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摘要：合成儀器技術采用標準總線架構，開放性、靈活性與可擴展性非常強，能夠滿足不同應用需求。該文按照軟件無線電設計思路，采用模塊化設計方式，通過綜合化射頻微波信號發生調理通道，開放硬件平臺并支持軟件用戶二次開發，方便第三方做定制化應用開發及系統解決方案。該文設計的通用信號產生方法，只需要一套通用硬件平臺，通過動態加載方式實現各種所需信號產生，可靈活方便地滿足各種信號產生需求，也可應用于大型自動測試系統構建。

關鍵詞：合成儀器；標準總線；軟件無線電

引言

美國Agilent、Aeroflex、PhaseMatrix、NI等公司非常重視合成儀器的研制。最早開發合成儀器的是Aeroflex公司系統部，該公司于1996年向衛星通信制造商提供了第一套基于VXI總線的合成射頻/微波測試系統STI1000，用于工廠的衛星有效載荷測試，該設備工作頻率0.2～32GHz，輸出功率精度達0.1dB，它可以實現傳統儀器進行的測量，如功率計、頻譜儀、網絡分析儀、示波器、噪聲系數分析儀[1]。合成儀器技術通過標準總線接口將一系列基本硬件資料和軟件資源進行組裝整合形成可配置系統。可利用數字信號處理技術來產生信號和進行測量[2]，并實現標定、校正等功能，完成不同的測量任務。其核心思想是基于模塊化概念和組件技術，將傳統儀器分割成一些基本功能模塊，并結合高速處理器和現代總線技術，有效地增加測試系統的功能和靈活性，降低開發成本、提高測試效率，提供更小的物理尺寸和更長的產品生命周期支持，同時能兼顧到儀器結構和商業需求設計標準[3]。在很多測試應用場合，需要提供各種制式的測試激勵信號，如在對各種機載航空導航裝備測試時，需要提供儀表著陸、微波著陸、塔康、精密測距、無線電羅盤、信標、甚高頻全向信標等各種制式信號。若采用傳統的臺式儀器的方式，一種航空導航設備測試就需要對應一臺專用信號產生設備，這就需要配備大量的信號激勵源，測試規模將相當龐大，價格昂貴。特別是隨著航空導航裝備的種類越來越多，這就需要配備更多信號產生設備，測試資源規模越來越龐大，同時也不方便進行運輸。為滿足不同設備測試時信號產生與激勵需求，減少各種信號產生設備的種類，降低設備成本，本文提出一種基于合成儀器的通用信號產生方法，采用軟件無線電和模塊化設計思路，通過綜合化射頻微波通道，高度集成硬件平臺，通過動態加載方式實現各種制式信號的產生，滿足不同測試應用需求，特別適合小型化自動測試系統搭建。

1背景

不同設備測試時一般需要不同的激勵信號，包含信號制式的不同、帶寬不同以及頻率不同。以機載航空無線電導航裝備為例，主要包含羅蘭C設備、無線電羅盤設備、指點信號設備、儀表著陸設備、甚高頻全向信標設備、微波著陸設備、塔康設備、精密測距設備等。其中，微波著陸設備采用模擬調制、DPSK以及脈沖調制方式，調制方式最為復雜，信號樣式也極其繁雜；塔康設備和精密測距設備采用脈沖調制樣式；甚高頻全向信標設備采用調頻調幅混合調制方式；羅蘭C設備、無線電羅盤設備、指點信號設備采用模擬調制方式；儀表著陸設備采用多頻點模擬調制方式。另外從各頻率范圍看，信標設備(頻率75MHz)、羅盤設備(頻率150～1750kHz)、羅蘭C設備(頻率100kHz)、微波著陸設備(5031.0～5090.7MHz)、儀表著陸設備(頻率108MHz～335MHz)、塔康及精密測距設備(頻率962～1213MHz)，可知，頻率范圍最高不超過6GHz，最低頻率可達100kHz。另外，每種設備單波道帶寬不超過10MHz，波道數比較多。根據各種激勵信號的頻率范圍、信號制式等信號特征，本文采用軟件無線電設計思路，將射頻通道綜合化設計，射頻通道可產生覆蓋100kHz~6GHz頻率范圍信號；充分考慮各激勵信號特征形式，采用開放數字平臺和軟件平臺方式，通過動態可重構方式實現軟件和硬件的可重加載，從而實現不同激勵信號的產生。各種激勵信號除信號頻率不一樣外，其他信號格式和調制方式全部由數字平臺或軟件來實現，實現了不同激勵信號的平臺化設計[4]。

2通用信號產生平臺化設計

通用信號產生平臺采用PXI總線模塊化架構平臺設計思路，按照合成儀器設計標準，總結分析各激勵測試信號的信號制式、信號樣式等信號特征，采用軟件無線電方式，將硬件平臺高度綜合，實現通用化與可重構化的硬件平臺，并采用基于數字平臺的動態可重構加載技術，通過軟件對硬件的可重構，實現不同激勵信號的按需加載。只需要一套通用的硬件平臺，加載不同的測試應用軟件，就可實現不同信號特征的信號產生。

