（通信与信息系统专业论文）高速数据采集系统的研制.pdf

abs tract i n r a d a r s i g n a l a n d i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g s y s t e m , d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m i s i n d i s p e n s a b l e a s a v e ry i m p o r ta n t u n i t . i n m o d e r n r a d a r s y s t e m , w i d e o r u l t r a w i d e b a n d r a d a r s i g n a l i s u s e d m o r e w i d e l y . a c c o r d in g l y , b y u s i n g d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g , w e n e e d h i g h - s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m t o g e t in f o r m a t i o n . i n t r a d i t i o n a l r a d a r r e c e iv e r , t h e c o n s i s t e n c y o f p h a s e - a n d - a m p li t u d e i s i m p e r f e c t , w h i c h l im i t t h e p e r f o r m a n c e a c h i e v a b l e fr o m s i g n a l p r o c e s s o r s . t o o v e r c o m e t h i s p r o b l e m , w e t h i n k t o d i g i t i z e d t h e s i g n a l a t m e d i u m fr e q u e n c y , e v e n r f , a n d t h e n d e m o d u l a t e i t i n d i g i t a l d o m a i n . i n t h e s a m e , o n ly t h e h i g h - s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m c a n s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t . b a s e d o n t h e h i g h - s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m , t h i s d i s s e rt a t i o n c o m p a r e s t h e d i g i t a l r e c e i v e r w it h t r a d i t i o n a l r e c e i v e r . a n d w e c o n s i d e r t h a t i t i s f e a s i b l e a n d n e c e s s a r y t o g e t i n f o r m a t i o n o n h i g h - s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n i n r e a b o u t t h e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m s p e r f o r m a n c e , w e g e t t h e m e t h o d o f e v a l u a t i n g t h e s y s t e m b y t h e o r y o f q u a n t i f i c a t i o n . c o m b in i n g w it h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s , d e s i g n a n d d e v e l o p a s u i t o f h i g h - s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m w i t h u p t o 6 0 0 m h z s a m p l i n g fr e q u e n c y . t h e t e s t i n d i c a t e s t h a t i t c a n s a t i s f y t h e p r o j e c t a n d t h e e ff e c t i v e b i t s i s 7 .4 5 . a t p r e s e n t , t h e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m w i t h