（通信与信息系统专业论文）调制域分析仪关键技术—瞬时测频部件研制.pdf

摘要 摘要 调制域是由时间和频率两个参量构成的信号域，从调制域中可以观测信号频 率随时间的变化，是对信号进行测量的一个新兴领域。对于信号的调制域分析， 采用调制域分析仪作为主要分析测量手段。由于调制域分析仪在实践中的重要意 义，调制域分析仪已经成为电子设计工程师设计过程中对信号分析所必备的测量 仪器，具有广阔的发展前景。瞬时测频组件作为调制域分析仪的关键部件，它的 研制成功对进一步开发调制域分析仪具有很高的实用价值。 本文介绍瞬时测频组件的测量原理、关键技术、系统硬件结构和系统技术指 标，采用了计数法作为测频的原理，并在此基础上运用了同步计数技术、“乒乓” 计数技术、正反时基计数技术。在研制过程中，还运用了教研室前期的部分研制 成果，在这些研制成果的基础上，进一步提高了系统的指标性能。然后重点介绍 该组件的整形模块、e c l 模块、包络参数测量电路的研制工作。 整形模块在系统中的作用，主要是将被测信号转换为可用于计数器计数的脉 冲信号。它是系统中模数转换的关键模块，该模块需要对三个不同频率段的信号 进行整形。完成了对信号的低频整形、高频整形和时基整形的方案设计、器件指 标分析、p c b 制作以及电路调试，给出了测量结果，并对测量结果做出了分析。 结合后续电路的测量结果证明了整形模块完成了对不同频段信号的模数转换功 能。e c l 模块介绍了该模块在系统中的作用，分析了计数器的指标，设计了四通 道计数器，并绘制了p c b 图。在包络参数测量部分中，介绍了脉冲调制信号包络 参数的含义及利用瞬时测频部件实现包络参数测量的原理，采用了以峰值保持法 为关键技术的测量方案，并介绍了该方案的测量原理、硬件框图、c p l d 逻辑控 制模块；给出了误差分析，最后，本文给出了部分测量结果。 关键词：调制域分析仪，瞬时测频，模数转换，包络参数测量 a b s t r a c t a b s t r a c t m o d u l a t i o nd o m a i ni sas i g n a lp l a n ed o m a i nc o n s i s t i n go ff r e q u e n c ya n dt i m e d o m a i n s o b s e r v i n go ra n a l y z i n gas i g n a l sf r e q u e n c yc h a n g ea saf u n c t i o no f t i m e f r o mm o d u l a t i o nd o m a i ni san e wr e s e a r c hd i r e c t i o ni nm e a s u r e m e n ta r e a t oa n a l y z ea s i g n a li nm 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 na n a l y z e ri sa ne f f e c t i v et 0 0 1 f o rt h i s r e a s o n , m o d u l a t i o nd o m a i na n a l y z e rh a sb e e nam u s ti n s t r u m e n tf o re l e c t r o n i c e n g i n e e r s s o ，d e s i g n i n gs o m ee f f e c t i v ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d u l e s h a sa p a r t i c u l a rv a l u ef o rd e v e l o p i n gh i g h - p e r f o r m a n c em o d u l a t i o nd o m a i na n a l y z e r i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo ft h em e a s u r es y s t e m ，t h ek e yt e c h n i q u e s ，t h e h a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e r na n dt h ei n d e xo ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e db r i e f l y b a s e do nt h ec o u n tt e c h n o l o g