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合成仪器下的通用信号产生方法探析

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摘要:合成仪器技术采用标准总线架构,开放性、灵活性与可扩展性非常强,能够满足不同应用需求。该文按照软件无线电设计思路,采用模块化设计方式,通过综合化射频微波信号发生调理通道,开放硬件平台并支持软件用户二次开发,方便第三方做定制化应用开发及系统解决方案。该文设计的通用信号产生方法,只需要一套通用硬件平台,通过动态加载方式实现各种所需信号产生,可灵活方便地满足各种信号产生需求,也可应用于大型自动测试系统构建。

关键词:合成仪器;标准总线;软件无线电

引言

美国Agilent、Aeroflex、PhaseMatrix、NI等公司非常重视合成仪器的研制。最早开发合成仪器的是Aeroflex公司系统部,该公司于1996年向卫星通信制造商提供了第一套基于VXI总线的合成射频/微波测试系统STI1000,用于工厂的卫星有效载荷测试,该设备工作频率0.2~32GHz,输出功率精度达0.1dB,它可以实现传统仪器进行的测量,如功率计、频谱仪、网络分析仪、示波器、噪声系数分析仪[1]。合成仪器技术通过标准总线接口将一系列基本硬件资料和软件资源进行组装整合形成可配置系统。可利用数字信号处理技术来产生信号和进行测量[2],并实现标定、校正等功能,完成不同的测量任务。其核心思想是基于模块化概念和组件技术,将传统仪器分割成一些基本功能模块,并结合高速处理器和现代总线技术,有效地增加测试系统的功能和灵活性,降低开发成本、提高测试效率,提供更小的物理尺寸和更长的产品生命周期支持,同时能兼顾到仪器结构和商业需求设计标准[3]。在很多测试应用场合,需要提供各种制式的测试激励信号,如在对各种机载航空导航装备测试时,需要提供仪表着陆、微波着陆、塔康、精密测距、无线电罗盘、信标、甚高频全向信标等各种制式信号。若采用传统的台式仪器的方式,一种航空导航设备测试就需要对应一台专用信号产生设备,这就需要配备大量的信号激励源,测试规模将相当庞大,价格昂贵。特别是随着航空导航装备的种类越来越多,这就需要配备更多信号产生设备,测试资源规模越来越庞大,同时也不方便进行运输。为满足不同设备测试时信号产生与激励需求,减少各种信号产生设备的种类,降低设备成本,本文提出一种基于合成仪器的通用信号产生方法,采用软件无线电和模块化设计思路,通过综合化射频微波通道,高度集成硬件平台,通过动态加载方式实现各种制式信号的产生,满足不同测试应用需求,特别适合小型化自动测试系统搭建。

1背景

不同设备测试时一般需要不同的激励信号,包含信号制式的不同、带宽不同以及频率不同。以机载航空无线电导航装备为例,主要包含罗兰C设备、无线电罗盘设备、指点信号设备、仪表着陆设备、甚高频全向信标设备、微波着陆设备、塔康设备、精密测距设备等。其中,微波着陆设备采用模拟调制、DPSK以及脉冲调制方式,调制方式最为复杂,信号样式也极其繁杂;塔康设备和精密测距设备采用脉冲调制样式;甚高频全向信标设备采用调频调幅混合调制方式;罗兰C设备、无线电罗盘设备、指点信号设备采用模拟调制方式;仪表着陆设备采用多频点模拟调制方式。另外从各频率范围看,信标设备(频率75MHz)、罗盘设备(频率150~1750kHz)、罗兰C设备(频率100kHz)、微波着陆设备(5031.0~5090.7MHz)、仪表着陆设备(频率108MHz~335MHz)、塔康及精密测距设备(频率962~1213MHz),可知,频率范围最高不超过6GHz,最低频率可达100kHz。另外,每种设备单波道带宽不超过10MHz,波道数比较多。根据各种激励信号的频率范围、信号制式等信号特征,本文采用软件无线电设计思路,将射频通道综合化设计,射频通道可产生覆盖100kHz~6GHz频率范围信号;充分考虑各激励信号特征形式,采用开放数字平台和软件平台方式,通过动态可重构方式实现软件和硬件的可重加载,从而实现不同激励信号的产生。各种激励信号除信号频率不一样外,其他信号格式和调制方式全部由数字平台或软件来实现,实现了不同激励信号的平台化设计[4]。

2通用信号产生平台化设计

通用信号产生平台采用PXI总线模块化架构平台设计思路,按照合成仪器设计标准,总结分析各激励测试信号的信号制式、信号样式等信号特征,采用软件无线电方式,将硬件平台高度综合,实现通用化与可重构化的硬件平台,并采用基于数字平台的动态可重构加载技术,通过软件对硬件的可重构,实现不同激励信号的按需加载。只需要一套通用的硬件平台,加载不同的测试应用软件,就可实现不同信号特征的信号产生。

