（信号与信息处理专业论文）高速数据采集系统的测试与显控技术.pdf

电子科技天掌颟十学位论文 鞴蛩 ：雷达俄号与信息处理过程中，离遽数据采嶷系统的测试和瑟示控制软佟 鼹用户和仪器之间交流信息的纽借，完成测试管理的任务，建不w 缺少的重鼷 分辑工其。寒速数撰袋集系统褥信号从摸羧转换为数字，凭偌计簿钒的强大驰 逡算、数据群储岛处理及瘸形显塔、逻辍刿断与岛动亿搽俸熊力，可以方便俊 捷地对信号进行分析处理，具有人机友好、功能灵活、可移植性强等优点。 霸传统豹测试测爨等段楣毯：，本袋集系统所戴攫豹测试鞔体幕统最大灼 特点方蠢蹩测试垂板豹软 孛亿，辩“软嚣缀”垮黻l 蠡用产蠢己求定义，不| 霹 的用户可以根据自己的需要和爱好组成灵活多样的控制面板，可以完成雷达信 号的处理，如：对雷达僚母实现旺配滤波和加权簿功能：另方丽，测试软件 辔韵诗葵援强丈懿诗葵葫貔秘嚣发较传丰謇戆函数露嚣其毒玻强瓣数据矜辑、 处理能力，并且这种分析处理能力具肖埘扩充性。 ”， 本系绞的测试功娆趄由通用个人计算机、功跳硬件( 包括采集电路和l s 蕊线犊嚣攮卡) 和控裁软镩三部分缀袋。由操嚣人员遵j 建友好的嶷羧西扳界鞭 控制测试黔运行，体现了秘虚撤仪器的技术，美鞠国家仅器公司( k 1 ) 在这 方面已经具肖相当成熟的技术，其开发平台l a b v i b w 和基于p o i 总线的多功能 卡辑构成的工韭过程参爨的测量系统技术已经襁当完善。以p c 枫资源的开发为 缓心，魏罴鞠逶塌豹霹援纯湃发芏嚣v l s u b le + + 寒弹发溅试较羚。本飘试软传 可作时域波形显示、f f t 测试、a d 有效位数测试、l f m 匹配滤波浏试、距离旁 瓣抑制滤波铸测试。该软件集成了面板控制、数据分析处理、i o 按口等多个功 能。莰蹋￥g 来开发瀵盏搜器采鬟援羽稷彦及溅试藤教、波彭显承及菠数撵分褥 处理所有功能的软件还鲜有报道。本论文在萋予该软彳牟的“软蔼援“的控制下 完成了大墩测试：i o o m h z 采样频率，2 5 m h z 信号频率下实测豹a d 有效位数为 7 。3 8 位，4 0 0 m h z 采样下察测线瞧调频纂带僚号t b 1 0 0 0 对，圭毹辍：超过4 0 d b ， 满足了嚣达嶷际应瘸的蒙求。测试精栗涯碉了本较静静实际散惩。鹅外，零较 件已经成功运用于三坐标雷运仿真系统的波形显示。专 、 零论文的主要工佟如下： ( ) 对鞭调试魏4 0 0 h 囊遥数据采集魄鼹的王 筝爨骥帮实魂握强骰了奔缨。 皇三型垫查兰竺主兰篁笙苎 ( 2 ) 分析了测试软件对采集系统有效位数的测试方法及其原理，并给出了实测 数据与分析。 ( 3 ) 阐述了重鲨垡壁塑频信号的有关理论，分析了测试软件对线性调频信号匹 配滤波及其距离旁瓣抑制滤波的原理，并给出了实测数据与分析。 ( 4 ) 对自行设计的测试与显示系统的计算机硬件接口及其软件系统的实现做了 说明，阐明了基于i s a 总线的计算机插卡的实现技术，详细地分析了测试和显 p 一一， 示控制的软件实现流程。 关键词f f t 测试i a d 有效位数，l f m 旁瓣抑制jv c i s a 电子科拄大学坝士学位论文 a b s t r a c t t nr a d a rs i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m ，s o f t w a r ed e s i g n e df o r t e s t i n g o f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n d d i s p l a yc o n t r o l l i n g i si n f o r m a t i o nc o n n e c t i o nb e t w e e n t h en s e ra n dt h ei n s t n n n e n t 。t tc o m p l e t e st h et a s ko f t e s t i n gm a n a g e m e n t a sa n i n d i s p e n s a b l ea n a l y s i st 0 0 1 i nh i g h t s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，s i g n a l c a nb e c o n v e r t e df r o ma n a l o g u et o d i g i t ，a n dp r o c e s s e dp r o m p t l yb y t h e p o w e r f u l f u n c t i o no fc a l c u l a t i o n 、d a t as a v i n ga n dp r o c e s s i n g 、g f a 埔d i s p ! a y 、l o g i c d e c i s i o n s 、a u t o m a t i c o p e r a t i o n ，i t sa l s o c h a r a c t e r i s t i co f f r i e n d l y p a n e l 、f l e x i b l e f u n c t i o na n d e a s yt r a n s p l a n t 。 