yi nt h ef r e q u e n c ym e a s b r e m e n t ，t h et e c h n i q u e so f s y n c h r o n i z a t i o nc o u n t i n g , p i n g - p o n g c o u n t i n g , p o s i t i v ea n dn e g a t i v et i m ec o u n t i n g a r ea p p l i e d b a s e do np a r to ft h ep r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ，t h ep e r f o r m a n c ei sf u r t h e r i m p r o v e d n e x t ，t h em o d u l e so fs h a p e r s ，e c lm o d u l e , a n dt h ep a r a m e t e r so f t h ep l u s e n v e l o p em e a s u r e m e n ta r ed e t a i l e d t h es h a p e rm o d u l e ，w h i c hi st h ec o r em o d u l eb e c a u s et h r e e d i f f e r e n t f r e q u e n c y - b a n d sa r eu s e d ，i sa p p l i e dt ot r a n s f o r mt h et e s ts i g n a l st ot h ep u l s es i g n a l s t h a tc a l lb ec o u n t e d b y t h e d i 百t a l c o u n t e r s t h e d e s i g np r o c e s s o f l o w f r e q u e n c y h i g h - f r e q u e n c ys h a p e ra n dt i m es h a p e r , t h ea n a l y s i so fc h i p sp a r a m e t e r s ， p c bd e s i g n i n g , c i r c u i td e b u g g i n ga n dm e a s u r er e s u l t sa r ed e t a i l e d a l lt h es h a p e r c i r c u i t sa r ep r o v e db yt h em e a s u r e m e n to ft h ef o l l o w u pc i r c u i t t h ef u n c t i o no ft h e e c lm o d u l e , t h ea n a l y s i so fc o u n t e rc h i p s ，a n dt h ed e s i g no ff o u rc h a n n e l sc o u n t e r s a r ep r o v i d e d i nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t so fe n v e l o p ep a r a m e t e r sm o d u l e ，t h ed e f i n i t i o n o fe n v e l o p ep a r a m e t e r s ，t h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l e ，t h ec o r et e c h n o l o g yo ft h ep e a k v a l u eh o l d i n g ，a n dt h el o g i cc o n t r o lm o d u l eo fc p l da r ea l s oi n v e s t i g a t e d f i n a l l y , e l r o ra n a l y s i sa n ds o m em e a s u r er e s u l t sa r ep r o v i d 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 z e r ，i m m e d i a t ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ， i