（通信与信息系统专业论文）调制域分析仪关键技术——虚拟控制终端研究.pdf

摘要 摘要 调制域是由信号的时间和频率构成的平面域，它反应信号的频率与时间的关 系，可得出时间频率曲线图，为人们提供了一个新的分析信号的方法。在此 基础上发展起来的调制域分析技术作为一种新的复杂信号分析技术，已使用于众 多领域，如在电子对抗、雷达等方面。应用该技术研制出来的调制域分析仪，深 入的分析了频率等动态特性，提供了一种直观的测试和分析复杂信号的方法，是电 子领域的重要仪器。 本次课题主要研制调制域分析仪的关键部分瞬时测频组件。该组件可分 为四部分：信号接口，f p g a 一计数器，m c u ( 主控单元) ，虚拟终端( 即软面板) 。本论 文主要阐述了调制域分析仪关键部分瞬时测频组件中，虚拟终端系统软件构 成和算法，包括三大功能模块：测试模块，数据处理模块和图形显示模块，详细介 绍了它们的功能设计，并对所得数据进行了分析。、 本文详细介绍了软件系统中使用的主要方法，在测试模块中将数据来源设计 为从“文档读取 和从“并口读取”两种方式。在数据处理模块中，针对三种误 差类型分别提出了解决和处理方法。在对粗大误差的处理中，除了使用常用的方 法莱特准则，还提出了一个改进方法，能够弥补莱特准则的一些缺点。在对 随机误差的处理中，使用了中值滤波。在对系统误差的处理中，使用了阿卑一赫 梅特判别准则和马可利夫判别准则来辅助判断。考虑到数据处理的复杂性以及需 配合硬件调试，将误差处理的方法均设置成可选的方式。在图形显示模块中，主 要使用了矩阵的思想，将多种图形算法用矩阵函数来实现，通过矩阵函数的调用， 能简化程序，并规范程序结构，还能为更复杂的图形变化提供接口。 文中首先介绍了调制域分析技术的概念和应用，接着阐述了瞬时测频组件的 硬件方面相关测量原理和关键技术，然后重点阐述了软件的开发环境，软件系统的 三大构成部分及各部分详细算法和功能，并列举了多个实例，对结果进行了分析， 最后对不足和待改进之处进行了总结。 关键词：调制域分析，软件结构，数据处理，误差处理 a b s t r c a r a b s t r a c t m o d u l a t i o nd o m a i ni sap l a n ed o m a i nc o m p o s e do ft i m ea n df r e q u e n c yo fs i g n a l i tr e f l e c t st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i m ea n df r e q u e n c y , t h e nt i m e f r e q u e n c yg r a p hc a l l b ei m p o r t e df r o mm o d u l a t i o nd o m a i n m o d u l a t i o nd o m a i np r o v i d e san e wm e t h o df o r s i g n a la n a l y s i s a san e wa n dc o m p l e xs i g n a la n a l y s i st e c h n o l o g y , m o d u l a t i o nd o m a i n a n a l y s i sh a sa l r e a d yb e e na p p l i e dt om a n yf i e l d ss u c ha sd e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e sa n d r a d a r m o d u l a t i o nd o m a i na n a l y z e r ( m d a ) ，w h i c hi sd e v e l o p e df r o mt h i st e c h n o l o g y , c a nd e e p l ya n a l y z ed y n a m i cc h a r a c t e r se g f r e q u e n c y , a n dp r o v i d e su sa ni n t u i t i v e m e t h o df o rc o m p l e xs i g n a lt e s t i n ga n da n a l y s i s t h e r e f o r e ，m d ac a l lb ec o n s i d e r e da s a ni m p o r t a n td e v i c ei ne l e c t r o n i c sf i e l d t h i sp r o g r a mf o c u s e so nt h ek e y p a r to fm d a m o d u l eo fi n s t a n t a n e o u st e s t i n g f r e q u e n c y , w h i c hi n c l u d e sf o u rp a r t s ：s i g n a li n