c o m p a r e d 、城t i l c l a s s i c ”t e s t i n ga n d m e a s u r et o o l s ，t h ef l e x i b l et e s t i n gp a n e i c a r tb ed e f i n e d b y s o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h ev a r i o u sr e q u i r e m e n t so ft h eu s e r s ，t h u s f u l f i l l st h ep r o c e s s i n go fr a d a rs i g n a l ，s u c ha s ：t h em a t c h e df i l t e r i n ga n ds i d e l o b e s u p p r e s s i o n o fr a d a r s i g n a l b e s i d e s ，t h ep o w e r f u l c a l c u l a t i o n e a p a b i l i t y a n d a b o u n d a n tf u n c t i o n sl i b e r a r i e sm a k ep o s s i b l et h e p o w e r f u lc a p a b i l i t y o fd a t a p r o c e s s i n g 。 t h e t e s t i n g f u n c t i o no ft h e s y s t e m a r e c o m p o s e d o f p e r s o n a l c o m p u t e r , f u n c t i o nh a r d w a r e ( i n c l u d i n ga c q u i s i t i o n c i r c u i ta n di s ab u s t e c h n o l o g y ) a n ds o f t w a r ef o rc o n t r o l l i n g t h et e s t i n ga r ec o n t r o l l e du n d e rt h ev i r t u a li n t e r f h e e 谚t h eo p e r a t o r , w h i c h t a k e si nt h et h o u g h t so fv i r t u a li n s t r u m e n t n a t i o n a l i n s t r u m e n t sh a st h em a t u r e t e c h n o l o g yw i t hr e s p e c tt ov i h e r et h et e s t i n gs o f t w a r e a r ed e v e l o p e do nt h eb a s i so f p e r s o n a lc o m p u t e r 、墒绥t h et o o lo f v i s u a le + + 。t h e t e s t i n g s o f t w a r ea r e d e s i g n e d t of u l l f i lt i m e d o m a i nw a v e d i s p l a y , f f t e s t i n g ，e n o b ( e f f e e t i v en u m b e r o f b i t s ) t e s t i n g , l f mm a t c h e df i l t e r i n ga n d s i d e l o b e s u p p r e s s i o nt e s t i n g t h e f u n c t i o no ft h es o f t w a r ec o n t a i n sp a n e lc o n t r o l l i n g ，d a t a a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ，i oi n t e r n e e e r e ，a l lo f t h e ma r ed e v e l o p e dw i t ht h es a m e t o o l ：v i s u lc 十十w h i c hi sr a r e l yr e p o r t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a l lo ft h ef o l l o w i n g t e s t i n g a r e c o m p l e t e db y 娜e a n s o ft h em u t u a l w a y r e a l i z e d b ，t h e s o f t w a r e ：e n o bo fa d i s7 。