i a b s t r a c t a n a l o g y - t o d i g i t a lc o n v e r s i o n ，t h ep a r a m e t e ro fe n v e l o p ed e t e c t i n gc i r c u i t i i i 图目录 图目录 图1 1 调制域1 图2 1 电子计数器频率测量原理方框图4 图2 2 瞬时测频时序图5 图2 3 时间间隔测量6 图2 - 4 时间间隔测量时序图6 图2 5 包络参数7 图2 6 包络参数测量原理8 图2 7 “乒乓”计数工作时序图l0 图2 8 相关计数器原理1 0 图2 - 9 正反时基计数1 1 图3 1 瞬时测频组件系统硬件原理图1 5 图3 2 瞬时测频组件硬件结构总体框图1 6 图4 _ 1 传统整形原理图18 图4 2 整形部件设计原理框图1 9 图4 3m c l 6 5 1 内部差分施密特触发器1 9 图4 4m c l 6 5 1 施密特正反馈过程。2 0 图禾5 内部功能框图2 0 图4 6a d c m p 5 6 7 管脚图2 1 图4 7 低频整形原理图。2 2 图4 8 高频整形原理图2 2 图5 1 瞬时测频组件硬件原理框图2 6 图5 2 计数器8 位数据2 7 图5 3m c l 0 0 e p 0 16 a 管脚图2 9 图5 4e c l 管脚时序图。3 0 图6 1 包络参数测量原理框图3 3 图6 2a d 采样实现包络参数测量3 4 图6 3 峰值保持法硬件原理框图3 5 图6 4m a x 4 5 0 1 管脚图3 6 v i i i 图目录 图6 5 开关时序图3 7 图6 6 原始包络与比较器输出时序3 8 图6 7 二极管包络检波器原理图3 9 图6 8e p m 7 0 3 2 内部结构图4 l 图6 - 9 完整的c p l d 设计流程4 3 图6 1 0c p l d 仿真结果4 3 图6 1la d 9 6 6 8 5 管脚图4 4 图6 1 2 系统误差分析图4 5 图6 - 1 3 误差分析4 5 图7 1 整形调试方法4 7 图7 25 0 m h z6 d b m 4 8 图7 31 0 0 m h z6 d b m 4 9 图j t 42 0 0 m h z6 d b m 4 9 图7 54 0 0 m h z6 d b m 5 0 图7 68 0 0 m h z6 d b m 5 0 图7 7 调试方案5 2 图7 82 0 m h z 单频信号5 2 图7 - 92 0 m h z 单频信号的直方图数据5 3 图7 1 01 0 0 m h z 单频信号5 3 图7 1 11 0 0 m h z 单频信号的直方图数据5 4 图7 1 2 中心频率1 0 m h z ，频偏1 m h z 正弦调频信号5 4 图7 1 3 中心频率2 0 m h z ，频偏1 m h z 正弦调频信号5 4 图7 1 4 中心频率1 0 0 m h z ，频偏1 m h z 正弦调频信号5 5 图7 1 5 中心频率2 0 0 m h z ，频偏1 m h z 正弦调频信号5 5 图7 16 包络参数测试方法5 6 i x 表目录 表目录 表1 1 国外具有先进性和代表性的瞬时测频组件的功能及指标3 表5 1 计数器功能逻辑表3 0 表6 1m a x 7 0 0 0 系列4 l 表7 1 整形测试数据一4 7 表7 2 包络参数测试结果5 6 表7 3h p 5 3 7 3 a 测试结果5 7 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。 虢奎鱼日期秒7 年箩剧日 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：扭导师签名：尘丝 日期：2 0 d7 年扩月专1 日 第一章引言 1 1 调制域分析的概念 第一章引言 由时间t 、幅度u 和频率f z 个信号参量可以构成一个三维空间，如图1 1 所 示。人们在分析信号时主要以时域和频域为主。对于信号的时域分析，人们采用 的是以示波器为代表的信号分析仪器，对于频域的信号分析，人们采用的是以频 谱仪为代表的分析仪器【1 1 。 频域 u f 图l 一1 调制域 通过示波器对信号的分析，我们可以了解到信号的电压如何随时间发生改 变。通过频谱仪对信号的分析，我们可以了解到信号的电压如何随频率发生改变。 然而，仅仅对信号进行时域和频域的分析远远不能够满足人们对信号分析的需要， 我们希望观测到信号的频率f 是如何随时间t 变化的，即频率一时间曲线。这个曲 线反映了频率如何随时间调制的情况，因而称为调制域。调制域分析仪能够直观 地反映出信号频率的调制信息、信号频率随时间的变化，还可以用于检测相位抖 动和数字脉冲之间的时间变化。