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(浙江工業(yè)大學 理學院，浙江 杭州 310023)

超寬帶(UWB, Ultra-wideband)技術是近年來研究開發(fā)的熱點。UWB技術通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調(diào)制，使得信號具有GHz量級的帶寬，進而利用極寬的頻譜(GHz)來實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)傳輸速率[1]。UWB技術具有速率高、抗干擾能力強、結構簡單和系統(tǒng)復雜度低等特點，因此廣泛應用于激光技術、工業(yè)測量等領域。超寬帶脈沖的產(chǎn)生與傳輸是超寬帶的關鍵技術之一，滿足應用要求的超短脈沖也是超寬帶技術的基礎。此外，通過時頻分析手段來利用超短脈沖實現(xiàn)對原子內(nèi)部量子態(tài)的操控等新技術也逐漸成為微波領域的研究重點，這將對微波波段脈沖的傳輸以及亞周期范圍內(nèi)強場與原子相互作用的研究起到重要作用[2]。

傳統(tǒng)的時頻分析是利用采樣示波器來獲取實驗過程中所產(chǎn)生的脈沖信號，用數(shù)據(jù)采集卡或示波器自帶的軟驅通過磁盤來進行信號波形的數(shù)據(jù)采集，然后再導入計算機利用軟件進行結果的處理與分析。就數(shù)據(jù)采集卡而言，其價格與性能是成正比的，較為昂貴，后者則操作較為繁瑣、效率極低、容易出錯，無法滿足對儀器的自動化需求。因此，快速、高效地實現(xiàn)實時脈沖時頻分析是很有必要的，也就是將瞬態(tài)脈沖信號波形的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與時頻分析以及結果的顯示集成在一起，將會使得設備的硬件和軟件部分得到最大化利用，大大降低成本并增強應用靈活性。主要針對UWB脈沖的脈沖窄、頻譜寬等特點并結合超寬帶亞周期微波脈沖的時頻分析應用需求，提出一種實時時頻分析系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)的設計方法以及具體的應用。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)整體結構

本系統(tǒng)采用GPIB接口實現(xiàn)計算機與Agilent 8100A型示波器之間的數(shù)據(jù)通信。目前，工程或科研方面用到的儀器繁多，新型的儀器設備大多配有GPIB(General purpose interface bus)接口，GPIB接口的總線方式是在1978 年提出的，實現(xiàn)了計算機與測量儀器設備的首次結合，抗干擾性能較好，其傳輸速率可達8 MB/s?？蓪x器與計算機連接起來組成一套自動化系統(tǒng)。

系統(tǒng)的硬件由計算機、GPIB接口卡、GPIB電纜線和示波器4 部分組成。由于控制計算機本身并沒有GPIB接口，因此要配備GPIB接口控制卡來完成通信[3]。計算機通過GPIB卡、GPIB電纜和示波器的GPIB接口相連。一套完整的分析系統(tǒng)一般是由控制器、測量設備、軟件平臺以及接口總線所構成[4]。其中，軟件是系統(tǒng)的主體，硬件用來實現(xiàn)信號的輸入與輸出。

分析系統(tǒng)的軟件部分是系統(tǒng)的核心部分，Matlab具有強大的計算功能與數(shù)據(jù)處理能力，是一套高性能的可視化軟件，其豐富的工具箱函數(shù)被廣泛應用[5]，與其他的Visual C++等高級的編程語言相比，其語法簡單，使得系統(tǒng)的設計與調(diào)試更加便捷高效，通過儀器控制工具箱即可實現(xiàn)與GPIB接口總線的通信，接口編程較為簡單，可為系統(tǒng)提供可靠的通信與強大的數(shù)據(jù)處理功能。因此，信號的實時采集與控制部分將基于計算機的Matlab平臺開發(fā)。就系統(tǒng)的界面設計而言，Matlab在外觀設計方面實現(xiàn)較為繁瑣；而LabVIEW作為一種圖形化的編程語言，其圖形界面豐富實用，可以較容易地實現(xiàn)各種界面的制作。但是，LabVIEW的缺點在于其標準工具箱功能有限，且對于大量數(shù)據(jù)進行復雜的運算處理時能力較弱。因此，本系統(tǒng)中信號的處理與分析、結果的顯示等功能模塊采用LabVIEW與Matlab的混合編程來實現(xiàn)，即利用LabVIEW的Matlab Script節(jié)點直接進行時頻分析的Matlab腳本的編輯，并在LabVIEW的環(huán)境中運行，從而實現(xiàn)在LabVIEW的應用程序中使用Matlab編寫的算法和相應的工具箱功能。系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The block diagram of the real-time time-analysis system

