最新綜合分析儀暨獨(dú)立信號(hào)源系統(tǒng)解決方案

一、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)構(gòu)思

1. 背景分析

隨著信息技術(shù)的不斷提高，信號(hào)測(cè)量越來越復(fù)雜，測(cè)量?jī)x器也變得越來越多，從而使得儀器的集成化成為當(dāng)今測(cè)量?jī)x器發(fā)展的熱點(diǎn)。NI、安捷倫、泰克等國(guó)內(nèi)外企業(yè)也已經(jīng)在這個(gè)方面進(jìn)行研究，而且現(xiàn)在越來越多的以通信類和消費(fèi)類為代表的電子產(chǎn)品都工作在中低頻段，傳統(tǒng)的頻譜分析儀大都采用超外差法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，利用這種方法可以對(duì)高頻率信號(hào)進(jìn)行分析和測(cè)量，但難于實(shí)現(xiàn)中低頻信號(hào)分析，而目前國(guó)內(nèi)外相應(yīng)的分析儀器尚未成熟。

本系統(tǒng)以MicroBlaze為核心處理芯片，將對(duì)中低頻信號(hào)的頻域分析，時(shí)域分析和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析功能融合為一體，并可作為獨(dú)立信號(hào)源，同時(shí)高載頻信號(hào)經(jīng)分析解調(diào)后得出基帶信號(hào)可以進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能。

1. 特色描述

本系統(tǒng)基于Spartan 3E平臺(tái)，運(yùn)用嵌入式技術(shù)，可獨(dú)立完成中低頻信號(hào)的時(shí)域分析、頻域分析、矢量網(wǎng)絡(luò)分析及顯示。其外圍具有UART、JTAG等通訊接口，可方便與PC機(jī)及其他通訊設(shè)備鏈接，并可集成于高一級(jí)系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部利用高速A/D轉(zhuǎn)換器及高性能MicroBlaze芯片對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及處理，保證了系統(tǒng)的高精度和高可靠性，同時(shí)系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，操作方便。

1. 創(chuàng)新點(diǎn)描述

1. 系統(tǒng)利用信號(hào)的實(shí)時(shí)采集處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)DC~20MHz信號(hào)進(jìn)行綜合分析，克服了傳統(tǒng)超差分技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)分析的局限性。
2. 系統(tǒng)將信號(hào)產(chǎn)生、時(shí)域分析、頻域分析和矢量網(wǎng)絡(luò)分析基于一體。

a. 信號(hào)產(chǎn)生

利用DDS芯片產(chǎn)生需求的信號(hào)，并可作為信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用。

b. 頻譜分析

對(duì)信號(hào)的頻率、功率、失真及被測(cè)件的增益和噪聲特性進(jìn)行測(cè)量。

c. 時(shí)域分析

通過解調(diào)得到基帶信號(hào)，確定信號(hào)的幅度、頻率和調(diào)制度等參數(shù)。

d. 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析

測(cè)量系統(tǒng)幅頻特性，進(jìn)行傳輸損耗（或增益）、回波損耗和絕對(duì)功率的測(cè)試。

1. 本系統(tǒng)基于嵌入式平臺(tái)，不僅獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與分析，還可以利用外圍通訊接口與PC等設(shè)備連接，可集成于高一級(jí)系統(tǒng)。
2. 應(yīng)用市場(chǎng)分析

DC～20MHz的中低頻信號(hào)涵蓋科研及生產(chǎn)生活中的大部分應(yīng)用，如移動(dòng)通信、消費(fèi)電子等等，然而傳統(tǒng)儀器比較適合處理高頻信號(hào)，面向中低頻的成熟產(chǎn)品還未普及，這類電子產(chǎn)品的分析測(cè)試、維護(hù)維修成為一個(gè)很大的問題，本系統(tǒng)作為對(duì)中低頻信號(hào)的時(shí)域、頻域特性及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行分析的綜合儀器可以解決這個(gè)問題，填補(bǔ)該領(lǐng)域的應(yīng)用空白，具有極高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

二、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)方案

1. 系統(tǒng)架構(gòu)圖：

本系統(tǒng)采用MicroBlaze作為軟核處理器，首先從外部端口輸入信號(hào)或FPGA驅(qū)動(dòng)DDS芯片產(chǎn)生信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行前端調(diào)理，再經(jīng)高速度高精度A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由FPGA實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，得到待處理信號(hào)。根據(jù)鍵盤命令，處理器對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)域、頻域或系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析，得到信號(hào)的時(shí)域、頻域和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性，再將獲得的信號(hào)參數(shù)由LCD顯示。

