最新綜合分析儀暨獨立信號源系統解決方案

一、項目實(shí)現構思

1. 背景分析

隨著(zhù)信息技術(shù)的不斷提高，信號測量越來(lái)越復雜，測量?jì)x器也變得越來(lái)越多，從而使得儀器的集成化成為當今測量?jì)x器發(fā)展的熱點(diǎn)。NI、安捷倫、泰克等國內外企業(yè)也已經(jīng)在這個(gè)方面進(jìn)行研究，而且現在越來(lái)越多的以通信類(lèi)和消費類(lèi)為代表的電子產(chǎn)品都工作在中低頻段，傳統的頻譜分析儀大都采用超外差法對信號進(jìn)行處理，利用這種方法可以對高頻率信號進(jìn)行分析和測量，但難于實(shí)現中低頻信號分析，而目前國內外相應的分析儀器尚未成熟。

本系統以MicroBlaze為核心處理芯片，將對中低頻信號的頻域分析，時(shí)域分析和系統網(wǎng)絡(luò )分析功能融合為一體，并可作為獨立信號源，同時(shí)高載頻信號經(jīng)分析解調后得出基帶信號可以進(jìn)而實(shí)現傳統儀器的功能。

1. 特色描述

本系統基于Spartan 3E平臺，運用嵌入式技術(shù)，可獨立完成中低頻信號的時(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機及其他通訊設備鏈接，并可集成于高一級系統。系統內部利用高速A/D轉換器及高性能MicroBlaze芯片對模擬信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及處理，保證了系統的高精度和高可靠性，同時(shí)系統具有友好的人機交互界面，操作方便。

1. 創(chuàng )新點(diǎn)描述

1. 系統利用信號的實(shí)時(shí)采集處理技術(shù)，可實(shí)現對DC~20MHz信號進(jìn)行綜合分析，克服了傳統超差分技術(shù)難以實(shí)現低頻信號分析的局限性。
2. 系統將信號產(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. 信號產(chǎn)生

利用DDS芯片產(chǎn)生需求的信號，并可作為信號發(fā)生器應用。

b. 頻譜分析

對信號的頻率、功率、失真及被測件的增益和噪聲特性進(jìn)行測量。

c. 時(shí)域分析

通過(guò)解調得到基帶信號，確定信號的幅度、頻率和調制度等參數。

d. 系統網(wǎng)絡(luò )分析

測量系統幅頻特性，進(jìn)行傳輸損耗（或增益）、回波損耗和絕對功率的測試。

1. 本系統基于嵌入式平臺，不僅獨立實(shí)現了信號的實(shí)時(shí)采集與分析，還可以利用外圍通訊接口與PC等設備連接，可集成于高一級系統。
2. 應用市場(chǎng)分析

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

二、項目實(shí)現方案

1. 系統架構圖：

本系統采用MicroBlaze作為軟核處理器，首先從外部端口輸入信號或FPGA驅動(dòng)DDS芯片產(chǎn)生信號，然后對信號進(jìn)行前端調理，再經(jīng)高速度高精度A/D轉換器轉換為數字信號，再由FPGA實(shí)時(shí)存儲，得到待處理信號。根據鍵盤(pán)命令，處理器對存儲數據進(jìn)行相應的時(shí)域、頻域或系統網(wǎng)絡(luò )分析，得到信號的時(shí)域、頻域和系統網(wǎng)絡(luò )特性，再將獲得的信號參數由LCD顯示。

2. 關(guān)鍵模塊分析：

2.1 DDS信號產(chǎn)生模塊

本模塊采用AD9859，它內部集成了有極好帶寬和窄帶SFDR性能的高速10位DAC，提供14位相位失調調整，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，此信號用于系統的自校準，消除系統測量誤差和進(jìn)行系統網(wǎng)絡(luò )特性分析。

2.2 A/D轉換模塊

本模塊將FPGA產(chǎn)生的模擬信號先經(jīng)過(guò)前端調理，然后送入LTC1407A-1提供了模數轉換器進(jìn)行轉換，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20MHz以下信號進(jìn)行轉換。

2.3 FPGA前端控制模塊

此模塊的主要功能為：

1. 控制AD9959產(chǎn)生模擬信號并對其幅度、相位、頻率進(jìn)行調整。
2. 控制A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號。
3. 將轉換后的數字信號進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲。

2.4 MicroBlaze處理模塊

該模塊為本設計的主要模塊，充分發(fā)揮MicroBlaze芯片的處理能力，完成對信號的分析。它分為時(shí)域分析、頻域分析、系統網(wǎng)絡(luò )分析三個(gè)子模塊，完成對信號的綜合分析。

2.4.1 時(shí)域分析模塊

本模塊先將FPGA中的數字信號進(jìn)行提取并緩存，然后根據調制信號的各項參數，對數字信號進(jìn)行調，然后進(jìn)行分析對比得出信號幅度、有效值、調幅度、調頻指數等典型參數。

2.4.2 頻域分析模塊

本設計為填補應用領(lǐng)域的空白而面向中低頻信號的分析，由AD采樣量化后直接進(jìn)行頻域分析，而不采用傳統的超外差式混頻處理。

主要算法：FFT。數據采集存儲后，在FPGA芯片內部編寫(xiě)高效程序完成信號的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和如下兩式的運算。

N個(gè)數據的FFT需要的復乘和復加運算次數分別為 。當N較大時(shí)，運算量相對于DFT大大減少，優(yōu)越性明顯。

2.4.3 系統網(wǎng)絡(luò )分析模塊

（1） 雙端口系統網(wǎng)絡(luò )分析

FPGA驅動(dòng)DDS芯片產(chǎn)生一特定頻率特定幅度的信號a(t)，此信號從雙端口網(wǎng)絡(luò )的輸入端輸入，得到輸出信號b(t)，利用頻譜分析模塊獲得b(t)的頻譜函數B(jnw)，因為a(t)信號為已知，其頻譜函數為A(jnw)，利用MicroBlaze進(jìn)行處理可得雙端口網(wǎng)絡(luò )系統函數H(jnw)，從而實(shí)現雙端口網(wǎng)絡(luò )的分析。

（2） 四端口系統網(wǎng)絡(luò )分析

對系統四端口網(wǎng)絡(luò )的分析主要是求解系統的四個(gè)參數 。由圖可知，

因為為常數，利用FPGA驅動(dòng)DDS芯片產(chǎn)生四種特定的不同幅度、相同頻率的信號輸入待測系統，利用時(shí)域分析模塊測量輸出點(diǎn)的電壓，從而可以得到四個(gè)方程，利用這四個(gè)方程既可就得系統的S參數，從而實(shí)現系統四端口網(wǎng)絡(luò )的分析。

1. 軟件流程如圖所示