王世偉

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

寬帶信號(hào)采集與處理系統(tǒng)分析

王世偉

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

在寬帶信號(hào)采集和處理過程中，由于傳統(tǒng)寬帶信號(hào)采樣硬件成本昂貴，且數(shù)據(jù)處理效率低下，多數(shù)情況下，寬帶信號(hào)采集和處理效率相對(duì)較低。為突破傳統(tǒng)采樣定理限制，增強(qiáng)寬帶信號(hào)采集與處理效率，必須要進(jìn)一步對(duì)寬帶信號(hào)采集與處理進(jìn)行分析。

寬帶信號(hào)采集；處理系統(tǒng)；采集效率；網(wǎng)絡(luò)信號(hào)

1 寬帶信號(hào)采集處理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)采樣的主要對(duì)象為寬帶信號(hào)，也就是信號(hào)在一定頻譜范圍內(nèi)只采用相對(duì)較窄的帶寬。其采集基本原理為：將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閷拵∈栊盘?hào)，讓信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行處理。通道中，信號(hào)首先需要與一個(gè)模擬信號(hào)相乘，之后經(jīng)過模擬濾波器進(jìn)行濾波處理，然后合理制定時(shí)間間隔頻率，讓系統(tǒng)根據(jù)指令開展采樣工作，從而得到采樣序列。對(duì)于模擬濾波器來說，通常都會(huì)采用低通濾波器，如果截止頻率為時(shí)域波形圖時(shí)，則可以通過周期信號(hào)，并在每個(gè)周內(nèi)將時(shí)間段劃分，保障每個(gè)時(shí)間段的取值范圍在±1之間。

1.2 時(shí)域測(cè)試

在時(shí)域測(cè)試領(lǐng)域，通過波形捕獲率來衡量數(shù)據(jù)采集性能，并將其作為重要指標(biāo)。波形捕獲率是指單位時(shí)間內(nèi)時(shí)域數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能捕獲并顯示的波形幅數(shù)。通過采用系統(tǒng)中一次觸發(fā)并完成采集同時(shí)顯示在屏幕中的采樣點(diǎn)，通常采用wfms表示。通過不同單位時(shí)間，采集系統(tǒng)所獲得的信息，進(jìn)而顯示信息量的大小。通過采用無縫采集技術(shù)，顯示出時(shí)域采集系統(tǒng)在基本邊沿觸發(fā)模式下的采集過程。在檢測(cè)過程中，被檢測(cè)的正弦信號(hào)與觸發(fā)電平進(jìn)行分析比較，從而產(chǎn)生系統(tǒng)觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)中控制數(shù)據(jù)采集。在系統(tǒng)設(shè)置過程中，可以通過增加信號(hào)采集深度來調(diào)節(jié)采集系統(tǒng)屏幕的左端。設(shè)置完畢后，要根據(jù)系統(tǒng)的采集特點(diǎn)，如果出現(xiàn)啟動(dòng)采集信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)會(huì)明命令系統(tǒng)開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，直到波形緩沖區(qū)存滿，這時(shí)也就完成一次數(shù)據(jù)采集工作［1］。

1.3 數(shù)據(jù)采集

在第一次采集過程中會(huì)觸發(fā)脈沖，從而起到觸發(fā)并啟動(dòng)的采集功能，這是一次有效脈沖觸發(fā)，而二次觸發(fā)脈沖同樣是在第一次采集過程中，但無法實(shí)現(xiàn)脈沖作用。由此可見，一次數(shù)據(jù)采集只能觸發(fā)一次脈沖。待到第一次采集工作完畢之后，即可進(jìn)行脈沖二次采集，通過第二次采集到脈沖信號(hào)觸發(fā)的過程中，信息采集系統(tǒng)會(huì)處于待命階段，也就是等待脈沖觸發(fā)階段，直到第三次采集信號(hào)到來，才開始進(jìn)行第二次采集，以此類推，反復(fù)重復(fù)這一過程［2］。

