張少侃，梁中英，高心煒

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州510663）

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一種利用MATLAB軟件和安捷倫E4438C儀器產(chǎn)生自定義信號(hào)的方法

張少侃，梁中英，高心煒

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州510663）

摘要：為了產(chǎn)生模擬接收機(jī)在復(fù)雜無(wú)線電波環(huán)境下的測(cè)試接收物理波形信號(hào)，給出一種使用MATLAB軟件和安捷倫E4438C矢量信號(hào)源產(chǎn)生自定義物理波形信號(hào)的方法。以QPSK調(diào)制信號(hào)為例，給出MATLAB軟件產(chǎn)生數(shù)字波形文件的詳細(xì)代碼，并且給出數(shù)字波形文件下載到E4438C儀器和使用E4438C產(chǎn)生物理波形文件的具體詳細(xì)步驟。最后，通過(guò)示波器和EVM測(cè)試儀驗(yàn)證所產(chǎn)生的QPSK物理波形的正確性。

關(guān)鍵詞：MATLAB；E4438C矢量信號(hào)源；自定義波形

0　引言

在我們當(dāng)前生存的無(wú)線電環(huán)境中，充滿著各種各樣復(fù)雜的無(wú)線電波，因此任何真實(shí)的電子系統(tǒng)都必須能夠在復(fù)雜的無(wú)線電信號(hào)環(huán)境中工作。在當(dāng)前無(wú)線電波環(huán)境中，空中除了本電子系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)外，還同時(shí)存在著各種噪聲和其他電子系統(tǒng)發(fā)出的干擾信號(hào)，因此在接收機(jī)的開發(fā)和測(cè)試過(guò)程中，要充分考慮到真實(shí)復(fù)雜環(huán)境中噪聲和其他干擾信號(hào)的影響。為了測(cè)試接收機(jī)能否在真實(shí)無(wú)線電波環(huán)境中工作，也即接收機(jī)能否在復(fù)雜無(wú)線電波環(huán)境下工作，我們需要有一個(gè)真實(shí)的可以自定義產(chǎn)生任何形式信號(hào)的信號(hào)源[1]。

文獻(xiàn)[2]介紹了一種復(fù)雜波形產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，但其只能產(chǎn)生復(fù)雜載波并不能產(chǎn)生自定義的信息內(nèi)容，而且使用可編程邏輯硬件開發(fā)，不能達(dá)到復(fù)雜無(wú)線電波形的快速搭建要求。另外，雖然現(xiàn)有的很多儀器已經(jīng)可以很容易地合成出各種標(biāo)準(zhǔn)的通信信號(hào)，甚至是各種衰落形式的信號(hào)，但是實(shí)際的無(wú)線電波環(huán)境中往往情況更加復(fù)雜。例如雷達(dá)系統(tǒng)中對(duì)復(fù)雜波形信號(hào)的要求體現(xiàn)為寬的信號(hào)帶寬、波形捷變能力以及較低的相位噪聲和雜散電平等[3-4]。因此，研究復(fù)雜自定義信號(hào)物理波形的產(chǎn)生意義重大。本文利用MATLAB軟件產(chǎn)生任意形式的數(shù)字信號(hào)域波形文件，將數(shù)字信號(hào)波形文件下載到安捷倫公司的E4438C矢量信號(hào)源[5]中，讓它產(chǎn)生我們想要的任意形式物理信號(hào)。

1 MATLAB產(chǎn)生數(shù)字波形文件

MATLAB軟件是一款集信號(hào)仿真和信號(hào)分析的強(qiáng)大工具軟件，用它我們可以產(chǎn)生任意形式的數(shù)字域波形文件，如我們常見的QPSK、GMSK調(diào)制信號(hào)以及更加復(fù)雜的FDMA、CDMA等多址接入信號(hào)。另外其強(qiáng)大的信號(hào)處理工具箱，使得我們可以通過(guò)MATLAB產(chǎn)生形式的數(shù)字波形信號(hào)。