u p t o 6 0 0 m h z s a m p l i n g fr e q u e n c y i s r a r e l y r e p o rt e d i n o u r c o u n t ry . s o i t h a s g o o d a p p l i c a t io n f o r e g r o u n d . t h e m a j o r c o n t e n t s o f t h i s d i s s e rt a t i o n a s b e l o w : ( 1 ) a n a l y z e t h e c o n s i s t e n c y b e t w e e n t h e t r a d it i o n a l r e c e i v e r a n d d i g i t a l r e c e i v e r i n d e t a i l . t h e t h e o ry a n d t h e e x c e l l e n c e o f t h e d i g i t a l d o w n c o n v e rt e r a r e a l s o a n a l y z e d . a n d i n t r o d u c e t h e d p d t e c h n o l o g y b as e d o n o r th o g o n a l s a m p l i n g . ( 2 ) d i s c u s s t h e t h e o ry o f q u a n t i f i c a t i o n , a n a l y z e t h e m e t h o d t h a t h o w t o g e t t h e e ff e c t i v e b i t s . ( 3 ) i n t r o d u c e t h e d e s i g n o f t h e h i g h - s p e e d d a t a a c q u i s it i o n s y s t e m . ( 4 ) t h e p e r f o r m a n c e o f t h e h i g h - s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m i s t e s t e d . t h e a c q u i s it i v e d a t a i s a n a l y z e d a n d p r o c e s s e d . k e y w o r d ) d a t a a c q u i s it i o n d i g i t a l r e c e i v e r e ff e c t i v e b i t s d i g i t a l d o w n c o n v e r s i o n h i g h - s p e e d c a c h e o r th o g o n a l m o d u l a t i o n l i n e a r f r e q u e n c y m o d u l a t i o n s i g n a l 电子科技大学硕士论文 第一章 绪论 1 . 1 数据采集的 意义和任务 “ 数据采集” 是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字 量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据 采集系统。 随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。 在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录， 为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系 统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥 秘的重要手段之一。随着技术的发展，各种各样基于数字化的产品不断推陈出 新，给我们的生活带来了极大的好处。数字化之所以能如此得到广泛拓展开来， 其主要在于以下两个优点:1 、数字处理灵活、方便。在软件无线电领域，正 在构建一个较通用的平台，通过软件来实现现在许多“ 僵化”硬件平台的功能。 这正是基于数字化带来的灵活性。2 、数字系统稳定可靠。在早期，较之模拟 系统，数字系统的最大优点就在于有良好的稳定性。 数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成 计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同 需要进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数 据进行显示或打印，以 便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被控 制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集几乎无孔不 入，它己渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我 们更好的获取信息提供了良 好的基础。 