| 基于虚拟仪器技术的频谱分析系统的设计 |
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| 作者：张小玉，范俊峰 文章来源：网络 点击数： 更新时间：2006-4-20 |
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| 【摘 要】文章通过对原有频谱分析仪器的性能分析，设计了一种基于虚拟仪器技术的频谱分析系统，并介绍了该系统采用的主要技术。
【关键词】频谱分析系统；高速数据采集；可控增益放大器；分辨率
一、引言
航天无线电测控仿真系统总是需要一套频谱分析系统来分析它的射频信号。然而，目前经常使用的通用频谱分析仪器，由于其可分析的频带较窄、分辨率较低且价格昂贵等原因，使得它的推广使用受到了较大的局限。为了改善现状，提高频谱分析仪器的相关性能，本文基于虚拟仪器技术设计了一种频谱分析系统。实践证明：该系统能够对中频信号进行时时的频谱分析，可分析的频带较宽，并且可愿莶煌囊罅榛钛∪〔煌姆直媛省?BR> 二、频谱分析系统的设计
虚拟仪器技术是利用通用计算机加上一组专门设计的软件和模块化接口硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计的专用传统仪器。计算机具备的这种功能，其技术核心是在计算机成熟的硬件技术基础上由一系列的软件技术实现。LabVIEW是美国国家仪器公司推出的一种虚拟仪器开发平台。在该平台环境下，使用者可以轻松自如地利用该图形编程语言，完成符合用户要求的设计。在虚拟仪器系统上，软件是系统的主体，硬件则成了为实现信号的输入输出而进行的配置。本系统就是利用LabVIEW开发平台，借助LabVIEW的图形编程、信号波形显示、数据处理等功能，通过对系统各级电路的输入输出信号的标准特征（幅值、波形、相位等）与实际工作状态信号特征进行比较，得出频谱分析系统技术状态的结论。
（一）系统硬件设计
硬件主要包括计算机、前置电路、高速数据采集卡、I/O板以及液晶显示器。其原理框图如图1所示。其中前置电路实现待测信号的频率变换和中频信号的处理；高速数据采集卡实现外部数据的高速时时采集；计算机和液晶显示器实现对中频信号的处理和显示。
图1 频谱分析系统原理框图
（二）系统软件设计
系统应用软件采用模块化设计，主要包括主控模块、数据采集和处理模块、操作控制模块、信号输入输出显示模块等，在LabVIEW平台下，采用Visual C++编程。整个测试软件全中文菜单操作，根据信号处理项目分为数字滤波、傅立叶变换和结果修正三个模块，每个模块的测试项目以菜单显示。程序包括主控程序、频谱分析程序、公用子程序、初始化程序和自检程序5个部分，如图2所示。
主控程序是系统程序的核心，对系统硬件和软件资源实行全面管理和控制，如：扫描键盘，控制系统的频谱分析功能，转换人机对话屏幕等。频谱分析程序，是实现系统分析和处理输入信号的主体。公用子程序用于实现状态设置、数据运算、非线性误差补偿、显示、参数查询等通用功能。为了保证系统的正常工作，每当系统上电或复位，均由自检程序对系统各部分硬件进行检测。
图2 频谱分析系统的软件功能框图
三、系统采用的主要技术
（一）采用计算机和先进芯片技术降低系统成本和复杂性
该频谱分析系统是采用计算机和先进芯片技术制成的便携式工控机系统。系统中的计算机是把中央处理器CPU、I/O接口电路、A/D板及串行通讯接口等部分制作在一块芯片中，节约了空间，减少了功耗；整个系统以功能模块为基本组件，通过计算机与不同芯片之间的任意搭接，实现系统功能的扩充，从而实现了系统操作简便，结构紧凑，体积重量大大减小。而且采用计算机开发，使得开发简单、方便、快捷，缩短了开发周期，降低了系统成本。
（二）采用具有USB接口的高速数据采集卡，保证了系统对外部数据时时高速的采集
高速数据采集卡的作用是将组成系统的各级电路的输入/输出信号准确、方便地从线路板上引出，并送到虚拟工作平台，进行数据采集、分析、处理与显示。要使它对采集到的信号能够进行更有效的处理和分析，该系统必须要具备较高的采集速率。然而考虑到高速采集的可实现性和价格等问题，采集速率应选择在50MSPS，辐度分辨率取8位，中频选择100MHz。为了满足这一要求，我们设计了一种具有USB接口的高速数据采集卡，其原理框图如图3所示。