t e r f a c e ，f p g a - c o u n t e r , m a i nc o n t r o l u n i t ( m c u ) ，v i s u a lt e r m i n a l ( s o f tp a n e l ) t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r e a n dr e l a t e da l g o r i t h mo fs o f tp a n e l ，w h i c hi n c l u d e st h r e em o d u l e s - t e s t i n gm o d u l e ， d a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n dg r a p hd i s p l a ym o d u l e ，a l s oi n t r o d u c e st h e i rf u n c t i o n s d e s i g na n dd a t aa n a l y s i si nd e t a i l t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em a i na n a l y s i sm e t h o d si nt h i ss y s t e m i nt e s t i n g m o d u l e ，d a t ai n p u ti sc a t e g o r i z e dt of i l ei n p u ta n dp a r a l l e lp o r t si n p u t i nd a t a p r o c e s s i n gm o d u l e ，d i f f e r e n ts o l u t i o n sa r ep r e s e n t e ds e p a r a t e l ya c c o r d i n gt ot h r e ee r r o r t y p e s an e wm e t h o di sp r e s e n t e dt oi m p r o v ew r g h t 一一伽陀mi nd i s t i n c te r r o r p r o c e s s i n gm e t h o d m i d v a l u ef i l t e ri si m p o r t e di nr a n d o me r r o rp r o c e s s i n g f o rs y s t e m e r r o rp r o c e s s i n g ，t w ot h e o r e m sa r eu s e da sas u b s i d i a r y m e t h o d c o n s i d e r i n gt h e c o m p l e x i t yo fd a t ap r o c e s s i n ga sw e l la st oc o o p e r a t ew i t hh a r d w a r ed e b u g g i n g , e r r o r p r o c e s s i n gm e t h o d sa r ea l ld e s i g n e dt ob eo p t i o n a l t h ei d e ao fm a t r i xi si m p o r t e di n g r a p hd i s p l a ym o d u l e ，s om u l t i p l eg r a p ha l g o r i t h m s a r ei m p l e m e n t e db ym a t r i x f u n c t i o n s ，t h u st h ec o d e sh a v eb e e ns i m p l i f i e da n dt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ei sm o r e s t a n d a r d ，w h a t sm o r e ，i ti se a s i e rt op r o v i d ei n t e r f a c e sf o rm o r ec o m p l i c a t e dd y n a m i c g r a p h t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n da p p l i c a t i o no fm o d u l a t i o nd o m a i n i i a b s t r c a t , k n a l y s i s s e c o n d l y , t h er e l a t e dm e a s u r i n gp r i n c i p l ea n dk e yt e c h n i q u e o ft h eh a r d w a r e o fi n s t