另外，我们在评估一个信号源的质量，也可以通过数据采集的手段将信 号采集存入计算机，再通过各种处理方式来评价信号源的好坏。这时，该数据 采集系统就类似一台测试仪器。当然，我们得认可系统的各项指标满足要求。 数据采集系统的性能好坏，主要取决于它的精度和速度。精度是通过有 效位数来反映的，有效位数越高，要求系统的噪声就越低，这在实际工作中实 现起来不太容易很好的克服系统噪声，目 前从采集精度上看，有效位数能做到 1 2位就很不错了。速度是通过采样率来反映的，速度太高，传统的 t t l逻辑 常常不能满足需求，一般高速采集芯片的输出逻辑都为e c l 逻辑.这样相应地 增加了功耗。所以，在高速数据采集芯片的设计上是用大功耗来换取高速度， 同时也减小了逻辑摆幅.根据目 前芯片市场来看， 速度最高的a / d芯片已 经达 到了1 . 5 g h z e 1 . 2高 速数据采集在雷达中的 应用 1 . 2 . 1，达接收机的工作方式及其对高速数据采集的要求 电子科技大学硕士论文 在雷达系统中， 雷达接收机是其中非常重要的部份。 在雷达接收机中对信 号的采集方式分为单信道和双信道 。图1 . 1 说明了单信道的工作方式。 c o s ( 2 响t ) x ( t ) 图 1 . 1 由 于这种方式会造成正负频谱的混叠， 所以它正常工作的条件是信号的正频谱部 份和负频谱部份是对称的， 即正频谱和负频谱应是完全一致的。由于单信道方 式的局限 性， 大多数雷达接收机系统都采用双信道方式。 这种方式的工作框图 如图1 .2 所示: 阅 一 2 这种双信道方式实际就是把信号表示成复数的数字基带形式。它利用了实信号 的正频谱和负频谱共扼对称这一性质， 获得信号的正频谱或负频谱的数字基带 来表示信号， 因而避免了正负频谱的混叠。而且正交双通道形式可以更有效地 利用低通滤波器抑制随机信号， 提高信噪比。由 于受处理芯片和 a / d变换器速 度的限制， 传统的接收机采用了先用模拟方法把输入模拟信号混频到基带， 再 把信号分成正交两路， 最后采样获得数字1 , q两路的 方法。 从以上两种工作方式可以看出，雷达信号的数字化处理是一个必然的趋势， 数据采集是雷达系统不可缺少的组成部分.对单信道工作方式，频谱的混叠是 它的一个重要缺陷.双信道方式克服了单信道方式的缺点，但同时又将因为两 路幅相不一致性得不到保证而带来镜频抑制较差这样的问题。基于数字信号处 理极大的优越性， 于是人们尝试在数字域分离 1 . q信号， 这种思考是合理的。 这同时也使得我们能在中频、甚至射频上对输入信号数字化。因此高速的数据 采集系统的研制也就成为我们必须做的工作。雷达中频数字接收机的工作框图 如图1 .3 所示。 电子 科技大学硕士论文 图 1 . 3 从上图可以看出，现代雷达接收机发展方向就是尽可能的将数据采集推向 射频。当然，数字化接收机的具体实现方式有很多种，除了上述采用数字本振， 还有直接中频正交采样。不管采用哪种方式，受系统理论要求和器件本身的保 持量化、孔径抖动的影响，高速数据采集都是必须的。 1 . 2 . 2 超宽带霄达信号的信息提取对高速数据采集的要求 根据雷达信号理论，超宽带雷达信号在现代雷达中的应用也越来越广泛， 我国在超宽带雷达信号领域也研制出了带宽4 0 0 m h z 的超宽带雷达信号。由莱 奎斯特定律，至少要大于两倍最高信号频率的采样率，信号才能重建，频谱才 不会混叠，信息才不会丢失。它的 信息提取也要求高速的数据采集系统来实现。 如果我们要评价一个超宽带雷达信号的好坏，通过高速数据采集的方式将 信号波形存入计算机，再仔细分析信号的各种指标。这时，高速数据采集系统 就成为一台分析雷达信号的测试仪器。 1 . 3 国内 外高速致据采集的 发展动态 从可购买到的 a / d器件来看，高速器件的速度高达1 . 5 g h z 的采样率，位 数一般为8 位。1 2 位的a / d器件最高速度一般不超过8 0 m h z 。器件的发展受 集成工艺的影响很大，随着近几年集成工艺的不断进步，器件性能飞速地发展。 我国在高速 a / d器件的研制上与国外的差距很大，随着改革开放的不断深入， 我国在微电子领域也有了一定的基础。 就成型的高速数据采集系统而言，我们向国外能买到的高速数据采集系统 速度一般在5 0 0 m h z 左右。并且他们己 经研制出了基于i s a和 p c i 接口的多种 系统。我国也研制出了5 0 0 m h z 的数据采集系统。其它是否有比这速度更高、 性能更先进的采集系统未见报道。 1 . 4作者的主 要工作及 本论文的 组织结构 电子科技大学硕士论文 在做论文的阶段，借助 ma x i m 公司的 a / d评估板，完成了数字化接收机 中高速数据采集系统的研制以及米波雷达信号源的产生。并且在前面工作的基 础上，自 主开发，成功地研制了两路高速数据采集系统。完成了“ 九五”计划 中超宽带雷达信号产生与信息提取课题中信息提取子课题的任务。 本论文共分为五章， 第一章绪论概述了高速数据采集系统的用途及意义。 第二章阐述了传统的模拟收机与数字接收机的相关理论，得出了数字化接收机 在功能上与模拟接收机的一致性，性能上的优越性。第三章系统表述了数据采 集的相关理论知识。第四章介绍了高速数据采集系统的设计与实现。第五章介 绍系统测试结果与性能分析。 电子科技大学硕士论文 第二章 传统接收机原理与数字接收机原理 2 . 