2.1通用信號產生硬件平臺設計

通用信號產生硬件平臺按照軟件無線電標準，采用標準總線模塊化設計思想，以"數字平臺+綜合化射頻通道"為核心，通過動態可重構方式，實現各種制式激勵信號的加載[5]。通用信號產生硬件平臺主要由一體化主控平臺、基帶信號產生模塊、IQ調制模塊、頻率合成模塊、信號前端模塊等組成[6]，如圖1所示。一體化主控平臺由標準零槽控制器、顯示器、鍵盤等組成，實現對各硬件模塊控制和數據交互、顯示等功能。基帶信號產生模塊是整個通用信號產生硬件平臺的核心，采用"標準總線+FPGA方式"的可動態加載方式，一體化主控平臺根據測試需求加載相應的FPGA程序，通過標準總線在線配置到基帶信號產生模塊，并完成相應的初始化和控制操作，實現相應的基帶信號產生功能[7]。頻率合成模塊為IQ調制模塊提供高純的載波本振信號，頻率范圍覆蓋100kHz~6GHz，輸出功率必須滿足IQ調制模塊直接上變頻驅動條件。IQ調制模塊將基帶信號產生模塊產生的基帶信號產生搬移到射頻載波本振信號上，采用正交調制直接搬移方式，實現寬頻段的信號上變頻。信號前端模塊對IQ調制模塊輸出的信號進行濾波、放大、衰減等調理。當通用信號產生平臺需要產生某種激勵測試信號時，一體化主控平臺生產相應的軟件代碼和FPGA程序，首先往基帶信號產生模塊動態可重構相應的數字代碼，然后開始初始化整個軟硬件平臺。初始化完成后主控平臺控制頻率合成模塊產生相應的本振信號給IQ調制模塊進行基帶上變頻，另外還完成對基帶信號產生模塊的配置和數據交互。最終通過信號前端模塊調理后輸出。

2.2通用信號產生軟件平臺設計

通用信號產生通過動態可重構方式實現不同激勵信號的產生，這就需要通用信號產生軟件平臺具備開發性、通用性、靈活可擴展性的軟件體系架構，可方便地實現各這種激勵信號產生。通用信號產生軟件平臺采用"總體軟件平臺+硬件測試資源配置+測試產生程序"的方式來實現?？傮w軟件平臺綜合考慮不同激勵信號產生的通用功能，形成穩健的軟件模塊，實現諸如測試資源軟件管理、運行、校準、數據維護、人機交互管理等功能；硬件測試資源配置對模塊資源進行靈活可靠的配置，以保證硬件資源的靈活可擴展性[8]。通用信號產生軟件平臺頂層有人機交互界面程序、測試產生程序、運行支持、測試程序、測試結果、校準功能等。人機交互界面提供一個良好友善的顯示界面，方便用戶進行直觀操作。測試產生程序支持用于根據不同激勵信號產生要求編寫和重構相應的軟件運行代碼。測試結果提供模擬信號產生情況，校準功能為寬頻段綜合化通道提供高質量的校準數據。測試產生程序包含通用測試模擬插件庫、專業測試模擬插件庫、實時信號處理動態配置模塊等，融合不同制式信號產生程序、不同應用產生程序等不同測試產生功能。設備驅動層實現對各種硬件資源的配置管理。除了對基帶信號發生模塊、IQ調制模塊、頻率合成模塊、信號前端模塊的配置外，還可靈活擴展配置其它模塊，保證平臺的模塊可擴展性。圖2所示為通用信號產生軟件平臺組成框圖。測試產生程序是針對不同的激勵信號產生需求，為實現其激勵需求而開發的軟件程序，如不同制式信號產生程序、不同應用產生程序、專用導航信號產生程序、專用雷達信號產生程序等。在各種激勵信號產生過程中，通過硬件測試資源配置軟件對使用的硬件資源進行配置，根據不同激勵信號的測試需求，在軟件平臺中選擇相應的信號產生程序，并顯示運行的結果。通用信號產生軟件平臺的核心是動態可重構，用戶可根據信號特征編寫相應的FPGA代碼和上位機軟件程序，最后通過比特流的方式并行加載到數字平臺上。加載完成后平臺對整個軟硬件進行全面的可重構，實現相應的信號產生功能。

3結論

本文提出一種基于合成儀器的通用信號產生方法。該方法采用標準總線架構的合成儀器技術，平臺的開放性、靈活性與可擴展性非常強，能夠滿足不同信號激勵測試應用需求。本文按照軟件無線電設計思路，采用模塊化設計方式，通過綜合化射頻微波信號發生調理通道，開放硬件平臺并支持軟件用戶二次開發，方便第三方做定制化應用開發及系統解決方案。本文設計的通用信號產生方法，只需要一套通用硬件平臺，通過動態加載方式實現各種所需信號產生，可靈活方便地滿足各種信號產生需求，也可應用于大型自動測試系統構建。

參考文獻：

[1]楊韜儀,王超,夏艷琴.基于并行DDS技術的寬帶通信信號模擬方法[J].微電子學,2014,44(6):789-792．

[2]李文意.淺析矢量信號發生器的進展歷程[J].國外電子測量技術,2015,34(3):7-9,12.

[3]習鄭虎,年夫順,樊曉騰,等.基于FPGA的多制式基帶信號發生器設計[J].計算機測量與控制,2011,19(10):2584-2586,2595.

[4]陳小敏,朱秋明,蘇君煦,等.基于FPGA的數字基帶信號源設計[J].電氣電子教學學報,2016,38(1):67-70.

[5]包可佳,唐琦.基于FPGA的高碼率QPSK信號產生方法[J].信息通信,2015,(9):82-84.

[6]聶偉,王昭輝,湯作偉.基于FPGA的數字調制器的實現[J].實驗技術與管理,2007,24(9):89-92.

[7]楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京:電子工業出版社,2001:179-180.

作者：張光山 宋淼 劉磊 付存文 楊宜生 單位：中國電子科技集團公司第四十一研究所