3 8w i t h s i g n a l ：2 5 m h z ， a c q u i s i t i o n f r e q u e n c y ：1 0 0 m h z ，r m s o fl f mb a s e db a n ds i g n a li sm o r et h a n4 0 d bw i t h 电子科技大学硕j ：学位论文 t b 10 0 0 a l s ot h es o f t w a r eh a v eb e e na p p l i e dt ow a v ed i s p l a yo ft h r e e c o o r d i n a t e s r a d a rs i m u l a t i o ns y s t e m t h em a i nw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： ( 1 ) t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n db l o c kd i a g r a m o ft h e4 0 0 m h z h i g h s p e e d d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m t e s t e da r ei n t r o d u c e d ( 2 ) t h e m e t h o da n dp r i n c i p l eo fe n o bt e s t i n go fd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mi nt h es o f t w a r ea r ea n a l y s i z e d ，w i t h r e l a t i v et e s t i n gd a t aa n d a n a l y s i sg i v e n ( 3 ) r e l m i v et h e o r yo fr a d a rl f ms i g n a la r ed e s c r i b e d ，p r i n c i p l e o f m a t c h e df i l t e r i n ga n ds i d e l o h es u p p r e s s i o n o fl f m s i g n a l i nt h e s o f t w a r ea r ea n a l y s i z e dw i t ht e s t i n gd a t aa n da n a l y s i sg i v e n ( 4 ) t h e i m p l e m e n t a t i o n o f h a r d w a r ei n t e r f a c ea n ds o f t w a r eo ft h et e s t i n g c o n t r o la n d d i s p l a ys y s t e m a r ei l l u s t r a t e d t h er e a l i z a t i o n o f c o m p u t e ri s ac a r da r e d e s c r i b e da n df l o wd i a g r a mo ft e s t i n ga n d d i s p l a yc o n t r o li ns o f t w a r e f i l ea n a l y s i z e di nd e t a i l k e y w o r d s ：f f t e f f e c t i v e n u m b e ro fb i t s ，a d ，l f 睫，s i d e l o b e s u p p r e s s i o n ，v c ，i s a v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 数据采集系统及其在雷达中的应用 1 1 1 数据采集系统概论 数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备，其基本任 务就是测量输入的物理信号。它将模拟量采集、转换成数字量后，再 送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同的需要进行相应的计算 和处理、得出所需的数据。同时，还可以用计算机将得到的数据进行 存储、显示或打印，以实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还 将被用做生产过程中的反馈控制量。 