2. 關(guān)鍵模塊分析：

2.1 DDS信號(hào)產(chǎn)生模塊

本模塊采用AD9859，它內(nèi)部集成了有極好帶寬和窄帶SFDR性能的高速10位DAC，提供14位相位失調(diào)調(diào)整，32位頻率分辨率和10位幅度控制和500MSPS的DDS芯片。本模塊用于產(chǎn)生頻率小于20M的中低頻信號(hào)，此信號(hào)用于系統(tǒng)的自校準(zhǔn)，消除系統(tǒng)測(cè)量誤差和進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性分析。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

本模塊將FPGA產(chǎn)生的模擬信號(hào)先經(jīng)過前端調(diào)理，然后送入LTC1407A-1提供了模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以14位－2個(gè)輔助二進(jìn)制值的形式輸出，完全可以較好的完成對(duì)20MHz以下信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.3 FPGA前端控制模塊

此模塊的主要功能為：

1. 控制AD9959產(chǎn)生模擬信號(hào)并對(duì)其幅度、相位、頻率進(jìn)行調(diào)整。
2. 控制A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
3. 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

2.4 MicroBlaze處理模塊

該模塊為本設(shè)計(jì)的主要模塊，充分發(fā)揮MicroBlaze芯片的處理能力，完成對(duì)信號(hào)的分析。它分為時(shí)域分析、頻域分析、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析三個(gè)子模塊，完成對(duì)信號(hào)的綜合分析。

2.4.1 時(shí)域分析模塊

本模塊先將FPGA中的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行提取并緩存，然后根據(jù)調(diào)制信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)，然后進(jìn)行分析對(duì)比得出信號(hào)幅度、有效值、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)等典型參數(shù)。

2.4.2 頻域分析模塊

本設(shè)計(jì)為填補(bǔ)應(yīng)用領(lǐng)域的空白而面向中低頻信號(hào)的分析，由AD采樣量化后直接進(jìn)行頻域分析，而不采用傳統(tǒng)的超外差式混頻處理。

主要算法：FFT。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)后，在FPGA芯片內(nèi)部編寫高效程序完成信號(hào)的FFT變換，采用基二時(shí)域抽取法FFT，N點(diǎn)DFT可分解為兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT和如下兩式的運(yùn)算。

N個(gè)數(shù)據(jù)的FFT需要的復(fù)乘和復(fù)加運(yùn)算次數(shù)分別為 。當(dāng)N較大時(shí)，運(yùn)算量相對(duì)于DFT大大減少，優(yōu)越性明顯。

2.4.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析模塊

（1） 雙端口系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析

FPGA驅(qū)動(dòng)DDS芯片產(chǎn)生一特定頻率特定幅度的信號(hào)a(t)，此信號(hào)從雙端口網(wǎng)絡(luò)的輸入端輸入，得到輸出信號(hào)b(t)，利用頻譜分析模塊獲得b(t)的頻譜函數(shù)B(jnw)，因?yàn)閍(t)信號(hào)為已知，其頻譜函數(shù)為A(jnw)，利用MicroBlaze進(jìn)行處理可得雙端口網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)函數(shù)H(jnw)，從而實(shí)現(xiàn)雙端口網(wǎng)絡(luò)的分析。

（2） 四端口系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析

對(duì)系統(tǒng)四端口網(wǎng)絡(luò)的分析主要是求解系統(tǒng)的四個(gè)參數(shù) 。由圖可知，

因?yàn)?img src="http://uphotos.eepw.com.cn/fetch/20170417/347668_1_9.jpg" onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" />為常數(shù)，利用FPGA驅(qū)動(dòng)DDS芯片產(chǎn)生四種特定的不同幅度、相同頻率的信號(hào)輸入待測(cè)系統(tǒng)，利用時(shí)域分析模塊測(cè)量輸出點(diǎn)的電壓，從而可以得到四個(gè)方程，利用這四個(gè)方程既可就得系統(tǒng)的S參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)四端口網(wǎng)絡(luò)的分析。

1. 軟件流程如圖所示