a n t a n e o u st e s t i n gf r e q u e n c yc o m p o n e n t t h i r d l y , i te x p a t i a t e st h es y s t e m s o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h et h r e ek e yf u n c t i o nm o d u l e sa n dr e l a t e d a l g o r i t h m a tl a s t ，s e v e r a la c t u a le x a m p l e sa l ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：m o d u l a t i o nd o m a i na n a l y s i s ，s o f t w a r es t r u c t u r e ，d a t ap r o c e s s i n g ，e r r o r p r o c e s s i n g i i i 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：一羽= 晦 日期：细8 年莎月占日 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：j 止扯 导师签名 日期：矽 第一章引言 1 1 调制域的概念 第一章引言 由时间f 、幅度“和频率厂三根坐标轴构成了一个三维信号空间，其中由时间t 、 幅度”构成的时域和由频率、幅度u 构成的频域是人们所熟悉的并长期以来使用 的分析信号的主要领域。 u t 时域 图1 - 1 信号的三维空间 人们对这两个平面域的分析和研究中，产生了很多分析理论和方法，以及测试 设备。如示波器和频谱仪就是这两个领域具有代表性的测试设备。示波器所观测 的信号是该信号的时域波形，它反应的是随时间t 变化的电压幅度值u ；频谱仪观 测的信号是随频率厂而变化的幅度值u ，它反应了信号功率是如何按频率分布的。 但是，随着现代电子设备技术的发展，传统的示波器和频谱仪已经不能满足需求， 人们就想到了三维空间的另一个平面域，即频率时间构成的平面域，它表现 了频率随时间变化的曲线，反映了频率随时间调制的情况，所以称为调制域。调 制域分析仪就是这样一种测量仪器，它测量并显示信号的频率随时间变化，还可 电子科技大学硕士学位论文 以用来检测抖动和数字脉冲之间的时间变化，调制域分析仪还能用来深入了解频 率或时间间隔的动态特性。 1 2 调制域分析仪的应用领域和重要性 在现代电子设备设计中，人们正趋向于越来越多地使用复杂的调制技术。调制 域分析技术在越来越多的应用领域已成为一种很有价值的技术，调制域分析仪在 压控振荡器( v c o ) 、锁相环( p l l ) 、数字通信、集成电路、数字存储设备、机电 系统、雷达、电子对抗( e w ) 和监视系统、扩频通信等领域有着广泛用途【l 】。 1 压控振荡器 压控振荡器应用十分广泛，其性能往往会产生决定性的影响，因此，设计人 员必须全面了解压控振荡器的工作情况，以优化产品性能。一般来说，应用调制 域分析仪可以准确的了解压控振荡器在各个不同的频率间快速跳变的详细信息。 2 锁相环( p l l ) 锁相环( p l l ) 是现代电子设备中必不可少的电路，使用调制域分析仪可确定它 的环路特性和跟踪性能，得到上升时间等参数。 3 通信领域 调制域分析仪在模拟通信、数字通信、移动通信、数据通信等几乎所有领域都 使用广泛。如调频、调相、频移键控、相移键控、脉宽调制中的调制特性测量； c d m a 、g s m 、s s b 、f m 等新型抗干扰跳、扩频通信中的调频合成器、发射机捷 变频特性测量；各种通信系统中频率源相位噪声、时间抖动、残留f m 频率源漂移 测量；数字、数据传输系统中数据、时钟时间抖动测量及抖动谱分析等。 4 雷达 调制域分析仪能表示雷达的信号特征，通过对时间频率、时间相位、 时间间隔等参数的测量，能表现线形调频信号的线性度，脉冲稳定性等。 5 其他应用 调制域分析仪还可用于机电系统、航天技术、气象、防撞雷达以及军事领域等。 它能通过显示简洁的图形对各种调制类型进行分析，如调频、调相、移频键控 及脉宽调制等。 调制域分析技术还是当今唯一直接能全面显示随时问变化的晃动技术，调制域 分析仪能测量晃动幅度，通过分析，可以帮助确定可能的晃动源。 综上所述，调制域分析仪有着广泛的应用领域，遍及整个电子技术领域，具有 2 第一章引言 重要价值，因此，它的研究和开发的必要性和重要性尤为突出。 1 3 国内外调制域分析技术发展动态 由于调制域分析仪在高科技技术领域内的广泛使用和重要作用，国外厂商如 h e w l e t t - p a c k a r d 公司早在8 0 年代末期研制出调制域分析仪，经不断改进和发展， 其性能不断提高，目前已有多种机型，如：h p 5 3 3 1 0 a 、h p 5 3 7 2 a 、h p 5 3 7 3 a ，基 于v x i 总线的调制域分析仪也已研制成功并有商品出售。