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 调制域分析仪的应用领域及其重要性 随着科技的日新月异，在现代电子设计过程中，从模拟电话系统到尖端的军 事武器，设计工程师鉴于各种目的正趋向于使用更加复杂的调制技术。而在设计 过程中，设计工程师们需要借助各类测量仪器对样机进行定性定量地分析，以了 解产品是否达到设计目的。由于复杂调制技术的采用、信号参变量的增多，仅仅 使用示波器和频谱分析仪从时域和频域分析信号，已经不能满足工程师的需要。 此外，在尖端军事领域，对系统设计的精准度要求更高、误差要求更小；在移动 通信领域，随着人们物质文化水平的进一步提高，对移动通信业务的数量、质量 的需求越来越大，单位时间内传送的数据量越来越多；在计算机领域，系统要求 单位时间内处理更多的数据；在雷达领域，雷达系统需要更高的灵敏度。不管从 模拟信号处理到数字信号处理，军事领域还是民用领域，设计工程师对系统的要 求越来越苛刻，对信号各个参量的精准度也要求越来越严格。这就对研制各类设 备仪器时的测试仪器也提出了更高的要求，那么就需要颠覆传统的信号分析思路， 寻找一个全新的信号分析手段来解决。从时域、频域传统的分析领域这个思路出 发，开发人员还想到了调制域。对信号从时域和频域的理论分析上已是很成熟， 对于调制域的理论分析还有待于进一步研究。为了清晰的反映调制域的情况，对 调制域测量技术和设备的研究就具有了一定的实用价值【2 】。 1 3 国内外技术动态 鉴于调制域分析仪在军事民用科研领域的重要性，惠普公司( 现安捷伦公司 前身) 在调制域分析仪的研制上走在了该领域的前列，早在上世纪就已经有调制 域分析仪成熟产品商用，经过半导体技术的发展和集成电路的发展，现阶段研制 的新型产品性能指标也有很大提高。某些机型的直接测量频率达6 0 0 m h z ，经分 频处理可扩展到1 8 g h z 。目前，在调制域分析领域，国际上主要产品性能见表 1 1 q 。 国内在调制域研制领域起步较晚，差距跟国外公司相比也比较大。一些科研 单位也研制过调制域范畴的测量仪器，如本校的m d p a 1 型调制域分析仪，某科 技有限公司的测频模块等。这些仪器虽然功能上已经接近调制域分析仪，但是在 性能指标上还很难与国外公司的同类产品相媲美。由此看到，调制域分析仪的关 2 第一章引言 表1 1 国外具有先进性和代表性的瞬时测频组件的功能及指标 h p 5 3 3 1 0 ah p 5 3 7 2 ah p 5 3 7 3 a 测量功能测量频率和时间间隔测量频率，时间间隔测量脉冲包络参数，测 和相位量频率，时间间隔和相 位 输入频率范围 1 0 h z 2 0 0 m h z1 2 5 m h z 一5 0 0 m h z1 2 5 z 一5 0 0 m h z 5 0 m h z 2 5 g h z1 0 0 m h z 一2 g h z1 0 0 z 一2 g h z 频率分辨率采样频率为1 h z 时达到采样频率为i h z 时达采样频率为l i - l z 时达 1 0 位数字到1 0 位数字 到1 0 位数字 时间分辨率2 0 0 p s1 5 0 p s1 5 0 p s 连续采样速率 l 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，最大平均值，标准差，最平均值，标准差，最大 值，最小值大值，最小值，阿伦 值，最小值，阿伦方差， 方差，阿伦均方根 阿伦均方根 键技术一瞬时测频组件的研究在科研上、经济发展上具有很高的价值。“瞬时测频 组件”课题是由本实验室与某公司合作开发的项目。在课题前期阶段，经过其他同 学的努力，于2 0 0 7 年完成第一款“瞬时测频组件”，它在f p g a 内部实现了对1 0 - - 一 2 0 m h z 内的信号瞬时测频。在此基础上，本课题结合了新的测量方案，增加了新 的测量功能，进一步提高了系统的性能。 1 4 本文的主要工作和结构安排 我参加了瞬时测频组件的关键部件的研制过程，主要负责以下几个模块的研 制：前端低频信号整形模块、高频信号整形模块、时钟信号整形模块、e c l 板、 包络参数测量电路；绘制了整形模块的p c b 电路图、e c l 板电路图及包络参数 测量电路图；调试了电路板；并参与了以上模块与其他模块的联调工作。 本文共八个部分，第一章主要介绍调制域分析的概念及国内外调制域分析仪 研制动态。第二章主要介绍瞬时测频组件的测量原理和采用的关键技术；第三章 介绍了该项目中所要求达到的系统指标及系统设计方案；第四章介绍了瞬时测频 组件中的整形模块；第五章介绍了e c l 板的功能及实现；第六章介绍了脉冲调制 信号包络参数测量的概念、测量方案、系统实现及测量误差分析；第七章介绍了 调试过程、测量结果；第八章是总结。