计算机总线扩展技术使得基于计算机的数据采集技术迅速得到应 用，基于p c 机的数据采集系统是目前应用最为广泛的数据采集系统 之一，不但广泛应用于电力设备监控、遥测遥感等测控领域，在雷达、 通讯、地质、医药器械等领域中也有着重要的应用。它们均是首先由 数据采集系统得到数字序列，然后再由高速处理系统进行实时处理或 由微型计算机进行事后处理。在数据采集系统中，数据采集板完成信 号的获取、采集和控制，总线接i = l 卡完成采集板和计算机之间高速的 数据传输及其相应的控制，p c 机完成信号的处理、存储与显示功能， 测试软件可以根据用户的不同需要定制不同的测量功能，在统一的硬 件平台上实现不同的测试功能。基于p c 机的数据采集系统的结构图 如1 1 所示。 图1 1 基于计算机的数据采集系统结构图 鱼主型垫奎堂堡主堂垡堡塞 一个数据采集硬件平台加上灵活可变的测试软件就成为了具有 不同测试功能的测试仪器。一般来说，数据采集系统性能由两个重要 的指标反映，一是有效位数，有效位数越高，精度就越高，但这同时 对被测系统的噪声的要求也非常高。另一个衡量指标是采集速率，即 采集通道单位时间内所采集的数据个数。理论和实践均表明，采集速 率与采集精确度是一对矛盾，采集速率增加会造成采集精度下降，导 致抗干扰能力下降和随机误差变大。有效位数随通道采集速率变化的 典型特性如图1 2 所示。 囊釜 妇 较 忙 采集速率 图1 - 2 有效位数与采样速率的关系 1 1 2 雷达接收机对数据采集的要求 数据采集，尤其是高速数据采集，除了具有测试的功能以外，它 在雷达系统中也有着广阔的应用前景。现代雷达接收机的发展方向是 尽可能地将数据采集推向射频，这是因为大多数雷达为了保存信号的 相位信息多采用双信道的采集方式，但双路幅相不一致将带来镜频抑 制性较差的问题。如图1 3 所示，模拟混频正交解调由于两路模拟乘 法器，低通滤波器难以达到一致，造成i , q 通道间幅度不平衡、相位 正交误差较大。基于数字信号处理的特点，人们尝试在数字域分离i 、 q 信号，以克服传统双信道的缺点。如图l - 4 ，同模拟i q 正交解调相 比，数字i q 不仅省掉了一个a d c ，更为重要的是没有零漂的影响， 电子科技大学硕士学位论文 弱令支爨的乘法器、滤波荚经熊龟爵毵完全徽戮致，嚣魏菊效缝提 高了镜像抑制比。且数字滤波的性能也高于模拟滤波器。因此，在中 撅、甚至莉频上对输入信譬数字亿使离速数循采集系统酌研制具有蓖 要的意义。 蓬i - 3搂援灌凝燕交辩调 圈1 4誊接孛鞭袋撵号数字聪i e 交解谣 l ( n ) q ( n ) i ( n ) q ( n ) 超宽带雷达信号在现代雷达中的应用也越来越广泛，其信息提敬 亦可采用高速数据采煞系统实现。 ，2 虚拟综合测试纹的强务 许繇梳与数据采集按零籀终台俸蕊了一种v l ( 虚拟仪器) 技术 v i 技术利用良好的虚拟仪器软件平台，充分发挥计算机强大的数据处 皇王型垫查堂堡主兰堡笙奎 理功能和丰富的图形显示功能，在屏幕上虚拟出与传统仪器相似的显 示面板，用户仅需通过鼠标和键盘操纵面板上虚拟的按键、开关、旋 钮去控制仪器的运行，完成仪器的各种功能，并从面板上的虚拟显示 屏、数码显示器和指示灯了解仪器的状态，还可以读取并打印出测试 结果。 高速数据采集硬件部分解决信号的输入，软件则基于计算机的灵 活性来适应不同的要求，进而改变、增强系统的功能和规模，且能与 网络、外设及其它应用连接，并可方便她跟上计算机的发展而升级。 一个功能强大的虚拟综合测试软件，能与标准化、系列化、模块化、 积木化的硬件平台共同构筑一个完全开放的系统：即以通用硬件平台 为基础，用户能根据测试任务调用不同的软件来扩展或组成各种功能 的仪器或系统，从而节省研发费用，提高了设备利用率，进而实现“软 件即仪器”的目标。 本数据采集系统在完成高速数据采集的功能的同时还具备对信号 进行时域测试显示、f f t 测试显示、线性调频脉压( 含失配加窗处理) 测试、e n o b ( 有效位数测试) 等综合测试功能。这些综合测试功能可 由用户自己设计和定义，界面友好，使用方便。该综合测试软件是一 个面向用户的应用程序，它主要实现三个功能： ( 1 ) 数据采集和控制。 ( 2 ) 为用户提供各类测试仪器的虚拟界面，为完成特定的测试任 务，管理及调用各仪器对应的测试程序。 ( 3 ) 数据分析和处理，计算结果并显示。 测试软件实现方案根据开发环境大致有以下三种方案： 方案一： 电子科技大学硕士学位论文 1 lv c 下编译 一 装载 一 调入 一 图】一5 测试软件方案一 l a b v i e w 为虚拟仪器专用软件开发平台，它是一个开放式的软件平 台，它提供了代码接口节点，在l a b v i e w 环境下，可对这一节点自动生成 一模板程序，在此模板程序中添加相应的硬件访问代码，然后在 v c ( v i s u a lc + + ) 的i d e ( v c 的集成开发环境) 中编译生成1 s b 文件，再在 l a b v i e w 中将1 s b 文件装载在c i n 节点中，以后就可以在l a b v i e w 环境 中直接实用该节点。 