某些机型的直接测量频 率达5 0 0 m i - i z ，经混频处理可扩展到1 8 g h z ，测量的分辨率达1 5 0 p s ，连续采样速 率达1 3 3 m s 。同时，国外的许多测量仪器生产厂商也提供调制域概念的测量产品， 其主要产品性能见表1 1 u 】。 表1 1 国外具有先进性和代表性的调制域分析仪的功能及指标表 h p 5 3 3 1 0 ah p 5 3 7 2 ah p 5 3 7 3 a 测量功能频率频率脉冲信号 时间间隔时间间隔频率 相位时间间隔 包络参数 相位 输入频率范围1 0 h z 一2 0 0 m h z1 2 5 m h z 一5 0 0 m h z1 2 5 m h z 一5 0 0 m h z 5 0 m h z 一2 5 g h z1 0 0 m h z 一2 g h z 10 0 m h z 2 g h z 频率分辨率采样频率为1 h z 时达采样频率为1 h z 时采样频率为1 h z 时达 到1 0 位数字达到1 0 位数字到1 0 位数字 时间分辨率 2 0 0 p s 1 5 0 p s 1 5 0 p s 连续采样速率 1 2 5 m h z1 0 m h z1 0 m h z 存储器容量 8 k8 k8 k 统计分析平均值，标准差，最平均值，标准差，最平均值，标准差，最 大值，最小值大值，最小值，阿伦大值，最小值，阿伦 方差，阿伦均方根方差，阿伦均方根 国内在这一领域与国外差距很大，有一些单位和公司也对调制域范畴的测量仪 器进行了研究，如清华大学的f m c w 测试仪，南京新联电子设备有限公司的 e e 6 2 8 1 等，但其性能与国外仪器相比相差甚远，且没有形成生产能力。由于调制 3 电子科技大学硕士学位论文 域技术的广泛应用，国内的科研单位不得不从不同渠道进口了各种型号的调制域 分析仪，因此调制域分析技术的研究在经济上也是很有价值的。 1 4 虚拟仪器的发展及应用领域 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，虚拟仪器技术已结合了模块化硬件、开发软件 和p c 技术，从而使用户可通过软件来建立自定义的仪器。软件定义比厂商定义台 式仪器功能的方式有更大的灵活性，并且由于基于p c 技术，所以能以更快的速度 实现高级功能。 虚拟仪器已经成为目前测量应用中的主流技术，大多数测量行业已接受虚拟 仪器技术的概念，或者倾向于采用虚拟仪器技术。综合性仪器和虚拟仪器技术具 有商业化硬件和软件处理特性，把这两者结合起来，便能建立用户自定义的仪器。 一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软 件、低成本的硬件( 例如插入式板卡) 及驱动软件，他们在一起共同完成传统仪 器的功能。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系 统的根本性转变。以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机和工作平台 的计算、显示和互联网等诸多用于提高工作效率的强大功能。虽然p c 机和集成电 路技术在过去的2 0 年里有显著的发展和提高，但是，软件才是在功能强大的硬件 基础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。新的以软件为中心的虚拟仪器系统为 用户提供了创新技术并大幅降低了生产成本。有了虚拟仪器，工程师和科学家就 可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统，而不用再受功能固定( 完全由 厂家提供) 的传统仪器的限制。 虚拟仪器技术成功的关键在于虚拟仪器技术为建立测量系统提供了新的方 式，从而影响了传统仪器市场，它利用了快速发展的p c 架构，提高了工程师的技 术能力，降低了成本，采用了高性能的半导体数据转换器，以及引入了系统设计 软件，而系统设计软件能使广大用户建立虚拟仪器技术系统。 p c 性能不断革新并降低了成本。在过去2 0 年里，p c 的性能已提高了1 0 0 0 0 倍，其他任何商业化技术都不曾有过这样高的性能增长。由于虚拟仪器技术采用 p c 处理器来进行测量分析，每次随着新一代p c 处理器的出现，使用虚拟仪器技 术就可以实现新的应用。与此同时，硬盘、显示和总线带宽也有类似的性能提高。 新一代的高速p c 总线p c ie x p r e s s 能提供的带宽高达3 2 g b s ，从而可以利用p c 架构来实现超高带宽的测量。 4 第一章引言 虚拟仪器和传统仪器相比：独立的传统仪器，例如示波器和波形发生器，性 能强大，但是价格昂贵，且被厂家限定了功能，只能完成一件或几件具体的工作， 因此，用户通常都不能够对其加以扩展或自定义其功能。仪器的旋钮和开关、内 置电路及用户所能使用的功能对这台仪器来说都是固定的。另外，开发这些仪器 还必须要用专门的技术和高成本的器件，从而使它们身价颇高且很不容易更新。 基于p c 机的虚拟仪器系统，诞生以来就充分利用了现成即用的p c 机所带来的最 新科技。这些科技在性能上的优势迅速缩短了独立的传统仪器和p c 机之间的距 离。