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章瞬时测频的测量原理和关键技术 2 1 瞬时测频组件的测量功能 瞬时测频组件是调制域分析仪的关键技术，用于分析测量信号的调制域信息， 测量信号频率、时间间隔、脉冲包络参数三项功能是瞬时测频组件最基本的功能， 将它们与不同的采样和触发方式相结合，就能得到多种测量模式以满足不同测量 需求。以惠普公司的h p 5 3 7 3 a 调制域分析仪为例，它具有自动、采样、延迟、延 迟采样等多种触发方式，由这些触发方式与通道、信号脉冲的边沿等相组合，在 延迟等测量模式电路控制下，实现了多种触发方式和几十种测量功能。 2 2 瞬时测频组件的测量原理 2 2 1 频率一时间测量 瞬时测频组件的频率测量原理是以电子计数器频率测量为模型，再采用了同 步计数器技术、“乒乓 计数器等技术就形成了瞬时测频组件的频率测量技术。电 子计数器的频率测量原理如下【2 】： 厂l l门控电路l 崔 图2 - 1 电子计数器频率测量原理方框图 频率是单位时间内信号变化的次数。在单位时间t 内，周期信号的重复变化 次数为n ，那么其频率可表达为： 厂：盟( 2 1 ) 频率测量的过程为如图2 - 1 ：首先被测信号f x 通过放大整形电路后转变成脉 冲信号e x ，e x 保留了f x 的频率特性。闸门由控制电路来控制它的启闭时间。当 4 第二章瞬时测频的测量原理和关键技术 闸门处于开的状态时，计数器对信号进行计数，计数结果由数字显示器显示【2 】。 瞬时测频组件在测频过程中采用的原理不同于上述计数器。瞬时测频组件在 测频中，采用同步计数器技术，它控制了闸门信号t 。的产生。在频率测量过程中 要对t g 内的被测信号变化次数和时基信号变化次数同时进行计数。计数结果经过 处理得到闸门时间内信号的平均频率。时序图如下： t o 门几几几几r 几几n 几几几丌几几几几几几几几门几n 几几n 几门n 几几几r 厂 r t p illi e x 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 广 厂 厂 儿 卜叫广 t g l! il m广 厂 厂 广 厂 厂 厂 r 厂 儿 n 几几几n 几几几几n 几丌几几几几nn 几n 几几几几几几几几n 几n ；m 1 、n 1jm 2 、n 2 im 3 、n 3 图2 - 2 瞬时测频时序图 如图2 2 所示，对被测信号变化次数进行计数的计数器称为事件计数器，对时 基信号进行计数的计数器称为时间计数器。事件计数器和时间计数器在闸门信号 t g 的控制下，同时分别对被测信号e x 和时基信号t o 进行计数，计数值分别用m 和n 表示。通过时基信号、被测信号、闸门时间之间的关系进行转换就能够得到t g 时间内被测信号的平均频率。在不考虑误差影响的情况下，被测信号频率为： 厂：一m ：l ( 2 2 ) 了 n t 从图2 2 中可以看到，控制时间和事件计数器计数的闸门信号t 。由采样信号 t p 与被测信号e x 同步后产生。因此事件计数器的计数结果m 1 、m 2 、m 3 是精确 的，这也是采用同步计数器的结果。在采样信号与被测信号同步时，闸门信号与 时基信号并没有同步，二者之间必然不相关，因此在对时基信号计数时，可能分 别有时间的“零头”无法被时间计数器计入，可能会出现多计一个时基周期或者少计 一个时基周期的情况，由此产生l 误差。从以上分析可以得出，采用同步计数技 术的测频系统的测量误差是由时基与闸门不同步造成时间计数器计数不准确带来 的【5 1 。 为了能够在时间轴上不间断地显示被测信号的频率一时间特性，就需要让计 5 电子科技大学硕士学位论文 数器连续工作。要达到该目的，就要运用“乒乓”计数器技术。 2 2 2 时间间隔测量 时间间隔测量主要用于两个信号的对比，下图是时间测量的原理图。 乓。 e x 2 o 乞 图2 3 时间间隔测量 如图2 3 所示，e x t 、e x 2 表示两个通道的信号，t 是信号e x t 、e x 2 的时间间 隔。瞬时测频组件在测量时间间隔时，是将两个信号的时间间隔t 转换成计数闸门 信号t g ，在t g 控制下，由计数器计数得到n 值，经过计算得到时间间隔。时序图 如下： t 厂 厂 厂 厂 r 厂 厂 厂 r r 厂 r 厂 广 h 厂 ! 厂 副厂 厂 厂 厂r 酏 n几门i 厂 珊，厂 厂 ! 嗽厂 厂 码 r 厂r r 图2 4 时间间隔测量时序图 如图2 4 所示，晶体振荡器产生的信号经过分频器得到采样信号t p ，t ，分别与 e x 和e x 2 的上升沿同步，得到t e x - 和t e x z 信号，由t e x t 和t e x 2 信号的边沿产生 6 第二章瞬时测频的测量原理和关键技术 时间计数器的采样闸门信号t g 。