2.1通用信号产生硬件平台设计

通用信号产生硬件平台按照软件无线电标准,采用标准总线模块化设计思想,以"数字平台+综合化射频通道"为核心,通过动态可重构方式,实现各种制式激励信号的加载[5]。通用信号产生硬件平台主要由一体化主控平台、基带信号产生模块、IQ调制模块、频率合成模块、信号前端模块等组成[6],如图1所示。一体化主控平台由标准零槽控制器、显示器、键盘等组成,实现对各硬件模块控制和数据交互、显示等功能。基带信号产生模块是整个通用信号产生硬件平台的核心,采用"标准总线+FPGA方式"的可动态加载方式,一体化主控平台根据测试需求加载相应的FPGA程序,通过标准总线在线配置到基带信号产生模块,并完成相应的初始化和控制操作,实现相应的基带信号产生功能[7]。频率合成模块为IQ调制模块提供高纯的载波本振信号,频率范围覆盖100kHz~6GHz,输出功率必须满足IQ调制模块直接上变频驱动条件。IQ调制模块将基带信号产生模块产生的基带信号产生搬移到射频载波本振信号上,采用正交调制直接搬移方式,实现宽频段的信号上变频。信号前端模块对IQ调制模块输出的信号进行滤波、放大、衰减等调理。当通用信号产生平台需要产生某种激励测试信号时,一体化主控平台生产相应的软件代码和FPGA程序,首先往基带信号产生模块动态可重构相应的数字代码,然后开始初始化整个软硬件平台。初始化完成后主控平台控制频率合成模块产生相应的本振信号给IQ调制模块进行基带上变频,另外还完成对基带信号产生模块的配置和数据交互。最终通过信号前端模块调理后输出。

2.2通用信号产生软件平台设计

通用信号产生通过动态可重构方式实现不同激励信号的产生,这就需要通用信号产生软件平台具备开发性、通用性、灵活可扩展性的软件体系架构,可方便地实现各这种激励信号产生。通用信号产生软件平台采用"总体软件平台+硬件测试资源配置+测试产生程序"的方式来实现。总体软件平台综合考虑不同激励信号产生的通用功能,形成稳健的软件模块,实现诸如测试资源软件管理、运行、校准、数据维护、人机交互管理等功能;硬件测试资源配置对模块资源进行灵活可靠的配置,以保证硬件资源的灵活可扩展性[8]。通用信号产生软件平台顶层有人机交互界面程序、测试产生程序、运行支持、测试程序、测试结果、校准功能等。人机交互界面提供一个良好友善的显示界面,方便用户进行直观操作。测试产生程序支持用于根据不同激励信号产生要求编写和重构相应的软件运行代码。测试结果提供模拟信号产生情况,校准功能为宽频段综合化通道提供高质量的校准数据。测试产生程序包含通用测试模拟插件库、专业测试模拟插件库、实时信号处理动态配置模块等,融合不同制式信号产生程序、不同应用产生程序等不同测试产生功能。设备驱动层实现对各种硬件资源的配置管理。除了对基带信号发生模块、IQ调制模块、频率合成模块、信号前端模块的配置外,还可灵活扩展配置其它模块,保证平台的模块可扩展性。图2所示为通用信号产生软件平台组成框图。测试产生程序是针对不同的激励信号产生需求,为实现其激励需求而开发的软件程序,如不同制式信号产生程序、不同应用产生程序、专用导航信号产生程序、专用雷达信号产生程序等。在各种激励信号产生过程中,通过硬件测试资源配置软件对使用的硬件资源进行配置,根据不同激励信号的测试需求,在软件平台中选择相应的信号产生程序,并显示运行的结果。通用信号产生软件平台的核心是动态可重构,用户可根据信号特征编写相应的FPGA代码和上位机软件程序,最后通过比特流的方式并行加载到数字平台上。加载完成后平台对整个软硬件进行全面的可重构,实现相应的信号产生功能。

3结论

本文提出一种基于合成仪器的通用信号产生方法。该方法采用标准总线架构的合成仪器技术,平台的开放性、灵活性与可扩展性非常强,能够满足不同信号激励测试应用需求。本文按照软件无线电设计思路,采用模块化设计方式,通过综合化射频微波信号发生调理通道,开放硬件平台并支持软件用户二次开发,方便第三方做定制化应用开发及系统解决方案。本文设计的通用信号产生方法,只需要一套通用硬件平台,通过动态加载方式实现各种所需信号产生,可灵活方便地满足各种信号产生需求,也可应用于大型自动测试系统构建。

参考文献:

[1]杨韬仪,王超,夏艳琴.基于并行DDS技术的宽带通信信号模拟方法[J].微电子学,2014,44(6):789-792.

[2]李文意.浅析矢量信号发生器的进展历程[J].国外电子测量技术,2015,34(3):7-9,12.

[3]习郑虎,年夫顺,樊晓腾,等.基于FPGA的多制式基带信号发生器设计[J].计算机测量与控制,2011,19(10):2584-2586,2595.

[4]陈小敏,朱秋明,苏君煦,等.基于FPGA的数字基带信号源设计[J].电气电子教学学报,2016,38(1):67-70.

[5]包可佳,唐琦.基于FPGA的高码率QPSK信号产生方法[J].信息通信,2015,(9):82-84.

[6]聂伟,王昭辉,汤作伟.基于FPGA的数字调制器的实现[J].实验技术与管理,2007,24(9):89-92.

[7]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2001:179-180.

作者:张光山 宋淼 刘磊 付存文 杨宜生 单位:中国电子科技集团公司第四十一研究所

合成仪器下的通用信号产生方法探析责任编辑:张雨    阅读:人次
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