下面我們以常見的QPSK調(diào)制信號(hào)為例，給出使用MATLAB產(chǎn)生可以下載到安捷倫E4438C儀器中的波形文件。首先給出QPSK的映射星座圖為[pi/4, pi*7/ 4, pi*3/4, pi*5/4]，成型濾波采用平方根升余弦滾降成型濾波器，內(nèi)插倍數(shù)為4，滾降因子為0.35，群遲延為6。相應(yīng)的MATLAB腳本代碼如下：

insValue=4; ％內(nèi)插倍數(shù)

alpha=0.35; ％滾降因子

groupDelay=6; ％群遲延

filterCoeff =rcosine（1,insValue,'fir/sqrt',alpha,groupDelay）;％生成平方根升余弦滾降成型FIR濾波器系數(shù)

filterDelay=（length（filterCoeff）-1）/2; ％濾波器的延遲

qpskAngle=[pi/4, pi*7/4, pi*3/4, pi*5/4]; ％QPSK星座映射圖

msg=randint（1,1000）; ％隨機(jī)產(chǎn)生0、1序列

code=reshape（msg, 2, length（msg）/2）; ％串行轉(zhuǎn)并行

id=bi2de（code','left-msb'）; ％二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制

codeAngle=qpskAngle（id+1）; ％星座圖角度映射

sig=exp（1i*codeAngle）; ％QPSK調(diào)制映射

sig=upsample（sig, insValue）; ％信號(hào)插零

txSig=conv（sig,filterCoeff）; ％成型濾波

txSig=txSig（filterDelay+1:length（txSig）-filterDelay）; ％去除延遲

通過(guò)執(zhí)行以上MATLAB代碼，我們得到了QPSK調(diào)制信號(hào)的數(shù)字域波形txSig，信號(hào)txSig的信號(hào)圖和IQ兩路的時(shí)域波形圖分別如圖1和圖2所示。

圖1　QPSK信號(hào)圖

圖2　QPSK信號(hào)時(shí)域波形圖

有了以上信號(hào)，我們還需要對(duì)txSig做定點(diǎn)量化處理，這里我們選擇實(shí)部和虛部的量化位寬均是16比特。量化的MATLAB腳本語(yǔ)句為：

quantityBit=16; ％量化位寬

sigPulseI=real（txSig）; ％取出實(shí)部

sigPulseQ=imag（txSig）; ％取出虛部

factorDIV=max（max（abs（sigPulseI））,max（abs（sig-PulseQ）））; ％取IQ兩路最大幅值作為歸一化因子

if（factorDIV ==0）％此種情況對(duì)應(yīng)IQ兩路全為零

sigPulseI_quantity=zeros（size（sigPulseI））;

sigPulseQ_quantity=zeros（size（sigPulseQ））;

else ％此時(shí)進(jìn)行量化處理

sigPulseI_quantity =floor（sigPulseI /factorDIV *（2^（quantityBit -1）-1））;

sigPulseQ_quantity =floor（sigPulseQ/factorDIV *（2^ （quantityBit-1）-1））;

end

sigPulse_quantity =sigPulseI_quantity +1j* sigPulseQ_ quantity; ％合并為復(fù)數(shù)

得到16比特量化后的復(fù)信號(hào)sigPulse_quantity后，我們需要將其實(shí)部和虛部分別寫入到txt文件中，以便下載到安捷倫E4438C儀器中。這里對(duì)兩個(gè)txt文件的名字有要求，IQ兩路信號(hào)的txt文件名需為***_i. txt和***_q.txt的格式，例如本例中我們選擇的名字為QPSK_i.txt和QPSK_q.txt。以下給出將sigPulse_quantity信號(hào)寫入txt文件的MATLAB腳本代碼。

Isig=real（sigPulse_quantity）; ％取出實(shí)部

Qsig=imag（sigPulse_quantity）; ％取出虛部

fileNameI='QPSK_i.txt'; ％實(shí)部波形文件名

fileNameQ='QPSK_q.txt'; ％虛部波形文件名

fid = fopen（fileNameI, 'wt'）; ％打開實(shí)部文件

if（fid==-1）％打開文件失敗

error（'實(shí)部信號(hào)波形文件打開失敗'）;

end

for i=1:length（Isig）

fprintf（fid, '％d ', Isig（i））; ％寫入數(shù)據(jù)

end

fclose（fid）;

fid = fopen（fileNameQ, 'wt'）; ％打開虛部文件

if（fid==-1）％打開文件失敗

error（'虛部信號(hào)波形文件打開失敗'）;

end

for i=1:length（Qsig）

fprintf（fid, '％d ', Qsig（i））; ％寫入數(shù)據(jù)

end

fclose（fid）;