除了融合诸多功能强大的特性，这些平台还为用户提供了简单的联网工具。 此外，传统仪器往往不便随身携带，而虚拟仪器可以在笔记本电脑上运行，充分 体现了其便携特性。需要经常变换应用项目和系统要求的工程师和科学家们需要 有非常灵活的开发平台以便创建适合自己的解决方案。因为有安装在p c 机上的应 用软件和一系列可选的插入式硬件，无需更换整套设备，即能完成新系统的开发。 虚拟仪器还具有灵活性，低价位等优点。 虚拟仪器设计中有多种可用的图形化的系统设计软件，由于能提供直观的界 面来设计定制仪器系统，系统设计软件也推动了虚拟仪器技术的发展，新的突破 性革新可以使开发设备的过程不再需要“专家 。在传统的构架中，需要专家来 开发封闭的仪器功能和算法；而对于虚拟仪器技术，算法对于用户是公开的，用 户可以自己定义他们的仪器。 l a b v i e w ，v c + + 就是常用的设计软件。虚拟仪器技术不断地扩展其功能及应 用范围，现在l a b v i e w 不仅能在p c 上开发测试程序，而且可以在嵌入式处理器和 f p g a 上设计硬件。工程处理的每一阶段，虚拟仪器均能提供出色服务：从研发设 计到生产测试。在研发和设计阶段，工程师和科学家们要求快速开发和建立系统 原型。利用虚拟仪器，可以快速创建程序，并对系统原型进行测量、分析，完成 这一切只需花费传统仪器完成同样任务的一小部分时间而已。如果要求灵活性， 那么一个可升级的开放式平台是基础。它能以各种形式出现，包括台式、嵌入式 系统、分布式网络等。工程师和科学家们需要并且要求系统能够不断变化。同时， 他们还需要可维护、可扩充的解决方案以便长期使用。通过建立以功能强大的开 发软件为基础的虚拟仪器系统，即可设计出软、硬件无缝集成的开放式架构。这 一切确保了系统不仅能在今天使用，在未来同样可以轻松集成新技术，或根据新 要求在原有基础上扩展系统功能。 研发设计阶段需要软硬件的无缝集成。不论使用g p i b 接口与传统仪器连接， 还是直接使用数据采集板卡及信号调理硬件来采集数据，通过虚拟仪器，可以使 5 电子科技大学硕士学位论文 测量过程自动化，消除人工操作引起的误差，并能确保测试结果的一贯性。 虚拟仪器技术已成为主流。虚拟仪器技术的功能和性能已被不断地提高，如 今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。随着p c 、半导体和软件功能 的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测量系统的设计提供一个极佳的模 式，并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能。 下一代虚拟仪器工具需要能够快速方便地与蓝牙( b l u e t o o t h ) 、无线以太网和 其它标准融合的网络技术相通。除了使用这些技术外，虚拟仪器软件还需要能更 好地描述与设计分布式系统之间的定时和同步关系，以便帮助用户更快速地开发 和控制这些常见的嵌入式系统。清楚了解虚拟仪器概念，包括集成式软件和硬件、 灵活的模块化工具及所融合的商业技术，就能迅速完成系统开发并长期使用。虚 拟仪器为嵌入式开发也提供了如此多的选择和功能。 综上所述，虚拟仪器技术在现代的电子仪器设计中已经越来越重要，它能有效 节约开发成本，灵活并快捷的进行系统开发和升级，无需像硬件升级更新电子元 器件；由于p c 技术的快速发展，其性能和相应的虚拟仪器开发系统也越来越优越， 虚拟仪器能实现的功能也将越来越丰富。 1 5 本课题来源及主要工作和安排 本课题“瞬时测频组件 ，来源于企业合作项目，目的是通过对安捷伦公 司的产品h p 5 3 7 3 a 调制域脉冲分析仪的研究，开发具有自主知识产权的调制域分 析仪。 本论文主要工作是在p c 上完成“瞬时测频组件 的虚拟面板设计，即软件系 统设计和实现，数据分析和误差处理。所完成的具体工作包括： ( 1 ) 软件的框架结构和界面设计； ( 2 ) 数据的获取； ( 3 ) 测量数据的处理，包括两种去除粗大误差的方法，中值滤波，判断系统 误差等； ( 4 ) 各种统计特性的计算； ( 5 ) 图形的变换和数据显示； ( 6 ) 测试结果的存储和读取； ( 7 ) 端口操作( 并口) ； ( 8 ) 各个测试功能的实际数据测试，以及软件调试和数据分析。 6 第一章引言 本文分五章： 第一章：首先阐述了国内外调制域分析仪的发展情况以及虚拟仪器的发展和应 用，然后说明了课题来源及完成的任务，最后说明了章节安排。 第二章：简单介绍了调制域分析仪中瞬时测频组件的测量原理和使用的硬件相 关方面关键技术； 第三章：详细介绍软件系统的构成及相关算法； 第四章：实例演示虚拟用户界面主要功能，以及各种测试结果，并加以分析和 总结。 第五章：全文的结束语。总结了本文的主要工作和研究重点以及本文的研究价 值和意义，最后指出了开发过程中遇到的问题和不足，提出了改善与建议。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章瞬时测频的测量原理 2 1 瞬时测频组件的测量功能 调制域分析仪主要应用于测量和分析信号的调制域信息，主要的测量功能包括 测量信号频率( 周期) 、时间间隔、相位，包络参数，并且有多种采样和触发方式， 可以根据需求设置不同的测量模式，能满足多种测量要求，获得信号的各种特性。 