１．TUSB3210芯片。本系统采用的USB芯片是TI公司推出的内嵌8052内核并带有USB接口的微控制器的TUSB3210芯片。该芯片的USB接口符合USB1.1协议，有4个输入端点和4个输出端点，支持全速和低速传输速率，并具有USB协议所规定的4种传输方式。TUSB3210的USB接口采用串行接口引擎（SIE）编码和解码串行数据，并且进行校验、位填充、执行USB所需要的其他信号。这样采用硬件完成USB协议，简化了固件代码的编制。TUSB3210采用基于内部RAM的解决方案，允许通过I2C总线从串行EEPROM中读入固件或从主机中下载固件程序。这项功能便于设备的开发与在线升级。
图3 具有USB接口的高速数据采集卡原理框图
２．A/D芯片AD9058。本系统选用了AD公司的AD9058高性能芯片，其抗干扰能力强、精度高、转换速度快，最快可达50MSPS，转换误差小。这个芯片的内部集成了两个独立的高性能的并行8位模数转换器（A/D），使其转换速率，这样做不仅充分保证了两个A/D通道的一致性，而且由于每个A/D有单独时钟输入，可方便地由双路A/D合成单路A/D。因为该芯片无需外接元器件就可完成A/D转换，且具有单、双极输入、输出量程调节、多输入通道选择及多触发模式等功能，因此使电路设计简单，使用灵活方便。另外我们又对该A/D采集电路采取了以下几条抗干扰措施：
●A/D模拟电路、运放共用一个模拟电源，并且该电源是计算机开关电源的一个二次稳压输出，时钟电源则采用另一个开关电源的二次稳压输出；
●模拟地和数字地在电路板上不共点，利用ISA总线插槽实现一点共地；
●模拟电路部分电容与电阻全部采用表贴器件，以减小引线电感，提高电源滤波能力；
●时钟线全部按50Ω微波传输线进行设计，在电路输入及输出端利用端接技术；
●时钟引线同信号引线之间进行大面积，减少与时钟之间交叉耦合。
在采用上述相关的技术措施后，最终设计的高速数据采集卡经测试，静态RMS噪声σ=0.227LSB；动态性能（8位高速数据采集）可达到80MSPS，有效位为7.16bit，不仅满足了系统的设计要求，而且由于它具有USB接口，因而保证了系统对外部数据时时高速的采集。
３．采用可控增益放大器，提高系统的分析精度和信噪比。对于那些辐度比较小的中频信号，如果直接送给采集卡采集，就会使得系统的信噪比降低，同时增大它对幅度的分析误差，严重时甚至可以导致系统无法正常工作。为此我们在系统中采用了可控增益放大器来对增益进行自动调整。该放大器选用的是AD603AQ，其增益控制范围是0～42dB（频率为900MHz），控制电压为0～1V，并且控制电压对增益的dB值是线性的，这样一方面可以保证系统对幅度的分析精度，另一方面又可以提高系统的信噪比，降低系统噪声引入的误差。
４．关键误差的消除。
（1）硬件滤波
在频谱分析系统中，抑制镜频是一项很重要的工作。抑制镜频的方法有很多种，本文采用的方法是：首先将第一级混频器的输出频率选取在远离RF信号的高端频率处，使镜频频率远离RF频率，然后在混频滤波器的前端加一个带通滤波器，这样就可以有效地滤除镜频。
（2）软件滤波
为进一步提高系统抗干扰和噪声的能力，保证分析的精度，对获得的测量值进行数字滤波处理，即进行256次测量后取平均值。将测量结果累加256次后取累加器的前面两个字节的值即可。经过软、硬件滤波处理后的系统误差仅仅±1LSB。
四、结语
在频谱分析系统的研制过程中，我们在充分优化软件、硬件资源的同时，基于虚拟仪器技术设计了一台集专用功能和通用功能于一体的高精度分析系统。试用结果表明，该系统的静态RMS噪声σ=0.227LSB；动态性能可达到80MSPS，有效位为7.16bit，性能优越。而且由于计算机资源丰富，VC++软件编程灵活，所以该系统具有进一步开发的价值，具有很好的推广应用前景和重大的经济效益。
【参考文献】
[1]尹邦政，魏亚东，邢达，何永红．基于LabVIEW的USB时时数据采集处理系统的实现[J]．电子技术应用，2003，（7）．
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