至此，我們便使用MATLAB軟件得到了QPSK調(diào)制信號(hào)實(shí)部和虛部波形文件QPSK_i.txt和QPSK_q.txt，后面我們需要將這兩個(gè)波形文件使用安捷倫E4438C產(chǎn)生物理波形。

2　數(shù)字波形文件下載到安捷倫E4438C儀器中

在上面部分我們得到了QPSK調(diào)制信號(hào)實(shí)部和虛部的兩個(gè)波形文件，本部分主要解決將兩個(gè)波形文件下載到安捷倫E4438C儀器中。文獻(xiàn)[6]中雖然介紹了E4438C構(gòu)建功放生產(chǎn)測(cè)試平臺(tái)的方法，但其并未對(duì)MATLAB產(chǎn)生的數(shù)字波形文件下載到E4438C中做詳細(xì)介紹。本文介紹的下載方法使用的是安捷倫E4438C儀器的網(wǎng)口與計(jì)算機(jī)網(wǎng)口連接的方式，其連接框圖如圖3所示。

圖3　計(jì)算機(jī)和安捷倫E4438C連接示意圖

計(jì)算機(jī)想要通過(guò)網(wǎng)口和安捷倫E4438C連接，計(jì)算機(jī)需要首先安裝安捷倫E4438C的驅(qū)動(dòng)程序，安裝完驅(qū)動(dòng)程序后進(jìn)入“Agilent IO control”界面如下：

圖4　Agilent IO control界面

通過(guò)界面指引操作把通過(guò)網(wǎng)口連接的E4438C儀器找到，如出現(xiàn)圖5所示界面，則表示驅(qū)動(dòng)安裝成功。

圖5　計(jì)算機(jī)連接E4438C成功界面

計(jì)算機(jī)連接E4438C成功后，我們還不能直接把波形文件下載進(jìn)去，這時(shí)我們需要借助插件工具Intuilink才能將MATLAB生成的兩個(gè)波形文件下載到E4438C儀器中。安裝完Intuilink插件工具后，此插件需要在微軟Office辦公軟件中的Excel中找到，打開一個(gè)Excel，點(diǎn)擊加載項(xiàng)，會(huì)有一個(gè)圖6所示的界面，表示Intuilink插件安裝成功。

圖6　Intuilink插件安裝成功界面

在計(jì)算機(jī)成功連接E4438C后，我們就可以使用圖6所示Intuilink插件界面從計(jì)算機(jī)往E4438C儀器里面下載MATLAB生成的兩個(gè)波形文件了，對(duì)應(yīng)的下載界面如圖7所示。

圖7　Intuilink插件下載MATLAB生成的波形文件界面

點(diǎn)擊圖7中紅圈所示的“Start Download”按鈕，等待一段時(shí)間，待下載完成后，我們便完成了數(shù)字波形文件到E4438C儀器的下載過(guò)程。

3　使用E4438C儀器產(chǎn)生自定義波形物理信號(hào)

通過(guò)上一部分的操作，我們已經(jīng)將MATLAB生成的數(shù)字域波形文件下載到E4438C儀器中，本節(jié)則需要使用E4438C儀器來(lái)產(chǎn)生下載進(jìn)來(lái)的數(shù)字域波形文件的物理信號(hào)。

在E4438C操作面板上，首先我們通過(guò)mode-＞Dual ARB-＞select waveform來(lái)選擇剛才下載到E4438C的數(shù)字域波形文件，如圖8所示。

