最新綜合分析儀暨獨立信號源系統(tǒng)解決方案

一、項目實現(xiàn)構(gòu)思

1. 背景分析

隨著信息技術(shù)的不斷提高，信號測量越來越復(fù)雜，測量儀器也變得越來越多，從而使得儀器的集成化成為當(dāng)今測量儀器發(fā)展的熱點。NI、安捷倫、泰克等國內(nèi)外企業(yè)也已經(jīng)在這個方面進(jìn)行研究，而且現(xiàn)在越來越多的以通信類和消費類為代表的電子產(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，但難于實現(xiàn)中低頻信號分析，而目前國內(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，將對中低頻信號的頻域分析，時域分析和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析功能融合為一體，并可作為獨立信號源，同時高載頻信號經(jīng)分析解調(diào)后得出基帶信號可以進(jìn)而實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能。

1. 特色描述

本系統(tǒng)基于Spartan 3E平臺，運用嵌入式技術(shù)，可獨立完成中低頻信號的時域分析、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芯片對模擬信號進(jìn)行實時采集及處理，保證了系統(tǒng)的高精度和高可靠性，同時系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，操作方便。

1. 創(chuàng)新點描述

1. 系統(tǒng)利用信號的實時采集處理技術(shù)，可實現(xiàn)對DC~20MHz信號進(jìn)行綜合分析，克服了傳統(tǒng)超差分技術(shù)難以實現(xiàn)低頻信號分析的局限性。
2. 系統(tǒng)將信號產(chǎn)生、時域分析、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(yīng)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. 時域分析

通過解調(diào)得到基帶信號，確定信號的幅度、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）、回波損耗和絕對功率的測試。

1. 本系統(tǒng)基于嵌入式平臺，不僅獨立實現(xiàn)了信號的實時采集與分析，還可以利用外圍通訊接口與PC等設(shè)備連接，可集成于高一級系統(tǒng)。
2. 應(yīng)用市場分析

DC～20MHz的中低頻信號涵蓋科研及生產(chǎn)生活中的大部分應(yīng)用，如移動通信、消費電子等等，然而傳統(tǒng)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，這類電子產(chǎn)品的分析測試、維護(hù)維修成為一個很大的問題，本系統(tǒng)作為對中低頻信號的時域、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問題，填補該領(lǐng)域的應(yīng)用空白，具有極高的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。

二、項目實現(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或FPGA驅(qū)動DDS芯片產(chǎn)生信號，然后對信號進(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，再由FPGA實時存儲，得到待處理信號。根據(jù)鍵盤命令，處理器對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的時域、頻域或系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析，得到信號的時域、頻域和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性，再將獲得的信號參數(shù)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(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，此信號用于系統(tǒng)的自校準(zhǔn)，消除系統(tǒng)測量誤差和進(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(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)生模擬信號并對其幅度、相位、頻率進(jìn)行調(diào)整。
2. 控制A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
3. 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行實時存儲。

2.4 MicroBlaze處理模塊

該模塊為本設(shè)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。它分為時域分析、頻域分析、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析三個子模塊，完成對信號的綜合分析。

2.4.1 時域分析模塊

本模塊先將FPGA中的數(shù)字信號進(jìn)行提取并緩存，然后根據(jù)調(diào)制信號的各項參數(shù)，對數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)，然后進(jìn)行分析對比得出信號幅度、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)計為填補應(yīng)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(tǒng)的超外差式混頻處理。

主要算法：FFT。數(shù)據(jù)采集存儲后，在FPGA芯片內(nèi)部編寫高效程序完成信號的FFT變換，采用基二時域抽取法FFT，N點DFT可分解為兩個N/2點的DFT和如下兩式的運算。

N個數(shù)據(jù)的FFT需要的復(fù)乘和復(fù)加運算次數(shù)分別為 。當(dāng)N較大時，運算量相對于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(shù)B(jnw)，因為a(t)信號為已知，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

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

因為為常數(shù)，利用FPGA驅(qū)動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(tǒng)，利用時域分析模塊測量輸出點的電壓，從而可以得到四個方程，利用這四個方程既可就得系統(tǒng)的S參數(shù)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)四端口網(wǎng)絡(luò)的分析。

1. 軟件流程如圖所示