作為一種基于標(biāo)準(zhǔn)PCI的高性能總線，CompactPCI（以下簡稱CPCI）總線測(cè)量平臺(tái)技術(shù)融合了電腦與工業(yè)設(shè)備諸多的標(biāo)準(zhǔn)，既吸收了PC機(jī)最新的技術(shù)成果，又具有滿足通信和工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用所必須的更堅(jiān)固、更可靠、模塊化、易使用、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。[1]任意波形發(fā)生器是CPCI測(cè)試系統(tǒng)中一種重要的信號(hào)源模塊，它不僅可以產(chǎn)生常規(guī)波形以及各種調(diào)制波形，還可以根據(jù)用戶的需求生成任意波形。目前，任意波形發(fā)生器大都采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，頻率分辨率高，切換速度快，在通信、電子對(duì)抗、雷達(dá)測(cè)試中得到廣泛應(yīng)用。[2]本設(shè)計(jì)目標(biāo)為CPCI 3U單槽單通道任意波形發(fā)生器模塊，采樣速率40MSPS，支持熱插拔。

1 總體硬件方案

    CPCI任意波形發(fā)生器的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由CPCI接口、DDS波形合成單元、模擬通道等組成。

圖1 CPCI任意波形發(fā)生器硬件框圖

    DDS波形合成單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，分為高速DDS和低速DDS兩個(gè)部分。高速DDS產(chǎn)生除調(diào)幅外的所有波形以及調(diào)幅時(shí)的載波信號(hào)，低速DDS除了在調(diào)幅的時(shí)候產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)以外，還在掃頻，F(xiàn)SK調(diào)制，F(xiàn)M調(diào)制中產(chǎn)生信號(hào)來控制高速DDS；CPCI接口采用PCI 9030，提供CPCI系統(tǒng)總線與本地總線之間的數(shù)據(jù)交換；FLASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)各種常規(guī)波形以及儀器的初始狀態(tài)；模擬通道位于信號(hào)通道的末端，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形參數(shù)的控制，包括波器組、調(diào)幅電路，加偏電路，線性放大電路等部分。濾波器組根據(jù)輸出波形的不同對(duì)DDS輸出的信號(hào)進(jìn)行不同的濾波處理；調(diào)幅電路利用乘法器，實(shí)現(xiàn)調(diào)幅功能；幅度精調(diào)電路、加偏電路、線性放大電路對(duì)輸出波形的幅度、偏移進(jìn)行控制。

2 功能電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    2.1 DDS任意波形合成

    DDS的基本原理如圖2所示[3]，主要由相位累加器、RAM查找表、D/A變換器（DAC）和低通濾波器（LPF）四部分組成。其基本工作過程為：相位累加器在累加時(shí)鐘的控制下完成累加操作，產(chǎn)生輸出波形的相位信息。RAM查找表完成相位信息與波形幅度之間的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)送DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過低通濾波后產(chǎn)生想要的輸出波形。

圖2  DDS的基本原理框圖

    本文所介紹的DDS波形合成單元如圖3所示，用于產(chǎn)生頻率連續(xù)可調(diào)的任意波信號(hào)。高速DDS用于產(chǎn)生需要輸出的波形，低速DDS根據(jù)不同的調(diào)制方式產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)（數(shù)據(jù)），根據(jù)調(diào)制方式的不同控制高速DDS頻率控制字的變化規(guī)律。例如，掃頻時(shí)的調(diào)制信號(hào)為正向/反向鋸齒波，使高速DDS的輸出信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)線性遞增/遞減，完成向上/向下掃頻。由于創(chuàng)新性的采用雙DDS結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目所實(shí)現(xiàn)的信號(hào)頻率調(diào)制，調(diào)制信號(hào)和被調(diào)制信號(hào)都可以是任意波形，可實(shí)現(xiàn)任何常見或特殊的頻率調(diào)制。[4]