2 2 瞬时测频组件的测量原理 2 2 1 频率测量 常见的频率测量方法有模拟法和计数法，随着数字电路技术发展，采用电子计 数器来测量频率具有精度高、测量速度快等优点，因此在本项目中，采用了此方 法来测量频率。 频率的概念是指，周期性信号在单位时间( 1 s ) 内变化的次数。若在一定的时 间间隔t 内计数得到这个周期性信号重复变化次数为n ，则其频率可表达为： f = 等( 2 - 1 ) 计数器测量频率的基本方法是测得事件计数器值m 和时间计数器值n ，然后根 据频率的计算公式，来得到所测频率值。 计数器测频的大体流程如下图所示： 楚测信号f x 。 计数公式计算时一频曲线脉冲整形 图2 - 1 计数器测频流程 在获得瞬时频率的的测量方法中，采用了过零点脉冲计数法来实现调制域时频 曲线的测量。此方法是：把信号放大整形后，去掉其中的直流成分得到其过零点 的脉冲序列，即去掉其幅度特性而保留其主要的频率特性。如下图所示： 8 第二章瞬时测频的测量原理 i 八八八t 。vvv 一 下t下丁下t0 图2 - 2 信号整形 根据频率的定义，生成的计数脉冲序列e x 在t 时段内计数得脉冲数m ，该正 时段内的平均频率为厂，可以计算得到： 厂2 争 2 2 2 普通计数器的测频原理及关联计数法 ( 2 2 ) 一般情况下，在计数过程中，门控信号和被测信号的时间关系是随机不确定的， 不管计数器m 是多少，量化误差的最大值都是l 量化单位。如下图所示： t g a b abc d 图2 - 3 普通计数器测频 计数脉冲a 的测量值是4 ，而计数脉冲b 的测量值为3 。其测频相对误差可以 9 电子科技大学硕+ 学位论文 表示为： 笪一坐一生【l】(2-3i ) 一一。 j j m t g 其中，警是计数的相对误差，等是闸门时间的相对误差，分别对这两种误 差进行讨论： 1 闸门时间相对误差：取决于晶振的频率稳定度准确度，分频电路和闸门开 关时间等因素。 2 计数相对误差：计数脉冲通过闸门进入计数器，计数的多少和被测频率以 及闸门开启和关闭有关，但是由于闸门的开启时刻和第一个被测计数脉冲的到来 时刻，闸门的关闭时刻和最后一个被测计数脉冲的到来时刻的关系是随机的，即 闸门从开启到关闭的时间和脉冲计数的时间并不一定是相同的，因此存在量化误 差，存在的量化误差是利用计数器测量频率所固有的误差。不管计数器m 是多少， 量化误差的最大值都是1 量化单位2 1 。 为了减小量化误差对测试的影响，在本次瞬时测频组件设计中采用了关联计数 法。原理如下图表示： 7 上 l ， 节：睾： l黟二一一，。j v 。j一 ：1 7 ； 门垫t g 宙觯n 粘巍 醅 l致测憧号f x 曲山曲似，。 壬口卑! | 蔷l 匕7 7 ：訇p i r 蹇x 响睁 r 一 t w p 日wj nl 0 童八撼主 7 f 目a h 二_ !謦。 。，、 ，7 。 ，；j 一铭 i ：一一 一 缸、。， + 翟s 该高速采t 样p 信号 髫眵雪彩”弘翟 | p 一 ；蚰* ，、i l - t t = , 口 ! ，蚪七a 、上妊啦 n l ；任缀万纵礴 陋稳时笺2 。匿菇：”- jl i + 一 黪，。r 囊。霸 图2 _ 4 关联计数法测频 关联计数的含义：当采样门控信号l 到来时，事件计数器和时间计数器并不立 即计数，而是由被测事件信号e ，和采样信号瓦同步( 使用d 触发器同步) ，产生一 个与事件相关同步的采样门控信号。 在e 的作用下，两个计数器分别对被测信号疋和时基信号乃同时计数，得到 事件计数值m 和时间计数值n 。此时，正= 朋e = n t o ，可以得到被测频率为： 1 0 第二章瞬时测频的测量原理 六= 等1 ( 2 - 4 ) e ! 厂 厂 n 厂 厂 几厂 厂 ! 厂_ 厂厂 1 ：! 厂 厂 图2 - 5e 与2 ；i 司步 因为计数时使用门控信号霉，所以互e x 为整数，事件计数器计数值m 不存 在量化误差；但是时基信号t o 与门控信号t 没有同步，仍然是随机的，因此，时 间计数值n 仍然存在1 量化误差。 2 2 3 时间间隔测量 时间间隔是指两信号e 。、e ：中某一波形参照点之间的时间差值。 e x l e x 2 图2 6 时i 司间隔 时间间隔测量就是e 。和e ：的上升沿之间即a 和b 的差值。 时间间隔测量同样采用关联计数法，由采样门信号瓦分别与e 和的e 。：上升 沿同步，得到t e x 。和t e x ：信号，然后由t e x 。和珥：信号的边缘( 上升沿和下降沿) 产生时间计数器的采样门控脉冲正，时间计数器在正f - 1 内对基准时钟计数得到时 间间隔测量值f ，然后通过计算得出时间间隔【3 】。 其测量过程如下图2 7 所示，其中，瓦为标准时钟，疋为初始的采样信号，e ， 电子科技大学硕士学位论文 和e ：为两个待测信号，珥。、t e x ：分别为同步后的信号，乃为新的采样门控信号。 b 厂 厂 厂 厂 | 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 强厂 厂 l 厂 厂 厂 厂 厂 跳厂 厂 厂厂 厂_ 厂 雠 厂_ 厂 q r 厂n 图2 7 关联计数法测量时间间隔 2 2 4 包络参数测量 包络参数主要有包络的上升沿时间，下降沿时间0 ，包络宽度f ，包络周期丁。 