1传统接收机原理 窄带信号都可以表示成以下形式 x ( t ) = a ( t ) c o s ( 2 机t + (d ( t ) )( 2 - 1 ) 式中a ( t ) 和。 ( t ) 为 基 带 信 号 ，其 最高 频率 远小 于.f p 我们把( 2 - 1 ) 式展开， 有 x ( r ) = a ( t ) c o s (d ( t ) c o s ( 2 响t ) 一 a ( t ) s i n (d ( t ) s i n ( 2 7 cf o t ) 设1 ( t ) = a ( t ) c o s ( o ( t ) )为同 相分量 q ( t ) = a ( t ) s i n ( a) ( t ) ) 为正交分量 1 . 1l x ( t ) = 1 ( t ) c o s ( 2 n f o t ) 一 q ( t ) s i n ( 2 ;rf o t ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 2 ) 式 两 边同 乘以2 c o s ( 2 响t ) 2 x ( t ) c o s ( 2 n f o t ) ， i ( t ) + i ( t ) c o s ( 4 响t ) 一 q ( t ) s in ( 4 喃t ) 上 式 右 边后 两 项 分 量的中 心 频 率 在2 f o 处 ， 对 于窄 带 带 通 信号 ， 它 们远 离a ( t ) 的 谱而不重叠， 因此通过低通滤波器就可得到i ( t ) .同理可用同样的方法得到 q ( t ) 。 因此传统的接收机原理框图如图2 . 1 所示: 电子科技大学硕士论文 c o s ( 2 域 t ) 图2 . 1 传统接收机框图 2 . 2 传统接收机存在的主 要问 题 由于模拟器件的电气特性的不一致性，导致模拟正交双通道的特性不一致。 具体表现为幅相不一致而导致负频率抑制比较低.这不一致性具体来说包括两 路模拟本振的非完全正交、两路模拟低通滤波器的滤波特性的不完全一致性及 两路 a / d变换器在精度上的差别等方面。所以有必要对幅相不一致性问题进行 进一步的研究，主要是要分析幅相误差与镜像抑制比关系。下面就针对该问题 展开讨论分析. 2 . 2 . 1幅相误差与镜频抑制比 关系的理论分析 我们现在假设输入信号是载频为f的任意调制信号， 其具体表达式为: x ( t ) = r ( t ) c o s rc p t + o ( t ) ( 2 - 3 ) 可重写如下: x (t ) = r e z ( t ) d o0t ) = x ( r ) e j (o ot 2 + x (t ) q - j m t ( 2 - 4 ) 其中z ( t ) = r ( t ) e u ) 是实信号x ( t ) 的复包络， 它包含了信号x ( t ) 的全部调制信息， 而z ( t ) 是其复共扼。 若设本振信号频率同 样为。 。 ， 那么在理想正交解调情况下， 同相分量可写为: 电子 科技大学硕士 论文 x l ( 1 ) = 而正交分量可写为: y q ( 1 ) = x ( 1 ) x 2 c o s (co o t ) = r e x (1 ) ) + r e x (1 )e j 2 w t ( 2 - 5 ) x ( 1 ) x 一s in ( co o t ) = i m z ( t ) 一 i m z ( t ) e 0o ( 2 - 6 ) 可见: 经模拟滤 波输出 的1 , q 两路 信号合成后的 信号 正 好是 输入信号的复包络 x ( 小 而 在工 程实 现时， i , q 信 号 两路 存 在幅 相 误 差， 如以 i 路 为 标准， 则q 路 信号可写为: y q e ( t ) = x ( t ) x - 2 ( 1 + j 3 ) s in ( m o t + 儿 ) = ( i + q ) im x (t ) ) - im x ( t ) e 1 2 co t e i o, ( 2 - 7 ) 正交两路( i q ) 信号合成后形成的信号与理想合成信号 ( 复包络) 之间的误差 为 :y , ( t ) 二 j i m ( 1 + b ) e - i 一 1 z ( t ) ( 2 - 8 ) 如幅度误差和相位误差都很小且相位误差用弧度表示时， 有如下近似: ( i + / 1 ) e - o, 一 i 6 一 a ( 2 - 9 ) 再令理想输出 信号为y ( 小 则误差表达式化为: y 2 s 2 h， 即人? 2 f 。 ，这将 这就是 著名的 奈愧斯特采样定理。当 然， 对f _ 2 九可以 通过 欠采样方面的 理论来解 决。 电子科技大学硕士论文 , ( 刃) 0 翔几2n , s 2 图3 . 6 当信号采样后，要能恢复为原来所包含的信息，在保证频谱不发生混叠的 情况下， 我们可以 将采样信号x . ( r ) 通过一个理想低通滤波器， 这个理想低通只 让基带频谱通过， 因而滤波器的带宽应等于折叠频率， 滤波器的特性如图3 . 7 所 不 。 cun) 0s l , / 2。 图 3 . 7 y ( 尽) ， 瓦( 户) g ( j f2 ) 二 x 4 ( j o ) ( 3 - - 8 ) 从频域上看，由3 -8 式可知，能 通过低通滤波恢复x ( r 。 下面我们从时域来看其恢复的过程。 理想低通g ( j f 2 ) 的冲激响 应 8 (r) = 21r 争 (jq )edt t .n ,/ife 2 ; t 尸, 0 d q 电子科技大学硕士论文 s i n一 r =t ( 3 - 9 ) 其输出 v ( t ) _介 。