1.4 數(shù)字示波器時(shí)基設(shè)置

在數(shù)字示波器時(shí)基設(shè)置過程中，通常都會(huì)受到內(nèi)部因素影響，嚴(yán)重影響波形鋪獲率，這是由于時(shí)基設(shè)置往往決定了采集顯示時(shí)間窗口。提高測(cè)量示波器的波形捕獲率的操作并不復(fù)雜，可以拓寬一部分示波器的信號(hào)發(fā)送通道，并將其他儀器與示波器同步觸發(fā)。因此，可以通過示波器提供的出發(fā)輸出信號(hào)特點(diǎn)，使外部計(jì)算器測(cè)量這個(gè)出發(fā)信號(hào)，檢測(cè)出平均頻率。設(shè)定信號(hào)發(fā)生器輸入單次雙脈沖測(cè)試信號(hào)，測(cè)試信號(hào)通常由窄脈沖和寬脈沖共同組成，脈沖會(huì)傳輸?shù)讲ㄐ斡|發(fā)位置（兩個(gè)脈沖觸發(fā)位置不同），并且保證兩個(gè)脈沖位置之間保持一段距離，由于兩個(gè)脈沖相互獨(dú)立，并且在觸發(fā)過程中能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)，從而可以實(shí)現(xiàn)不同的帶寬形式。

2 寬帶信號(hào)采集與處理系統(tǒng)實(shí)踐

在采用測(cè)試儀器過程中，通常由信號(hào)采集、信號(hào)分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等三大部分組成。軟件系統(tǒng)包括信號(hào)分析、信號(hào)處理、回放顯示等。通過計(jì)算機(jī)將信號(hào)儲(chǔ)存，對(duì)信號(hào)進(jìn)行后期處理，從而方便調(diào)節(jié)、使用，并對(duì)所收集的信號(hào)進(jìn)行分析，將最終數(shù)據(jù)提煉出來，工作人員可以根據(jù)自身需求對(duì)最終數(shù)據(jù)進(jìn)行有效篩選。

2.1 信號(hào)采集與存儲(chǔ)

在寬帶信號(hào)采集處理過程中，其核心步驟就是數(shù)據(jù)采集，如果數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)系統(tǒng)運(yùn)作，并且采集環(huán)節(jié)與信號(hào)精準(zhǔn)性有直接關(guān)系，信號(hào)采集需要工作人員設(shè)置相應(yīng)的采集參數(shù)，采集頻率在一定程度上會(huì)對(duì)寬帶信號(hào)造成一定影響，為了能夠避免信號(hào)頻率出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，可以通過奈奎斯特定律進(jìn)行設(shè)置，也就是采用最低采樣頻率，在采集頻率過程中，頻率倍率最好為7～10倍。采用高頻率采集形式，主要是為了正確還原波形，從而得到最原始的波形。

此外，在信號(hào)采集過程中，需要系統(tǒng)分析之后才能夠開始下一輪采集工作，從而影響數(shù)據(jù)采集效率。因此，在寬帶信號(hào)采集與處理系統(tǒng)中，可以將單線程模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑€程模式，采用隊(duì)列狀態(tài)的形式實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，狀態(tài)機(jī)由一個(gè)while和case系統(tǒng)組成。while系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)完結(jié)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采集，case系統(tǒng)則是在不同的操作狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)不同的操作，并將case結(jié)構(gòu)的分支與狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，其內(nèi)部程序主要為狀態(tài)行為，對(duì)壘狀態(tài)機(jī)即是將所需要的狀態(tài)進(jìn)行排隊(duì)，并將狀態(tài)序列存在的隊(duì)列中，通過調(diào)動(dòng)隊(duì)列轉(zhuǎn)臺(tái)序列從而實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，如果某個(gè)數(shù)據(jù)被應(yīng)用完畢之后，即可采用Dequeue Element VI程序?qū)⑵鋸年?duì)列中刪除，根據(jù)實(shí)際需求對(duì)狀態(tài)序列進(jìn)行分析，從而制造一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，不斷對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的信息放入隊(duì)列中，而另外一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，則可以不斷地從隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)通信互動(dòng)，二者相互沒有影響。

2.2 信號(hào)分析與處理系統(tǒng)