q n 。 8 0 列1 ” 2 0 2 0 _ 4 - t 。兮一- 0 r 图2 - 8 包络参数 包络参数的测量同样采用关联记数法，被测包络与比较电压相比较，在其上升 沿的2 0 ，5 0 ，8 0 和下降沿的2 0 ，5 0 ，8 0 得到相应的触发信号，得到事 件信号兄，r ，r ，呒，呒，形，通过测量信号兄、r 的间隔，可以得到其 1 2 第二章瞬时测频的测量原理 上升沿时间；通过测量信号形，的时间间隔，可以得到其下降沿时间；通过测 量r 和呒的时间间隔，可以测量包络宽度，通过测量心，瓦的时间间隔，可以测 得包络的周期，如下图所示： 即厂 r 色_ 了_ 聃i | r 可_ r 9皇f - 丁_ t w 已 ii 旷 w 色i 兰二：当 w 巴-兰! f t 图2 - 9 包络参数测量 2 3 瞬时测频组件的重要技术 瞬时测频组件是高速、无间隙地连续测量频率和时间间隔，实际是测量两个采 样时间点之间信号的平均频率，采样速率越高才能越细致越准确地表征被测信号 的频率、时间间隔等随时间变化的特性，因此，瞬时测频组件必须用到的关键技 术，包括“零空闲时间计数技术( z d t ) ，“相关计数技术”，“正反双相时基计数技 术 等。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 3 1 零空闲时间计数 普通计数器在两次闸门信号之间存在一段空闲时间，系统利用这段时间对计数 器进行读数、清零等操作。在这段时间内，计数器不能对被测信号进行计数，这 就造成了信息的丢失，信息的丢失便导致了无法连续的表征被测信号频率特性。 零空闲时间计数( z e r od e a dt i m ec o u n t e r ，简记为z d t 计数) 技术，即采用两 组基本计数器交替计数。调制域分析仪中的“事件计数器 和“时间计数器”都 采用了z d t 计数技术，当其中一组a 路基本计数器在计数时，另一组b 路基本计 数器进行读数、清零等操作；反之，当a 路基本计数器进行读数、清零操作时，b 路基本计数器进行计数。如果它们看作是一个整体，对于被测信号来说，整体记 录了被测信号的每一个周期而没有任何信息丢失，从而解决了普通计数器丢失信 息的问题。 2 3 2 正反双相时基计数 减小时间计数器值n 存在的量化误差，可以采用提高基准时钟频率的办法来 提高测试精度，在提高时基频率的同时还采用了正反双相时基计数法，以降低对 时基频率的要求同时又满足对测试精度的要求。 同步后的门控信号z 分别对正相时基计数器和反相时基计数器计数。正相时 基计数器是对时基信号的同相信号进行计数，反相时基计数器是对时基信号的反 相信号进行计数，得到两个时基计数值，分别为0 和m ，合并以后得到最终的时 基计数值n = n o + l 。当正反时基保持严格的正反相位关系的时候，正反时基计 数法相当于把时基频率提高了一倍。 内厂 w 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 ” 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 图2 1 0 正反双相时基计数时序 这种方法可以用速度较低的计数器代替高速计数器，同时使时基信号达到其自 身两倍的精度。 1 4 第二章瞬时测频的测量原理 在研制调制域分析仪的过程中还需要其他关键技术，硬件方面如能够运行高速 信号的p c b 版图设计技术，f p g a 现场可编程门阵列技术。 2 4 瞬时测频组件系统硬件设计 硬件系统的原理框图如下。 图2 1 1 硬件原理图 基本工作流程如下： 1 ) 系统初始化，包括数据存储器清零，各器件复位等操作； 2 ) 用户通过主机( 虚拟终端) 进行设置，包括设置测量对象( 频率周期) 、 测量通道、测量模式、采样频率、采样数据个数等； 3 ) 启动测量； 4 ) 测量完成后，相关的数据会储存在数据存储单元内，系统通知主机； 5 ) 主机将数据读入，按照用户要求进行时频曲线直方图的显示，统计处理， 数据误差分析等工作。 整个系统硬件是按照用户的具体测量要求工作的。 2 5 本章小结 本章简单介绍了瞬时测频的测量原理和重要技术， 可以得到各种测量对象的计算公式： d 测规 = 斋木厶 1 5 根据这些原理和硬件方案， ( 2 5 ) 电子科技大学硕士学位论文 2 ) 测周期：7 ：土：! 丛! 型垄 ( 2 6 ) f2 m 木f o 3 ) 测时间间隔：f = 塑掣 ( 2 7 ) 二o 4 ) 测包络参数：f = 垡掣 ( 2 8 ) j0 其中，m 为对被测信号的事件计数器值；n 1 、n 2 为对正、反双相时基计数的 时间计数器值。 硬件完成计数工作后，将数据传给主机( 虚拟终端) ，主机接收到的数据并非 直接的频率值或时间间隔值等，需要通过上述公式2 5 2 8 来计算。 1 6 第三章瞬时测频组件软件系统方案 第三章瞬n , - i n 频组件软件系统方案 本章将给出瞬时测频组件的指标和软件系统的构成及一些主要算法。 