( r ) g ( t 一 r ) d r一 胳o (r)s(r- nt+ t一 、 = 叉x . ( n t ) g ( t - n t ) ( 3 - 1 0 ) g ( t 一 n t ) s in 于 l 一 ” i ) ( 3 - 1 1 ) t 一n t 3 -1 1 式称为内插函数，其波形如图 3 . 8所示。将 3 -1 1 式代入 3 -1 0 式 有: ， ( ) = x o ( t) = 工x . ( n t ) .汀，。 、 s in 于 l r 一 ” i ) ( 3 - 1 2 ) 万_、 一 ( t 一ny) t - 式 3 -1 2即为采样内插公式，在每个采样点。 t 上，具有该采样值不为 0 , 所以其能保证各采样点上信号不变，对于在不为n t的这些时刻，即为各采样 函数延伸叠加而成。 这从时域上解释满足采样定理的信息恢复。 当然，实践中不可能通过计算内插公式恢复信息，这样各点计算量太大。 实际工程中常通过一个d / a 变换器加低通滤波器恢复原来信息如图3 . 9所示。 图( a )图( b ) 图 3 . 8 电子科技大学硕士论文 x ( n )d / a 转 换 xl t 图3 . 9 3 . 2 . 3，化与f化误差 1 、it化 量化就是把采样信号的幅值与量化单位比较。 量化单位定义为量化器满量程电压f s r ( f u l l s c a l e r a n g e ) 与2 ” 的比 值，用9 表示， 2 , f化方法 。_ . 一f s r 困j t r 月 q二， 二 广 艺 ( 3 - 1 3 ) ( 1 ) “ 只舍不入”的量化 图 3 . 1 0 “ 只舍不入” 量化过程 所谓只舍不入的量化，是指信号中幅度小于量化单位的部分一律舍去。 如图3 . 1 0 所示。 当0 x , ( n t ) q 时， x , ( n t ) = 0 ; 当q . x , ( n t , ) 2 q 时 ， x 9 ( n t ) = q ; 当2 q x j n t ) 3 q 时 ， x y ( n t , ) = 2 q ; . 等 等。 ( 2 ) “ 有舍有入”的量化 “ 有舍有入”量化是将采样信号幅值与量化电平相比较，离幅值最近的 量化电平作为信号在该时刻的量化值。其过程如图3 . 1 1 所示。 电子科技大学硕 1 丁 论文 当 “ x , (n t ) l ) 和 窄 微带 线 ( 叫2 h 1 的宽 微带线， 6 0 z _ c , 里+ 工 in 4 十 2 h z 8 _ 十1 .9 甲 i n一 ( - + u . 2 z e , 2 2 h 9 4 ) + ， 一 1 ，e 7 t z 一 甲 z m下 忘 犷 e , 1 0 6 0 ,t/ 1i0 , w2h 0.441 + e, 1 2)rs, ,.( w2h 一 ， 4) 一 ， 51l+ s, z 1一 “82 此式相 对误差小 于1 % 式中e = 2 . 7 2 . 对 于 w 1 h 的 窄 微 带 线 ， : 。 = 6 0 in - + 与n 生 e , + 1 f , 8 h i ( w ) i : ， 一 i i i n十 i 一一 l w 3 2 h ) 2 。 + 1 2 ， 汀 此式的相对误差也小于1 %e 带状线 电子科技大学硕士论文 一州卜 闷卜， bt ; r r i r r r r r 二 漏 ， 面 1甲/ / 图4 . 1 8带状线结构 图 4 . 1 8示出了带状线的结构。带状线是一条置于两层导电平面之间的电 介质中间的铜带线。如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电 平面 间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。带状线的特性阻抗为 6 0 ， f 5 .9 8 b z _ -i n l 1 j e , l i r ( o .8 w+ r ) j 式中， b 是两块地线板之间的 距离; w是线宽; t 是线的厚度。 在w / ( b - t ) 0 . 3 5 和t / 6 0 .2 5 的情况下，用这个公式来计算机是足够精确的。 带状线是完全嵌入印制板内，故由印制板材料决定介电常数。 4 .6 数字地与模拟地 对包含数字和模拟两种电路的系统，尤其是带有 a / d或 d / a的器件，数 字地与模拟地的处理很重要，因为这将大大影响系统的动态范围。一般来讲， 数字部分因为常常有较大的浪涌电流和脉冲的高频干扰，一旦藕合到模拟部 分，就会降低 a / d或 d / a的动态性能。任何电路互连，最终都要共地，即模 拟地和数字地将互连，如果我们并不大面积的将它们连在一起，仅单点连接， 可以极大的限制数字地对模拟地的影响。国外的处理方法也常通过一电感连接 数字地和模拟地，以通低阻高来达到抑制高频干扰的目的。类似，对电源的处 理也可通过电感分开，防止通过电源线干扰。 本系统采用独立的地线层，分为两块 ( 模拟和数字地) ，模拟和数字部分 通过电感单点连接。 互 4 . 7 小结 本章首先介绍了基于评估板的高速数据采集系统的设计。其次详细介绍 了自 主开发、选用m a x 1 0 6 芯片的高速数据采集系统的设计思路及其基本组成 原 理。 最后围 绕 m a x 1 0 6 a / d芯片， 考虑器件成本、 可获取器件资源、 设计的 可实现性来对几种方案对比得