圖3 DDS波形合成單元原理框圖

    2.2 任意波形發(fā)生器的濾波處理

    2.2.1 DDS的頻譜特點(diǎn)

    基于DDS的任意波形發(fā)生器頻率分辨率高、切換速度快，但也具有頻譜分量復(fù)雜，雜波多的缺點(diǎn)。濾波器起著保持有效分量、抑制雜波的作用，對(duì)輸出波形質(zhì)量的好壞至關(guān)重要。從DDS的原理可知，在不考慮查找表地址的舍位和波形幅度量化位數(shù)的情況下，相位查找表中的內(nèi)容可以看做是對(duì)連續(xù)信號(hào)的理想抽樣，抽樣后的信號(hào)通過DAC轉(zhuǎn)換后進(jìn)行濾波處理，圖4為DDS信號(hào)產(chǎn)生及濾波的信號(hào)模型：

圖4 DDS信號(hào)產(chǎn)生及濾波模型

    圖中，f(t)為輸入信號(hào)，p(t)是周期為T的抽樣脈沖，h0(t)是DAC信號(hào)模型，hr(t)是濾波器信號(hào)模型。

    抽樣信號(hào)fs(t)可以表示為：

    由頻域卷積性質(zhì)可得抽樣信號(hào)頻譜為：

    
            圖5 經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的DDS輸出頻譜

    2.2.2 濾波器組的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    假設(shè)被采樣信號(hào)為正弦信號(hào)，由圖5所示可以看出，DDS輸出信號(hào)的頻率分量將出現(xiàn)在 (fS是采樣時(shí)鐘的頻率，f0是輸出信號(hào)的頻率)。

    基于DDS的任意波形發(fā)生器輸出波形種類豐富，頻譜復(fù)雜，不能采用單一的濾波器進(jìn)行濾波，必須根據(jù)輸出波形的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的濾波器：

    1.對(duì)于輸出的正弦信號(hào)，理想的頻譜為單一譜線，但實(shí)際輸出信號(hào)中必然有雜散存在。為了更好的抑制諧波失真和非諧波失真，選用了過渡特性陡峭，截止頻率為17MHz的7階橢圓濾波器完成正弦信號(hào)的濾波。

    2.對(duì)于鋸齒波、三角波、指數(shù)波和任意波等，信號(hào)本身的諧波成分復(fù)雜，為了正確地復(fù)現(xiàn)波形，不僅要求濾波器的通帶包含十次以上的諧波分量，同時(shí)通帶內(nèi)不同頻率分量的延遲應(yīng)盡可能保持一致，即濾波器相位和群延遲特性必須良好。綜合以上原因選用相移為0.05o,截止頻率42MHz的7階線性相位濾波器完成復(fù)雜波形的濾波。

    2.2.3 幅頻特性的濾波校正

    由于DAC的保持特性，D/A轉(zhuǎn)換后輸出的信號(hào)頻譜是以Sa函數(shù)（sinx/x）為包絡(luò)的。假設(shè)輸出頻率f0=1KHz時(shí)，幅度A=1，通過計(jì)算得知：當(dāng) f0=15MHz時(shí)，A=0.7568，即隨著信號(hào)頻率的增加，輸出幅度逐漸下降。高性能的任意波形發(fā)生器要求信號(hào)在整個(gè)帶寬范圍有較平坦的幅度曲線，本設(shè)計(jì)中采用LC諧振電路來對(duì)幅頻特性進(jìn)行校正。

    LC諧振電路如圖6(a)所示，傳遞函數(shù)為：

    LC諧振電路實(shí)質(zhì)是一種帶通濾波器，在諧振點(diǎn)附近對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，而在其它頻率點(diǎn)對(duì)信號(hào)抑制，如圖6(b)所示。利用這一特性，在7階橢圓濾波器的輸入端并聯(lián)一個(gè)LC諧振電路來進(jìn)行正弦信號(hào)幅頻特性的校正。通過計(jì)算，本項(xiàng)目選擇L＝180nH，C＝620pF，諧振頻率f＝15.06MHz。