时间计数器在t 。的控制下对时基信号进行计数， 通过公式得到时间间隔测量值t ，从而得到时间间隔测量曲线。 2 2 3 脉冲包络信号参数的测量 脉冲包络参数包括有上升沿时间b 、下降沿时间t f 、包络宽度百、包络周期t 。 如下图2 - 5 所示： 一f - 一一f i 5 0 刷门 1 t o 。n众n u u 棚 【f 2 0 ”- 7 - ， -l _ c r 图2 5 包络参数 脉冲包络参数测量的原理和时间间隔测量相同，其差别在于，在包络参数测 量过程中，使用专门的电路产生与各被测参数等宽的门控信号，时序图如图2 6 所示。 包络参数的测量也是建立在同步计数器的基础上。通过将具体参数转化为时 间间隔进行测量。前面已经介绍了包络参数的含义，在包络参数的测量过程中， 最重要的是如何得到三个参考电平。结合图2 6 对参数的提取进行说明。被测包络 与包络信号峰值电压的三种分压值( 峰值电压的2 0 、5 0 、8 0 ) 相比较，得到 门控信号r a 、r b 、r 。通过测量信号r a 和r 。的时间间隔z 、丘，可以得到包 络上升沿时间t r 、下降沿时间t f ( 图中未标注出用于测量下降沿时间的示意信号) ； 通过测量鼬得到包络宽度t ；通过r b 的转换得到，：，可以测量包络周期t 【1 1 。 7 电子科技大学硕士学位论文 t p 厂 ：77 !i ! ： z i ii ：! ：ii 、 图2 - 6 包络参数测量原理 2 3 瞬时测频组件的关键技术 由于存在对计数器计数结果的存储读取以及计数器清零等过程，因此传统频 率测量技术不能实现连续测量。从瞬时测频组件所采用的计数测频原理中可以看 到，测频结果实际是测量闸门时间内信号的平均频率。根据微积分原理，当采样 闸门时间趋于无穷小时，该时间内测得的频率等于该时刻的频率值。由于各种现 实条件的限制，采样时间只能尽可能的小，而不能达到无穷小，因此，瞬时测频 得到的频率结果是用闸门时间内的平均频率近似。采样信号频率越高，闸门时间 越短，就能更精确的反映信号的调制域信息。所以瞬时测频组件对计数器的速度 要求很高。因此，研制瞬时测频组件用到了不少新的技术，如“乒乓计数器技术”、 “同步计数器技术”、“正反时基计数技术”等。 8 第二章瞬时测频的测量原理和关键技术 2 3 1 “乒乓”计数器技术 由于采用了高速计数器，在与主机进行通信过程中，必须对数据速率进行考 虑。如果计数器速率过快，而主机读取速度跟不上计数器计数输出速率，必然造 成数据拥塞。那么，在主机与计数器之间必须有一级存储器用于数据缓冲。计数 器将计数结果送入存储器中，主机从存储器中调出数据再处理。存储器根据存储 深度有一定的存储范围，当存储器达到存储范围后就需要对存储器内的数据进行 清零。那么在清零这段时间内，计数器不能工作，这就不能实现时间上的无缝计 数。对整个系统而言，将造成测量死区，反映在调制域上就是不能连续地实时地 表征信号频率随时间变化的情况。这样的设计也是通用计数器不能满足瞬时测频 需求的主要因素。惠普公司在早期的调制域分析仪h p 5 3 7 3 a 中就有这种非连续测 量模式供用户选择。 要解决上诉计数死区的问题，在瞬时测频组件中采用了“乒乓”计数器技术。应 用该技术的瞬时测频系统能够完成对被测信号在调制域上的连续的实时的反映， 而不受计数器需要清零等操作的影响，从而实现对频率和时间间隔的连续测量。 在瞬时测频组件中采用同步计数技术，我们将受控于同一闸门信号的事件计 数器和时间计数器称为一组基本计数器。为实现“乒乓”计数器的设计，我们采用两 组基本计数器( 共4 路计数器) “乒乓”计数，分别称这两组计数器为h 、l 。当h 组基本计数器( 包含一个时间计数器和一个事件计数器) 在计数时，l 组的两个计 数器此时完成清零等操作。反之，当l 组基本计数器进行计数时，h 组基本计数 器进行清零等操作。这样，整个系统将无计数死区。工作时序如图2 7 。 图中，t p 是采样信号，它与经过整形的被测信号同步后产生闸门信号t g 和 t g 。t 。为h 路基本计数器的闸门信号，t g 为l 路基本计数器的闸门信号。t g 和 t g 互为反向信号。h 组基本计数器中的事件计数器和时间计数器分别对被测信号 和时基信号计数，计数结果分别表示为m 1 和n 1 。在h 组计数器计数的同时，l 组计数器在控制信号的作用下将上次计数的结果写入r a m ，然后h 组计数器进行 清零复位等操作。当t g 为低电平，t 。为高电平时，l 组基本计数器进行计数，h 组基本计数器停止计数，然后将h 组的计数结果m 1 和n 1 在控制信号作用下存储 到r a m 中，计数器进行清零等操作。将两组计数器的结果在控制信号作用下送入 主机中处理，然后在调制域中显示就将得到完整的无死区的测量结果。从以上分 析中我们不难发现，要实现两组计数器的“乒乓”计数，t g 和t 。