1.2 系統(tǒng)的GPIB接口通信設計

GPIB接口卡采用USB-GPIB轉換接口，可實現(xiàn)從計算機的USB端口到配有GPIB接口的示波器的直接連接，系統(tǒng)構成和操作相對簡單[6]。系統(tǒng)使用Matlab平臺，通過GPIB總線實現(xiàn)對Agilent 8100A型示波器的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)測量、顯示燈功能的自動化。

在通過Matlab平臺實現(xiàn)對GPIB總線的控制過程中，采用了儀器控制工具箱(Instrument control toolbox)來實現(xiàn)計算機與示波器之間的通信。在利用工具箱實現(xiàn)對GPIB接口的通信時，可用一個對象將GPIB接口封裝起來，即創(chuàng)建GPIB對象，在編程過程中直接對GPIB對象操作即可[7]，相比傳統(tǒng)儀器控制方法，這一方法具有更高的靈活性。方法的實現(xiàn)包括以下幾個步驟：

1) 創(chuàng)建GPIB對象。通過創(chuàng)建GPIB對象來建立Matlab與USB-GPIB接口卡之間的通信,可使用GPIB函數(shù)實現(xiàn)。

2) GPIB對象的連接?？梢杂胒open函數(shù)建立連接，即打開GPIB接口，在連接示波器之后進行實時波形數(shù)據(jù)的傳輸。

3) 屬性設置。通過set函數(shù)來進行輸入設置、輸出緩沖器等設置。可以通過定義GPIB對象的屬性來定義GPIB的通信模式，同時也能了解其狀態(tài)。

4) 實時采樣的波形數(shù)據(jù)的讀寫。寫入數(shù)據(jù)時，應使用fprintf，fwrite等函數(shù)，讀出數(shù)據(jù)時，使用fgetl，fgets，fread等函數(shù)。

5) 斷開并清除連接?？墒褂胒close函數(shù)斷開GPIB接口；使用delete函數(shù)將GPIB接口對象從內(nèi)存中刪除，使用clear函數(shù)來清除Matlab的工作空間。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

1.3.1 系統(tǒng)對示波器的控制

Agilent 8100A型示波器是一款高采樣率數(shù)字示波器，其帶寬為20 GHz，可實現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集。計算機與示波器之間采用主從式的通信方式，計算機處于主動地位，數(shù)字示波器處于被動地位，計算機向示波器發(fā)出各種查詢命令，示波器向計算機作出回應，并返回查詢結果。同時，還可以通過計算機發(fā)出的命令設置示波器狀態(tài)以及數(shù)據(jù)采集參數(shù)。命令和查詢兩種方式均可看作是計算機發(fā)給示波器的指令[8]。Agilent 8100A型示波器的指令系統(tǒng)較為完整，表1給出了系統(tǒng)中所涉及到的主要指令以及其相應的功能。

表1 系統(tǒng)中用到的指令Table 1 Instructions used in the system

1.3.2 系統(tǒng)對示波器的控制

在Matlab平臺上利用其儀器控制工具箱(Instrument control toolbox)初始化Agilent 8100A型示波器之前，可搜尋到示波器的GPIB地址為GPIB0::7:INSTR，表示所創(chuàng)建GPIB對象的地址為7[8]。在實現(xiàn)GPIB對象的正確尋址后，計算機可以對該地址的儀器設備發(fā)送設置和命令。在尋址結束后，要進行示波器的初始化，其功能相當于示波器面板的AutoSet設置，使其能夠完成波形的自動檢測與顯示。

