一款基于DSP的頻譜監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

0 引言

隨著微波技術(shù)的廣泛發(fā)展，空間和地面電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，無線電頻譜資源作為公共資源的一種，需要頻譜管理部門進(jìn)行有效的分配和監(jiān)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)有必要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢測(cè)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(jiān)測(cè)分析儀是應(yīng)對(duì)當(dāng)前電磁信號(hào)頻譜檢測(cè)挑戰(zhàn)，兼?zhèn)涓叻直媛屎透咚阉魉俣鹊臋z測(cè)設(shè)備。頻率分辨率的提高意味著幅度檢測(cè)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)意味著在電磁信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域擁有強(qiáng)大的檢測(cè)效率。本系統(tǒng)采取了基于FPGA,DDR2 內(nèi)存卡和多DSP 的信號(hào)高速存儲(chǔ)及處理，多模式多窗口信號(hào)檢測(cè)，多域信號(hào)分析的技術(shù)路線，是一臺(tái)性能很高、功能較為強(qiáng)大的電磁信號(hào)檢測(cè)分析儀器，有著傳統(tǒng)檢測(cè)儀器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)和廣泛用途。

1 系統(tǒng)硬件方案

頻譜監(jiān)測(cè)分析儀系統(tǒng)組成包括了超外差信號(hào)接收，強(qiáng)大的中頻信號(hào)采集處理系統(tǒng)，以及內(nèi)嵌計(jì)算機(jī)系統(tǒng)這三大主要部分。超外差信號(hào)接收包括射頻通道、微波驅(qū)動(dòng)、本振合成，信號(hào)經(jīng)過三次變頻，變頻到采樣中頻，中頻采集處理系統(tǒng)基于軟件無線電設(shè)計(jì)思想，包括中頻電路、數(shù)字中頻及存儲(chǔ)單元、多DSP并行信號(hào)處理。內(nèi)嵌計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為Windows XP,是整機(jī)軟件的載體，并可配置外接設(shè)備。整機(jī)原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)擬采用測(cè)試儀器行業(yè)主流的Wintel架構(gòu)搭建控制平臺(tái)，主控制器采用高性能CoreDuo 雙核處理器，選用Windows XP 作為軟件運(yùn)行平臺(tái)，充分滿足用戶的使用習(xí)慣以及數(shù)據(jù)資源共享的需要;整機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境采用了VS2005 集成開發(fā)環(huán)境，并利用VisualSourceSafe進(jìn)行團(tuán)隊(duì)化開發(fā)管理。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，然后將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)處理模塊的核心工作就是把所要采集的信號(hào)進(jìn)行量化和采集。該模塊的詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.3 用戶接口和界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了掃描檢測(cè)和多域分析(內(nèi)含調(diào)制識(shí)別)兩種主要的測(cè)量功能，對(duì)于每種測(cè)試功能，均可在操作界面固定位置激活參數(shù)測(cè)試向?qū)?，并通過下拉式菜單、快捷按鈕、傳統(tǒng)菜單和眾多的對(duì)話框?qū)崿F(xiàn)和用戶的友好交互，用戶可以定制參數(shù)測(cè)試方法后儲(chǔ)存為參數(shù)測(cè)試解決方案，后續(xù)使用時(shí)可以直接調(diào)用該解決方案，實(shí)現(xiàn)一鍵化測(cè)試、測(cè)試參數(shù)報(bào)表方式靈活可選，以便更加貼近不同需求。

2.4 控制和數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集與傳送速率高達(dá)幾十兆字節(jié)/秒，要求整機(jī)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(chǔ)設(shè)備，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字中頻模塊、模擬電路模塊、專用外設(shè)以及通用外設(shè)的控制，這其中有高速處理器件，海量存儲(chǔ)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進(jìn)行接口設(shè)計(jì)顯然是不合理的，這里采用的是PCI、USB、自定義儀器控制總線相結(jié)合的復(fù)合總線形式。

3 系統(tǒng)主要技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 高速數(shù)據(jù)采集PCB設(shè)計(jì)技術(shù)

一個(gè)理論上完善的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)時(shí)很難達(dá)到理論設(shè)計(jì)的要求，這是因?yàn)閷?shí)際存在的各種干擾都對(duì)電路有影響，而且還要處理好地線排布、電源去耦、信號(hào)傳輸線的反射等實(shí)際問題。下面是針對(duì)這些問題本項(xiàng)目采用的一些設(shè)計(jì)技巧：避免走線的直拐角，盡可能地用45°走線或弧線;盡可能少用過孔，因?yàn)槊恳粋€(gè)過孔都是一個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn);盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線。>電源線>信號(hào)線;信號(hào)間的串?dāng)_對(duì)相鄰平行走線的長(zhǎng)度和走線間距極其敏感，因此相鄰走線層的信號(hào)線的總體走線方向一般要互相垂直，在同一走線層上盡量使高速信號(hào)線與其他平行信號(hào)線間距拉大，平行長(zhǎng)度縮小;在優(yōu)化布局的基礎(chǔ)上，盡量縮短高速信號(hào)的長(zhǎng)度，控制信號(hào)組延遲的一致性是布線時(shí)的重要任務(wù);不用樁線，因?yàn)槿魏螛毒€都是噪聲源，如果樁線短，可在傳輸線的末端端接就可以了，如果樁線長(zhǎng)，會(huì)以主傳輸線為源，長(zhǎng)生很大的反射，使問題復(fù)雜化。

3.2 多DSP互聯(lián)技術(shù)

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

3.3 能量檢測(cè)技術(shù)

閾值設(shè)定和計(jì)算是進(jìn)行信號(hào)能量檢測(cè)的前提和關(guān)鍵，用戶監(jiān)測(cè)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(shè)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(hào)的監(jiān)測(cè)，為此設(shè)計(jì)了自動(dòng)閾值算法(見圖4)，自動(dòng)閾值由軟件根據(jù)頻譜數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算背景噪聲功率，并通過加一個(gè)偏移值，很好的把噪聲和信號(hào)區(qū)分開。

4 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的頻譜監(jiān)測(cè)分析儀各種功能都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，幾個(gè)功能實(shí)現(xiàn)界面如圖5,圖6所示，在頻譜監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)頻譜監(jiān)測(cè)分析儀的總體方案，即由超外差信號(hào)接收，強(qiáng)大的中頻信號(hào)采集處理系統(tǒng)以及內(nèi)嵌計(jì)算機(jī)系統(tǒng)這三大主要部分組成。在設(shè)計(jì)總體方案的同時(shí)，給出了實(shí)現(xiàn)此總體方案的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐證明，該頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有高分辨率、高速度搜索、高速存儲(chǔ)及處理的特點(diǎn)，有良好的應(yīng)用前景。