信號(hào)分析與處理是寬帶信號(hào)采集中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，主要目的是將被檢測(cè)信息進(jìn)行系統(tǒng)分析處理，進(jìn)而提供強(qiáng)大的處理包，如時(shí)頻分析、小波分析、時(shí)間順序分析等，從而極大地提高測(cè)試人員的工作效率，提高寬帶信號(hào)質(zhì)量。在頻譜分析中，主要將信號(hào)頻率加以分析，分析不同頻率信號(hào)的特征，從而抓住有效的信息。通過頻譜分析程序，根據(jù)不同的寬帶信號(hào)在頻域中分析，其中，Lab-VIEW接收信號(hào)非常強(qiáng)大，外部程序結(jié)構(gòu)相對(duì)較多，可以有效利用該軟件的變化優(yōu)勢(shì)，如MATLAB接口，本系統(tǒng)利用MATLAB接口進(jìn)行編程對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析。MATLAB編程如下所示：

fs=1000000;nfft=10240;figure(1);Y=abs(fft(x,nfft));plot ((0:nfft/2-1)/nfft*fs,Y(1:nfft/2));xlabel(‘頻率 f/Hz’);ylabel (‘功率譜P/W’)

周邊環(huán)境中會(huì)存在不同頻率的電磁波，會(huì)在一定程度上影響信號(hào)采集，從而影響信號(hào)采集頻率或精準(zhǔn)度，系統(tǒng)無法找出信號(hào)源的具體位置與特征。而小波分析就是一種有效的除噪方法，主要原理是通過一種小波，對(duì)信號(hào)的各個(gè)層級(jí)小波進(jìn)行分析，之后在各個(gè)層級(jí)中選擇一個(gè)閥值，并對(duì)細(xì)節(jié)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟閥值處理，降噪之后可以通過處理系數(shù)小波重建恢復(fù)信號(hào)。小波基的選擇轉(zhuǎn)換為正交鏡像濾波器的選擇，從而保障系統(tǒng)的對(duì)稱性與精準(zhǔn)性。

2.3 無縫采集示波器設(shè)計(jì)

通過在每道采用2片采樣率為3GSPS的ADC構(gòu)成并行交替采集系統(tǒng)來實(shí)提高6GSPS的采樣率，并通過高性能FPGA作為核心邏輯控制單元，從而發(fā)揮系統(tǒng)的重塑性與靈活性特點(diǎn)，在FPGA中采用的高速采樣數(shù)據(jù)流，通過非均衡實(shí)時(shí)矯正、無縫采集體系結(jié)構(gòu)、觸發(fā)同步、高速大容量數(shù)據(jù)的特征檢測(cè)功能模塊，采用DPS作為系統(tǒng)的核心處理器，是實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)采集與處理系統(tǒng)控制的人機(jī)交互功能，實(shí)踐展寬電路輔助觸發(fā)同步模塊，將微小的時(shí)間間隔放大，并將信號(hào)傳送回FPGA中進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)輪回，提高寬帶信號(hào)質(zhì)量。

3 結(jié)語

在寬帶信號(hào)采集與處理系統(tǒng)中，要重點(diǎn)減少外部、內(nèi)部因素的影響，通過時(shí)間間隔、數(shù)據(jù)排列等方法，最大程度降低影響，從而保障寬帶信號(hào)質(zhì)量。

［1］方瑋.寬帶無縫采集示波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011（4）：57-59.

［2］馬永輝，劉康，楊大志.基于LabVIEW的聲發(fā)射信號(hào)采集分析與處理系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)械，2011（2）：258-261.

Analysis of Wideband Signal Acquisition and Processing System

Wang Shiwei（Sichuan Jiuzhou Electrical Refco Group Ltd.，Mianyang Sichuan 621000）

Through the use of ultra wideband communication,ultra wideband signal processing,the traditional broadband signal sampling hardware is expensive,and the data processing efficiency is low,a lot of broadband signal take efficiency is relatively low.In order to break through the limitation of traditional sampling theorem,some theoretical knowledge is developed to enhance the efficiency of wideband signal acquisition.

wideband signal acquisition；processing system；acquisition efficiency；network signal

TN957.51

A

1003-5168（2017）07-0034-02

2017-06-02

王世偉（1982-），男，工程師，研究方向：高速信號(hào)處理系統(tǒng)。