1.3.3 系統(tǒng)軟件模塊設計

亞周期微波脈沖實時分析系統(tǒng)以USB-GPIB接口作為計算機與Agilent 8100A型示波器之間的硬件接口，Matlab平臺通過GPIB接口卡來創(chuàng)建GPIB對象，直接對GPIB對象進行處理。在創(chuàng)建GPIB對象后，對該對象進行操作即可完成對硬件設備的控制，無需對示波器硬件進行直接操作。軟件的設計主要是由信號的實時采集與控制、信號處理與分析以及結果的顯示與保存等3 個大模塊構成。計算機Matlab平臺是軟件的核心部分，充當系統(tǒng)的控制模塊；信號的實時采集與控制部分，主要實現(xiàn)計算機與示波器之間的通信和控制示波器的各項操作，并完成波形數(shù)據(jù)的采集與傳輸，此部分功能主要由GPIB通信控制模塊來完成[9]；信號的處理與分析、結果的顯示與數(shù)據(jù)的保存可在LabVIEW平臺下通過LabVIEW與Matlab的混合編程來實現(xiàn)，即在LabVIEW中利用Matlab Script節(jié)點直接進行時頻分析的Matlab腳本編輯，或在LabVIEW的環(huán)境中直接調(diào)用已經(jīng)編譯好的時頻分析鏈接庫[10]。其中，第2 種方法可節(jié)省調(diào)試時間，提高效率。軟件系統(tǒng)各個模塊的連接框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件模塊Fig.2 The software module of the real-time time-analysis system

2 系統(tǒng)應用

2.1 實時信號波形數(shù)據(jù)的采集和顯示

系統(tǒng)連接完畢后，經(jīng)過設備調(diào)試和系統(tǒng)整體調(diào)試，確保系統(tǒng)正常通信，可以通過系統(tǒng)的控制模塊，即計算機的Matlab平臺實現(xiàn)示波器的控制與波形數(shù)據(jù)的采集。在每次波形數(shù)據(jù)采集結束后，通過關閉接口和刪除GPIB對象完全終止數(shù)據(jù)采集，否則會導致示波器繼續(xù)處在查詢狀態(tài)，影響后續(xù)波形數(shù)據(jù)采樣。信號的處理與分析、結果的顯示與保存在LabVIEW平臺上實現(xiàn)。圖3為LabVIEW的前面板界面設計及結果顯示。

圖3 LabVIEW平臺前面板設計與結果顯示Fig.3 Front panel design and display of LabVIEW platform

圖3(a,b)分別顯示亞周期微波脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電壓信號E0(t)的波形和脈沖信號經(jīng)過自由空間傳輸后接收信號E(t)的相應波形。E0(t)是脈沖發(fā)生裝置在100 MHz的正弦波激勵下CH1通道所產(chǎn)生的時域波形，其采樣時間長度為3 ns，采樣點數(shù)為1 350，采樣率為135 GHz。實驗中所產(chǎn)生的脈沖實測半高寬約為140 ps，為典型的亞周期UWB微波脈沖。E(t)為示波器通道CH3采集到的天線接收實時信號，該波形是由脈沖原信號經(jīng)過自由空間傳輸后，由半波偶極子天線接收的電信號。在這一過程中，微波信號中無法在自由空間中傳播的直流成分被濾除，轉變?yōu)榭稍谧杂煽臻g傳播的UWB微波脈沖。

圖3中的譜分析部分是通過快速傅里葉變換方法對實測的時域信號和天線接收后的信號進行實時處理，將時域信號轉換到頻域的分析結果。其中圖3 (c,d)分別為脈沖信號E0(t)與E(t)的頻譜分析結果，橫軸為微波頻率，縱軸表示該頻率成分所對應的幅值大小，直觀地反映了信號中各個頻率成分的強度及頻譜分布范圍。由圖3(c)可以看出：E0(t)脈沖在零頻處有較大分量，即脈沖包含直流成分，且該微波脈沖的-10 dB帶寬約為2.8 GHz。由圖3(d)中可以看出：E(t)的零頻分量為零，即無直流量，因此可在自由空間傳輸；從頻譜分布情況可計算得出該脈沖信號的中心頻率為2.2 GHz，其-10 dB帶寬為1.8 GHz。系統(tǒng)可對天線接收到的無直流量信號進行進一步處理與分析。