方案二： 图l 一6 测试软件方案二 v i s u a lb a s i c 是一种可视化的编程语言，晃面功能灵活丰富，使用 方便。但是v b 无法与计算机的底层硬件打交道，不能直接实现对接 e l 板的控制，需先在v c 的环境下编制动态链接库，然后v b 对动态 链接库d l l 进行调用。 方案三的接口程序和用户晃面测试程序都在v c 的编译环境下 进行。 电子科技大学硕士学位论文 在v i s u a lc + + 下编译 图1 7 测试软件方案三 综合上述三种方案，方案一采用的是测试与控制专用开发软件， 方案二、三则采用通用的w i n d o w s 应用程序开发工具，但l a b v i e w 和 v i s u a lb a s i c 都不能赢接访问底层硬件端口，而必须生成动态链接库加 以调用。用v i s u a lc + + 开发则不存在上述问题。另外，和l a b v i e w 、 v b 、d e l p h i 等界面化的开发环境相比，v i s u a lc + + 的综合开发功能最 为强大，更为灵活，编制的程序和硬件结合最为紧密。用v c 开发的 本测试软件将4 0 0 m h z 高速数据采集电路与计算机的用户处理灵活、 紧密地结合，完成了系统e n o b 测试、线性调频信号的脉冲压缩、加 权等的测试管理和界面工作，如：1 0 0 m h z 采样频率2 5 m h z 信号频率下 系统实测的a d 有效位数为7 3 8 位：当t b 1 0 0 0 时，脉压的主幅比 超过了4 0 d b 与理论值较为吻合，满足了雷达的性能指标与实际需要， 也证明了该软件的实效。 1 3 作者的主要工作及其论文的组织 作者参加了4 0 0 m h z 高速数据采集系统的研制，主要工作包括： 1 完成了基于i s a 总线的测控终端的接口硬件设计； 2 在v i s u a lc + + 环境下完成了数据采集系统的显示与测试软件； 3 调试了一套4 0 0 m h z 高速数据采集系统。 本论文的组织结构如下： 电子科技大学颈十学位论文 第一章概述了数据采集系统的软硬件构成及其用途和意义； 第二章阐述了数据采集系统的相关理论及其高速数据采集电路的实 现； 第三章介绍了a d 有效位数评估的方法及其相关理论； 第四章阐述了脉冲压缩基本原理及其线性调频信号的测试与处理； 第五章描述了数据采集显示测控接口硬件的实现及其显示测控软件 的实现。 第六章结论。 电子科技大学颁士学位论文 第二章高速数据采集电路 2 1 数据采集基本理论 “数据采集”是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量，再进 行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 数据采集的基本理论包括采样定理、量化与量化误差、编码、 数据采集的有效位数等。下面分别加以讨论。 2 1 1 数据采集过程 连续的模拟信号x ( t ) ，按一定时间间隔t s 采样得到离散时间 信号x 、( n t 。) ，再经过量化变为量化信号x 。( n t 。) ，最后编码转换为数 字信号x ( 1 3 ) 。以上转换过程可以用图2 1 来表示。 对于高速a d ，由于采样过程并不是理想的，保持电路可能会 存在着孔径效应而影响编码及其最终数据的可靠性。为此设计高速 数据采集电路宜选用宽带a d 。 x x 、( n x 。( r l x ( x ( t ) x 、( n t 、) x 。( n t 。) x ( n ) 图2 一l 数据采集过程 睑- j ：笸二 隹蘸蛰鎏：；主t 丁 至至垒鏊奎鲎堡兰兰篓鎏奎， 2 1 2 采样 采样寇理指出，对一个具有鸯限频谱x ( f ) 的连续信号x ( t ) 迸行浆样，当采样频率为f 、2 f 。( h 。为信号的最高频率) 时，由采 撵得剿的采榉信号x 。( n t 。) 熊无失粪她羧复琢寒毂售号x ( t ) ，露： v f n 一挚v ，。r 、s m 7 i - ( t - n l ) 1 ( 2 - 1 ) x ( f ) = x 。( 雌砾) _ 一 ” 当( f 一”t ) 式( 2 1 ) 为满足采样定理时，恢复原始信号的采样内接公式。当 然，实践中不可能通道计算内插公式恢复信息，这样各点计算薰太 大。实践工程孛裳逶避一个d a 交换器糖低逶滤波嚣恢复原来的售 息如图2 2 所永； 图2 2 2 + 2 豢纯笔羹纯溪差 豢 二 跑 爨化就是把采样信号蛉蠛值与爨化单位比较。 量化单位q 定义为爨化器满量程电联f s r ( f u l ls c a l er a n g e ) 与2 “ 置镰 q 2 _ 丁 ( 2 2 ) 其中n 是激化器的位数。显然，萤化器的位数越多，量化荦位越小 1 6 电子科技大学硕士学位论文 a d 的精度就越高。 在实际电路中，量化和编码是同时进行的。编码是把量化信号的 电平用数字代码表示出来，最常用的编码形式是二进制编码。 2 量化方法 ( 1 ) “只舍不入”的量化 所谓“只舍不入”量化，是指信号幅度小于量化单位的部分， 一律舍去。如图2 3 ( a ) 所示。 当0 s x ，t ) q 时，x ， 瓦) =