單位衝激響應FIR濾波器對輸入的數位訊號進行高頻分量消除，獲取同相分量I和正交分量Q，並根據同相分量I和正交分量Q獲取所述IQ數據流信號，其中，所述IQ數據流信號包括1信號參量、Q信號參量、M信號參量、P信號參量、以及F信號參量。
9.如權利要求8所述的數位化儀，其特徵在於，所述分析單元具體包括 矢量分析模塊，用於對所述IQ數據流信號進行載波同步與碼同步，並對所述IQ數據流信號進行幅度補償和相位補償，通過測量濾波器進行濾波後，所述IQ數據流信號分成兩路，一路通過碼元檢測形成參考信號，另一路為測量信號，將所述參考信號與所述測量信號進行比較，進行誤差計算； 頻譜分析模塊，用於通過所述濾波抽取模塊中的CIC濾波器、HB濾波器、以及FIR濾波器獲取原始頻譜數據的分析帶寬RBW，並通過鑑幅和FIR濾波獲取原始頻譜數據的顯示帶寬VBW，對所述原始頻譜數據的進行檢波，獲取頻譜數據，根據所述頻譜數據進行頻譜分析；並控制所述頻率轉換模塊的掃描頻率範圍和掃描頻率步進，其中，所述FIR濾波器係數不變，通過控制所述CIC濾波器和所述HB濾波器的抽取倍數實現不同的帶寬的轉換，其中，所述掃描頻率步進小於或等於1/3RBW。
10.如權利要求9所述的數位化儀，其特徵在於，所述頻譜分析模塊具體用於 當3aMHz的RBW要分析的信號頻率為fin時，按如下過程進行拼接 設置RBW為laMHz，獲取的信號fin的功率為P_dbl，信號fin_laMHz的功率為P_db0，信號fin+laMHz的功率為P_db2，其中，a為正整數； 3aMHz 的 RBW 等效功率
全文摘要
本發明公開了一種基於PXIe接口的數位化儀。該數位化儀包括模擬信號處理與模擬/數字A/D轉換電路單元、觸發管理單元、時鐘管理單元、板載信號處理單元、捕獲引擎單元、板載內存存儲管理單元、PXIe接口邏輯控制單元、以及分析單元，藉助於本發明的技術方案，能夠提供高採樣率、高解析度的數字分析，模擬帶寬高，並且具有板載信號處理器功能，能夠實現DDC、重採樣、FIR濾波抽取、IQ數據存儲等功能，同時支持時鐘同步、觸發功能，支持多種解調方式。
文檔編號G05B19/04GK103019117SQ201210519978
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者史浩, 劉金川, 辛麗霞, 邵永豐, 王凱, 王石記 申請人:北京航天測控技術有限公司