圖8　E4438C選擇需要產(chǎn)生物理信號(hào)的數(shù)字域波形文件界面

在選擇完數(shù)字域波形文件后，我們通過(guò)E4438C面板上的mode -＞ARB -＞ARB setup -＞ARB sample clock來(lái)設(shè)置發(fā)端波形的采樣時(shí)鐘，只有采樣時(shí)鐘和波形信號(hào)對(duì)應(yīng)上后才能產(chǎn)生出我們想要的任意形式和速率的物理信號(hào)。至此，我們便通過(guò)E4438C儀器產(chǎn)生了我們自定義的物理信號(hào)。

4　對(duì)產(chǎn)生的物理信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證

本節(jié)通過(guò)示波器和EVM測(cè)試儀來(lái)對(duì)上面部分通過(guò)E4438C產(chǎn)生的物理信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。首先給出驗(yàn)證使用的物理儀器連接框圖，如圖9所示。

圖9　物理儀器連接示意圖

儀器連接完成后，實(shí)際的物理信號(hào)頻譜圖、EVM測(cè)試圖以及同步誤差相關(guān)參數(shù)測(cè)量圖分別如圖10、圖11和圖12所示。

圖10　物理信號(hào)頻譜圖

圖11　物理信號(hào)EVM測(cè)試圖

圖12　同步誤差相關(guān)參數(shù)測(cè)量圖

從上述驗(yàn)證結(jié)果可知，我們通過(guò)MATLAB軟件和安捷倫E4438C儀器產(chǎn)生了我們想要的自定義物理信號(hào)。

5　結(jié)語(yǔ)

本文以QPSK調(diào)制信號(hào)為例，給出了MATLAB軟件產(chǎn)生QPSK數(shù)字調(diào)制信號(hào)波形文件的詳細(xì)代碼，給出了將數(shù)字波形文件下載到安捷倫E4438C矢量信號(hào)源以及使用信號(hào)源產(chǎn)生物理波形的具體詳細(xì)步驟，最后通過(guò)示波器以及EVM測(cè)試儀驗(yàn)證了自定義QPSK調(diào)制信號(hào)物理波形的正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉亞平.基于SOPC的任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)[D].河北:河北科技大學(xué)，2012.

[2]余鐵軍,由法寶,任亞欣.一種復(fù)雜波形信號(hào)產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技，2013，26（5）: 78-80.

[3]張春榮.雷達(dá)捷變頻頻率綜合器技術(shù)及跳頻時(shí)間測(cè)量[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2004，12（4）:42-45.

[4]糜光璞.雷達(dá)復(fù)雜信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2006，35（3）:22-26.

[5]安捷倫ESG矢量信號(hào)發(fā)生器用戶指南，2002.

[6]范德睿,朱蕾,陳江.用E4438C和E4440A構(gòu)建功放生產(chǎn)測(cè)試平臺(tái)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009增刊:285-288.

梁中英（1985-），女，黑龍江鶴崗人，碩士研究生，工程師，從事領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信數(shù)字信號(hào)處理

高心煒（1986-），男，福建人，本科，助理工程師，從事領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信數(shù)字信號(hào)處理

A Method Using MATLAB Software and Agilent E4438C Vector Signal Source to Generate the Custom Waveforms

ZHANG Shao-kan，LIANG Zhong-ying，GAO Xin-wei
（Guangzhou HAIGE Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510063）

Abstract：In order to generate the simulated receiving physical waveform signals in the complicated radio environment, gives a method using MATLAB software and Agilent E4438C vector signal source to generate the custom physical waveform signals. Takes QPSK modulation signal as an example, gives a detailed code of MATLAB software to generate the digital waveform file, and presents the specific and detailed steps of the digital waveform file download to the E4438C instrument and using E4438C to generate the physical waveform signal. Finally, the correctness of the QPSK modulation physical waveform signal generated by the method presented is verified by the observation using oscilloscope and EVM test instrument.

Keywords：MATLAB; E4438C Vector Signal Source; Custom Waveform

收稿日期：2016-01-05修稿日期：2016-03-03

作者簡(jiǎn)介：張少侃（1988-），男，陜西西安人，碩士研究生，助理工程師，從事領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星通信數(shù)字信號(hào)處理

文章編號(hào)：1007-1423（2016）10-0076-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.10.019

基金項(xiàng)目：發(fā)改辦高技[2012]2083號(hào)