一款基于DSP的頻譜監測儀設計

0 引言

隨著(zhù)微波技術(shù)的廣泛發(fā)展，空間和地面電磁環(huán)境越來(lái)越復雜，無(wú)線(xiàn)電頻譜資源作為公共資源的一種，需要頻譜管理部門(mén)進(jìn)行有效的分配和監控。特別是在頻帶日益擁擠、自然和人為干擾日益增大的情況下，頻譜監測系統有必要進(jìn)行監測，檢測存在的干擾，以便采取措施將影響降至最低，確保頻譜資源得到合理的利用。

電磁頻譜監測分析儀是應對當前電磁信號頻譜檢測挑戰，兼備高分辨率和高搜索速度的檢測設備。頻率分辨率的提高意味著(zhù)幅度檢測靈敏度和頻率分辨能力雙提升、因此其高分辨率、高速掃描的特點(diǎn)意味著(zhù)在電磁信號檢測領(lǐng)域擁有強大的檢測效率。本系統采取了基于FPGA,DDR2 內存卡和多DSP 的信號高速存儲及處理，多模式多窗口信號檢測，多域信號分析的技術(shù)路線(xiàn)，是一臺性能很高、功能較為強大的電磁信號檢測分析儀器，有著(zhù)傳統檢測儀器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)和廣泛用途。

1 系統硬件方案

頻譜監測分析儀系統組成包括了超外差信號接收，強大的中頻信號采集處理系統，以及內嵌計算機系統這三大主要部分。超外差信號接收包括射頻通道、微波驅動(dòng)、本振合成，信號經(jīng)過(guò)三次變頻，變頻到采樣中頻，中頻采集處理系統基于軟件無(wú)線(xiàn)電設計思想，包括中頻電路、數字中頻及存儲單元、多DSP并行信號處理。內嵌計算機操作系統為Windows XP,是整機軟件的載體，并可配置外接設備。整機原理框圖如圖1所示。

2 系統軟件設計

2.1 平臺和開(kāi)發(fā)環(huán)境

本系統擬采用測試儀器行業(yè)主流的Wintel架構搭建控制平臺，主控制器采用高性能CoreDuo 雙核處理器，選用Windows XP 作為軟件運行平臺，充分滿(mǎn)足用戶(hù)的使用習慣以及數據資源共享的需要;整機軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用了VS2005 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，并利用VisualSourceSafe進(jìn)行團隊化開(kāi)發(fā)管理。

2.2 數據處理模塊設計

數據處理模塊主要是對信號進(jìn)行采集，然后將數據送入計算機。數據處理模塊的核心工作就是把所要采集的信號進(jìn)行量化和采集。該模塊的詳細軟件設計如圖2所示。

2.3 用戶(hù)接口和界面設計

本系統設計了掃描檢測和多域分析(內含調制識別)兩種主要的測量功能，對于每種測試功能，均可在操作界面固定位置激活參數測試向導，并通過(guò)下拉式菜單、快捷按鈕、傳統菜單和眾多的對話(huà)框實(shí)現和用戶(hù)的友好交互，用戶(hù)可以定制參數測試方法后儲存為參數測試解決方案，后續使用時(shí)可以直接調用該解決方案，實(shí)現一鍵化測試、測試參數報表方式靈活可選，以便更加貼近不同需求。

2.4 控制和數據傳輸接口設計

在本系統中，數據采集與傳送速率高達幾十兆字節/秒，要求整機具備USB、LAN、GPIB、并口、串口等各種通信協(xié)議，支持1 024×768的TFT顯示及LVDS接口，支持可配置的打印方案，支持海量/移動(dòng)存儲設備，需要實(shí)現對數字中頻模塊、模擬電路模塊、專(zhuān)用外設以及通用外設的控制，這其中有高速處理器件，海量存儲器件，部分功能I/O中使用慢速或者串行器件，如果采用單一制式的總線(xiàn)進(jìn)行接口設計顯然是不合理的，這里采用的是PCI、USB、自定義儀器控制總線(xiàn)相結合的復合總線(xiàn)形式。