圖6 LC諧振電路及其傳遞特性

    實(shí)際調(diào)試中，采用ROHDE&SCHWARZ公司的手持頻譜儀FSH3對(duì)校正前后的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1所示，可以看出，經(jīng)過校正后幅度的平坦性得到明顯提高。

表1 幅頻校正對(duì)比數(shù)據(jù)

    2.3 支持熱插拔的CPCI接口

    隨著軍用電子、電信與數(shù)據(jù)通訊產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，要求系統(tǒng)本身具備很高的可靠性，一旦出現(xiàn)問題時(shí)，必須在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行，同時(shí)保持操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這就需要各功能模塊具有熱插拔功能，在更換模塊的同時(shí)不影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行。支持熱插拔功能的CPCI接口利用PCI9030、LTC1644和IRF7413實(shí)現(xiàn)。其總體結(jié)構(gòu)如圖7所示：

圖7 CPCI接口結(jié)構(gòu)框圖

    PCI 9030是PLX公司推出的一款PCI接口芯片，可實(shí)現(xiàn)CPCI接口功能，提供CPCI總線與本地?cái)?shù)據(jù)總線之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。它采用了PLX先進(jìn)的SMARTarget技術(shù)，具有業(yè)界最活的局部總線，為各種存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備提供了可選用的接口。EEPROM根據(jù)用戶選擇工作模式和資源的不同對(duì)PCI 9030進(jìn)行初始化。熱插拔功能的關(guān)鍵是總線隔離方法和供電管理功能的實(shí)現(xiàn)，LTC 1644與IRF 7413配合使用，控制3.3V、5V、12V、-12V電源的上電順序。其中，PCI 9030的早期電源由CPCI接口的長針直接供電，同時(shí)禁止用戶的功能模塊在CPCI總線上直接取電，功能模塊所需要的3.3V和5V由相應(yīng)的輸出場(chǎng)效應(yīng)管IRF7413供給，12V和-12V電源由LTC 1644供給。另外PCI 9030和LTC 1644還提供對(duì)總線的預(yù)充電功能，減小拔插模塊過程中對(duì)總線的沖擊。[5]

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

    實(shí)驗(yàn)中，采用Tektronix公司的示波器TDS3052B與ROHDE&SCHWARZ公司的手持頻譜儀FSH3對(duì)所設(shè)計(jì)的CPCI任意波形發(fā)生模塊進(jìn)行了測(cè)試，圖8是輸出頻率為15MHz，的正弦信號(hào)頻譜，頻譜儀設(shè)置的起始頻率為0Hz，截止頻率為75MHz。從圖中可以看出，該信號(hào)的諧波失真優(yōu)于45dB，非諧波失真優(yōu)于55dB。圖9是使用該任意波形發(fā)生器模塊產(chǎn)生的頻率為1MHz的任意波形。

圖8 CPCI任意波形發(fā)生模塊產(chǎn)生的正弦波頻譜

圖9 CPCI任意波形發(fā)生模塊產(chǎn)生的任意波形

    本文所述任意波形發(fā)生模塊于2005年12月通過驗(yàn)收，通過虛擬控制軟面板或儀器驅(qū)動(dòng)器，能方便的產(chǎn)生多種常規(guī)波形、任意波形以及數(shù)字調(diào)制波形。目前該模塊運(yùn)用在電子科技大學(xué)和XXX廠合作的某自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)特征信號(hào)的模擬與再現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)
[1]凌華科技集團(tuán),新一代的總線標(biāo)準(zhǔn)-CPCI[C].中國數(shù)據(jù)通信2003,7:92-94
[2]王永,劉志強(qiáng),劉碩.DDS在任意波形發(fā)生器中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)，2001,4:22-23
[3]田書林,劉科,周鵬,基于雙DDS的高速任意波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報(bào). 2004,4:557-560
[4]Analog Devices Inc, A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis[EB/OL]. www.analog.com. 1999
[5]PLX Technology Inc, PCI 9030 Data book.[EB/OL] http://www.plxtech.com. 2002.