尤为重要。首先， t g 和t g 在相位上必须严格反相，因为他们决定了计数器能够准确计数。其次，它 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 7 “乒乓”计数工作时序图 们还分别控制两组基本计数器和相应的读、清零等控制电路的工作。t g 和t s 在时 间上配合的精确程度将直接影响系统测量的精度【4 】【5 1 。 2 3 2 同步计数器技术 同步计数器原理框图如下： 瓦 图2 - 8 相关计数器原理 1 0 第二章瞬时测频的测量原理和关键技术 如图2 8 ，被测信号f x 经过整形模块转换成脉冲信号e x ，在转换过程中，要 确保被测信号的频率不被改变。事件计数器对e x 进行计数，时间计数器对时基信 号t 0 计数。程控分频器对t o 进行分频，产生不同频率的采样信号t p 。t p 与e x 同 步后得到用于控制时间和事件计数器计数的闸门信号t 。在闸门信号t 。内，事件 和时间计数器的计数结果分别为m 和n 。m 和n 经过后端的处理就能得到设定闸 门内的平均频率值。 2 3 3 正反时基计数技术 根据瞬时测频的测量原理，在采用了同步计数技术以后，事件计数器对被测 信号的计数是整数，结果上是准确的。但是，采样信号与被测信号同步后的闸门 信号与时基信号在时间上是不相关的。在时间计数器的计数结果上肯定会有时基 信号的“零头( 时基信号的小数个周期) 未被计到。对于精确的测量仪器而言， 这样的误差是不容许的。那么如何测量时基信号小数个周期的时间呢? 可以想到 的方法是将该零头时间展宽后再使用计数器测量。如果展宽的时间是零头时间的k 倍，得到展宽后的时间再除以k ，就得到零头时间。这样的方法就是通常说到的 模拟内插法。但是在模拟内插法的实现过程中，展宽的倍数k 是很难精确控制的， 这样的设计方法在实现中也有很大的难度。我们想到的另外一个方法就是提高时 基的频率，即缩短时基的周期。这样未被计入的零头时间也就降低了，从而达到 提高测量精度的目的【4 1 。从现阶段器件指标上考虑，时基频率的提高对计数器的指 标也就要求更高，系统的稳定度将因此受到影响，因此我们采用了正反时基计数 技术。这样，就可在时基频率保持不变的情况下，达到其两倍的时基信号的测量 精度。下面对正反时基计数法进行介绍。 图2 - 9 正反时基计数 电子科技大学硕士学位论文 如图2 - 9 所示，正反时基计数采用两个计数器对同一个时基信号进行计数。正 相时基计数器对正相时基信号进行计数，反相时基计数器对反相时基信号进行计 数。然后将两个计数器的计数值相加作为时间计数器的n 值。这样的设计就可以 避免由于采用高频时基而造成计数器的稳定度下降，从而使精度提高一倍。 2 3 4 其他技术 在研制瞬时测频组件的过程中还用到了其他一些关键技术，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；软件方面如 c + + 编程技术，数据处理，图形界面放大缩小相关技术等。 1 2 第三章瞬时测频组件的系统方案 第三章瞬时测频组件的系统方案 3 1 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 、测量功能 ( 1 ) 频率 ( 2 ) 周期 ( 3 ) 时间间隔：t i ( 4 ) 脉冲包络参数：t r 、t f 、t w 、t ( 5 ) 统计分析：平均值、标准偏差、最小值、最大值、直方图 3 、技术指标 ( 1 ) 整形频率范围：7 6 k h z - - 一5 0 0 m h z ( 2 ) 频率测量分辨率( 1 0 0 0 h z 采样) ：6 位数字 ( 3 ) 时间测量分辨率：2 n s ( 4 ) 图形显示：计算机显示 ( 5 ) 触发方式：内部自动触发 ( 6 ) 脉冲调制信号载频：1 m h z - 、, 1 0 m h z ( 7 ) 脉冲调制宽度：2 0 0 岬1 m s ( 8 ) 上升沿时间和下降沿时间：5 n s - - - 1 m s ( 9 ) 脉冲间隔：1 5 n s 3 2 系统指标论证 3 2 1 时间测量分辨率 时间测量分辨率是指时间计数器在对时基信号测量过程中，所能达到的最小 测量时间。在瞬时测频组件的研制过程中，我们采用的时基频率为5 0 0 m h z ，因此， 瞬时测频组件的时间测量分辨率为： 1 3 电子科技大学硕士学位论文 3 2 2 频率测量分辨率 丁：上：2 船 石 ( 3 - 1 ) 从前面原理的讨论我们可以看到，在不考虑相位抖动的情况下，测频的相对 误差为： e ：篮：一a m 一坐 ( 3 2 ) f 。 