2.2 時頻分析

在本系統(tǒng)中，使用Wigner-Ville(W—V)時頻分析方法來處理實測信號E(t)，對其進行時頻分析。信號E(t)的W—V分布W(ω,t)定義為

(1)

式中：τ為時間積分變量；t為時移；E(t)為解析信號，可為實信號或復值信號；E*(t)為E(t)的共軛信號表達式。式(1)實質上是E(t)的瞬時自相關函數(shù)E*(t-τ/2)E(t) (t+τ/2)關于時延τ的傅里葉變換，即實時信號E(t)在t時刻的W—V分布。在各種時頻分布計算方法中，W—V分布具有最簡單的形式，是描述信號時頻分布的一個有力工具。與其他的時頻分析方法，如Gabor變換、短時傅里葉變換等相比，W—V分布的方法可以同時獲得較高的時間和頻率分辨率。從其函數(shù)表達式(1)中可以看出：由于在積分中E(t)出現(xiàn)了2 次，所以它可以看作是將信號的能量分布于時頻平面內(nèi)的一種雙線性表示形式[11]。

由W—V分布的性質可知：信號的瞬時頻率ωi(t)與其W—V分布關系式為

(2)

式中：ω為信號E(t)在t時刻的W—V分布頻率值；W(ω,t)為信號在t時刻的W—V分布；ωi(t)為E(t)在t時刻的瞬時頻率。從式(2)可以看出：

瞬時頻率是對某一時刻的所有頻率分量進行加權平均的運算[12]。這種將時間固定來求取該時刻的瞬時頻率的方法，被稱為W—V分布的一階矩，即給出了求取信號瞬時頻率的方法。利用W—V分布W(ω,t)的一階矩即可求得信號E(t)的瞬時頻率隨時間的變化情況。信號E(t)的時頻分析結果如圖4所示。

圖4 CH3通道信號E(t)的實時W—V時頻分布及其瞬時頻率變化Fig.4 The W-V distribution of signal E(t) and instantaneous frequency for each sampling time

圖4(a，b)分別為脈沖信號E(t)的W—V二維分布以及瞬時頻率的變化曲線，直觀地反映了頻率隨時間變化的特性。從時頻特性分析結果中，不但可以獲得UWB微波脈沖隨時間變化的信息，也能得到其頻譜分布信息，最重要的是能夠實時獲取頻率隨時間變化的信息。如系統(tǒng)測試結果所示，從信號的時間演化和頻率分布看出：典型的UWB微波脈沖的持續(xù)時間為0.8～1.7 ns，頻率分布在1.7～2.5 GHz內(nèi)。根據(jù)結果中的瞬時頻率變化曲線，可直觀地判斷出該脈沖信號存在啁啾[13]。在時頻分析結果中，若所得到的時頻演化軌跡與時間軸平行，則可以判斷該脈沖是不存在啁啾的。在系統(tǒng)的測試結果中，瞬時頻率的變化曲線與時間軸不平行的，可以判斷出該脈沖存在啁啾，且啁啾率隨時間發(fā)生演變。

3 結 論

利用Matlab與LabVIEW的混合編程，通過GPIB接口連接控制計算機和高速示波器，實現(xiàn)了一種UWB亞周期微波脈沖實時時頻分析系統(tǒng)的設計與應用。這種設計可以實現(xiàn)UWB亞周期微波脈沖的實時采樣、波形顯示、頻譜分析和時頻分析，直觀、迅速地提供超短脈沖的頻率特性信息。分析所得的亞周期微波脈沖的時頻特性即啁啾效應可應用于微波波段超短超快脈沖領域，特別是對閾上電離、超短脈沖下的電離效應，如亞周期脈沖高次諧波的產(chǎn)生、成絲效應以及電荷的相對論加速等過程的基礎研究起到一定的借鑒作用。本設計充分發(fā)揮了GPIB接口的高速傳輸性能、Matlab平臺強大的數(shù)據(jù)處理以及儀器控制功能，系統(tǒng)實時性好、成本低、使用和維護簡單以及在UWB脈沖的諸多應用領域具有廣泛的實用前景。