3 1 主要指标 瞬时测频组件的主要功能和技术指标 1 测量对象：连续波，雷达信号，射频脉冲。 2 测试功能 ( 1 ) 频率f ( 2 ) 时间间隔t i ( 3 ) 统计分析，包括平均值、标准方差、最小值、最大值、直方图 3 技术指标 ( 1 ) 频率范围：3 8 1 6 8 h z 一2 5 m h z ( 2 ) 频率测量分辨率( 1 0 0 0 h z 采样) ：5 位数字 ( 3 ) 时间测量分辨率：1 0 n s ( 4 ) 最大采样速率：5 m s a s ( 5 ) 图形显示：计算机显示 ( 6 ) 存储深度：2 5 6b y t e s ( 7 ) 接口方式：并行接口 ( 8 ) 触发方式：内部自动触发 3 2 软件开发环境 运行在w i n d o w sx p 操作系统平台，采用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 编写而成。 v c + + 为开发w i n d o w s 应用程序的用户提供了一个面向对象的w i n d o w s 编程接口 微软基础类库m f c 4 1 ，大大简化编程工作。m f c 不仅封装了大部分w i n d o w s a p i 5 】函数还提供了应用程序框架，并且自带了很多控件。 w i n d o w sa p i 函数( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 称为应用程序编程接口， w i n d o w s 提供1 0 0 0 多种a p i 函数供编程人员使用，窗口是w i n d o w s 应用编程的 1 7 电子科技大学硕士学位论文 一个非常重要概念，还要注意的是w i n d o w s 中程序设计完全不同于传统d o s 方式， 它是一种驱动方式程序设计模式，是基于消息的，就是说w i n d o w s 是消息机制【6 1 。 3 3 软件设计说明 软件的主要功能和界面设计参考h p 5 3 7 3 a 调制域脉冲分析仪7 】【8 】【9 1 来设计，并 根据实际情况，做了相应调整。软件系统可分为三个模块。 1 ，测试模块 包含功能菜单和设置面板，以及与外设的接口。通过菜单和面板，设置各种参 数，通过接口，将各种测试要求发送到外设，在外设工作完毕后，接收和读入 数据，并放入数据存储区。 2 ，数据处理模块 由于测量是存在误差的，为了提高测量的准确度，有必要对误差进行处理，因 此设计了此模块，由于误差本身的复杂性以及对它认识的有限性，需要尝试多 种处理方法进行对比，最终得到较好的方法，来提高整个系统的性能。 3 ，图形显示模块 图形显示包括显示图形、图形变换、各种数据显示以及多种统计特性如直方图、 最大值、最小值、平均值、标准差等参数计算，除此以外，还需考虑用户操作的 需求和方便性，增加了一些便捷功能，如鼠标缩小、放大、鼠标查看数据等等。 在软件设计中，除了考虑满足基本功能，还需考虑软件的灵活性、可扩展性、 界面友好性、可移植性，需要考虑跟外设配合调试的兼容性，特别需要考虑软件 对于将来可能实现的功能的程序接口，除此之外，还应考虑各种算法【1 0 的效率性 以及结构设计的合理性。 在本软件设计中，在测试模块中，将数据来源暂设为了三种方式，p c i 接口【1 1 j 为预留接口，并口和读取“文本数据 是已经实现的功能，将设置面板上的各种 设置功能都用函数进行了封装，只需调用这些函数，就能实现控制功能；在数据 处理模块中，将各种去误差的方法也封装成函数；在图形变换中，采用了计算机 图形学中变换矩阵的思想【1 2 】，这是一种较抽象的图像处理方法，但是这种方法能 实现各种复杂的图形变换，使程序有更好的扩展性和规范性。 在实际软件设计中，除了使用v c 6 0 编译环境，所用软件工具主要有c 语言【l 引， c + + 【1 4 】，w i n d o w sa p i 函数以及数据结构【1 5 】【1 q 相关内容等，通过这些工具，能设计 出功能强大、灵活的软件系统。 1 8 第三章瞬时测频组件软件系统方案 软件系统工作流程图如下： 图3 1 软件工作流程图 1 9 电子科技大学硕士学位论文 根据测试要求，选择接口( 目前为并口) ，发送多种控制信号到外设，系统初 始化，外设工作后返回数据，通过并口，送进主机：还可采用直接读取文档数据 的方式来获得数据。当数据保存进数据区后，还需要备份一份数据，方便数据还 原，除了保存从外设来的直接数据，同时还要根据测试对象，选择对应公式( 见 第二章式2 5 也8 ) ，计算得到需要显示的实际数据。 在数据处理过程中，为了配合硬件调试以及各种数据处理方法的对比，将数 据处理做成了可选的方式，可根据需求来进行选择。若不去除误差，则显示图形： 若需消除误差，根据选择进行数据处理将处理后的数据显示即可，详见数据处 理部分中粗大误差和中值滤波部分，除此以外还可测试和判断系统误差。 图形显示后还可实现多种图形变换及数据显示功能详见图形显示模块设计。 331 测试模块设计 测试模块主要包括测量菜单、接口两部分。 1 测量菜单 本软件中，测试面板的各种测量选项参考h p 5 3 7 3 a 调制域脉冲分析仪的设置 菜单，总共有频率测量、周期测量、相位测量、时间间隔