mn 由于同步计数技术的采用，使得事件计数器能够准确的对被测信号进行测量， 这样计数结果中埘= 0 ，而时间计数器计数的结果中：a n = 1 ，所以n = 疋f o ， 疋为闸门控制信号，当采样率为1 k h z 的时候，也就是为l m s 的时候，可以得 出系统的频率分辨率为： e ：篮：2 1 0 巧 ( 3 3 ) x 即当采样频率为最低1 0 0 0 h z 时，单次测量的频率分辨率达到6 位数字。 3 2 3 系统连续测量时间 连续测量时间由存储器地址空间和采样速率决定。在本系统中，采用的是8 位地址的存储器，如果以5 m h z 的最高采样速率工作时，一次连续测量的时间为： ，口，8 f 。= 二= 竺j = 5 1 2 m s ( 3 - 4 ) 尺5 1 0 。 其中2 4 为存储地址数，r 为系统采样速率。 3 2 硬件方案 3 2 1 系统硬件原理图 按照前面章节对瞬时测频组件中所采用原理的讨论，我们将这些原理以如下 的硬件结构予以实现。同时结合各项指标的分析，规划各个模块需要达到的指标。 硬件系统的原理框图如图3 - 1 所示。 我们看到，硬件中包含有4 个通道的输入信号、输入信号的接收处理模块、 计数器、r a m 、接口以及时序控制模块。下面具体介绍各个模块是如何工作的。 1 4 第三章瞬时测频组件的系统方案 图3 - 1 瞬时测频组件系统硬件原理图 ( 1 ) a 、b 两路通道分别用于输入不同频率段的信号。输入信号经过信号接 收处理模块后，产生数字脉冲信号。c 通道输入信号的频率较a 、b 通道而言频率 更高。通过前面对系统指标的分析，c 通道可测频率应该达到g h z 。要完成如此 高频信号的测量，如果我们直接将c 通道信号送入接收模块处理后再进行计数， 就现阶段半导体技术而言，这对数字电路提出了极高的要求。因此，需要首先对c 通道输入的信号进行一个预分频，然后再完成后续测量。包络参数通道用于和包 络参数测量电路板相连。 ( 2 ) 高稳时基，产生系统测量过程中所用到的各类时钟信号。 ( 3 ) 计数器，从测频功能上看，由事件计数器和时间计数器组成。该部分的 指标也决定了系统的整机性能。同时计数器的输入信号电平必须和信号接收处理 模块的输出信号电平匹配，这样避免在高频信号间发生电平转换，增加测量误差。 对于计数器的选取，需要考虑：计数器最高工作频率、计数器计数使能控制、计 数器计数位宽等参数。 ( 4 ) 存储器r a m ，它可以利用f p g a 内部的存储资源实现，也可以外置。 根据对瞬时测频组件原理的讨论可知，r a m 在测频过程中主要用于对数据的缓冲， 让系统有时间对计数器进行清零等操作而不中断测量过程。对于外置r a m 的选 取，主要考虑其数据位宽、存储深度等参数。 ( 5 ) 接1 2 1 ，该部分是瞬时测频组件与计算机通信的通道，通过接口电路，将 计数器计数的结果送入到计算机内，然后由计算机进行后期处理、显示。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 控制电路。瞬时测频组件中用到了大量的数字电路，要实现各个模块完 美地配合工作，那么严格的时序控制是必不可少的。控制电路完成了从测量开始 到测量结束各个环节的控制。 3 2 2 瞬时测频组件硬件结构框图 图3 - 2 瞬时测频组件硬件结构总体框图 瞬时测频组件系统硬件结构框图如图3 - 2 所示，下面简略介绍一下它的几个 主要的工作部分。 ( 1 ) 计算机提供人机交互界面，对瞬时测频组件进行初始参数设置、测量开 始控制、数据处理、误差处理等工作。为了能够快速的对数据进行处理及利于图 形界面的开发，在瞬时测评组件中选择了i n t e lp e n t i u m 43 0 6 g h z 芯片为核心 的兼容机作为整个系统的主机，并选用分辨率较高的p h i l i p s1 7 0 s 液晶显示屏。 ( 2 ) 微机接口采用并口，在电路板设计中，我们将它与t t l 板整合在一起。 ( 3 ) 为了减小各个模块间的相互影响，同时了便于模块设计，测量电路板按 硬件的工作速度，将测量电路板分成三部分，即e c l 高速测量板和f p g a 测量控 制板、r a m 板( 简称t t l 电路板) 。 ( 4 ) 时基单元需要提供高稳定的时基，才能满足同步计数技术、正反时基计 数技术的要求。考虑到各方面因素，在瞬时测频系统中，高稳时基为5 0 0 m h z 。 1 6 第四章整形模块 第四章整形模块 4 1 整形模块在瞬时测频组件中的作用 从瞬时测频组件的原理中可以看到，系统在功能上主要实现被测信号接收处 理、计数、后端数据处理三个环节。每个环节的性能指标都将影响到系统的精确 度、稳定性。因此在设计中实现各个模块需达到的指标后，才能提高系统性能。 整形模块用于对被测信号的处理。在研制前期阶段，我们利用信号源产生标准正 弦波作为时基信号，在后期将利用频率综合技术合成所需要的时基。不论哪种