3 系統主要技術(shù)的實(shí)現

3.1 高速數據采集PCB設計技術(shù)

一個(gè)理論上完善的系統設計，在實(shí)現時(shí)很難達到理論設計的要求，這是因為實(shí)際存在的各種干擾都對電路有影響，而且還要處理好地線(xiàn)排布、電源去耦、信號傳輸線(xiàn)的反射等實(shí)際問(wèn)題。下面是針對這些問(wèn)題本項目采用的一些設計技巧：避免走線(xiàn)的直拐角，盡可能地用45°走線(xiàn)或弧線(xiàn);盡可能少用過(guò)孔，因為每一個(gè)過(guò)孔都是一個(gè)阻抗不連續點(diǎn);盡量加寬電源、地線(xiàn)寬度，最好是地線(xiàn)比電源線(xiàn)寬，它們的關(guān)系是：地線(xiàn)。>電源線(xiàn)>信號線(xiàn);信號間的串擾對相鄰平行走線(xiàn)的長(cháng)度和走線(xiàn)間距極其敏感，因此相鄰走線(xiàn)層的信號線(xiàn)的總體走線(xiàn)方向一般要互相垂直，在同一走線(xiàn)層上盡量使高速信號線(xiàn)與其他平行信號線(xiàn)間距拉大，平行長(cháng)度縮小;在優(yōu)化布局的基礎上，盡量縮短高速信號的長(cháng)度，控制信號組延遲的一致性是布線(xiàn)時(shí)的重要任務(wù);不用樁線(xiàn)，因為任何樁線(xiàn)都是噪聲源，如果樁線(xiàn)短，可在傳輸線(xiàn)的末端端接就可以了，如果樁線(xiàn)長(cháng)，會(huì )以主傳輸線(xiàn)為源，長(cháng)生很大的反射，使問(wèn)題復雜化。

3.2 多DSP互聯(lián)技術(shù)

為了提高信號處理速度，采用多DSP處理器，采用的DSP型號為AD公司的ADSP-TS20IS.本系統采用3個(gè)高性能DSP高速處理，其中2個(gè)為信號處理DSP,1個(gè)為管理DSP.作為2個(gè)信號處理DSP,分時(shí)接收前端A/D的采樣數據，然后進(jìn)行數字并行濾波器組處理提取信號的頻率信息、功率信息、帶寬信息，2個(gè)DSP的處理結果送給管理DSP.管理DSP 是數據處理層和數據管理層之間的紐帶，負責協(xié)同多DSP處理系統的工作，本系統采用的多DSP連接框圖如圖3所示。

3.3 能量檢測技術(shù)

閾值設定和計算是進(jìn)行信號能量檢測的前提和關(guān)鍵，用戶(hù)監測分析頻率范圍比較窄的情況下可以采用電平閾值方式，電平閾值作為單一電平設定和使用比較簡(jiǎn)單方便，但在頻段較寬的情況下，電平閾值無(wú)法有效完成多個(gè)波段同時(shí)掃描的情況下較小電平信號的監測，為此設計了自動(dòng)閾值算法(見(jiàn)圖4)，自動(dòng)閾值由軟件根據頻譜數據自動(dòng)計算背景噪聲功率，并通過(guò)加一個(gè)偏移值，很好的把噪聲和信號區分開(kāi)。

4 系統功能的實(shí)現

本文設計的頻譜監測分析儀各種功能都已經(jīng)實(shí)現，幾個(gè)功能實(shí)現界面如圖5,圖6所示，在頻譜監測中發(fā)揮了重要作用。

5 結論

本文設計了一個(gè)頻譜監測分析儀的總體方案，即由超外差信號接收，強大的中頻信號采集處理系統以及內嵌計算機系統這三大主要部分組成。在設計總體方案的同時(shí)，給出了實(shí)現此總體方案的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐證明，該頻譜監測系統具有高分辨率、高速度搜索、高速存儲及處理的特點(diǎn)，有良好的應用前景。