作為一種基于標準PCI的高性能總線，CompactPCI（以下簡稱CPCI）總線測量平臺技術融合了電腦與工業(yè)設備諸多的標準，既吸收了PC機最新的技術成果，又具有滿足通信和工業(yè)實時應用所必須的更堅固、更可靠、模塊化、易使用、易維護的優(yōu)點。[1]任意波形發(fā)生器是CPCI測試系統(tǒng)中一種重要的信號源模塊，它不僅可以產生常規(guī)波形以及各種調制波形，還可以根據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，頻率分辨率高，切換速度快，在通信、電子對抗、雷達測試中得到廣泛應用。[2]本設計目標為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)生器的總體硬件結構如圖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系統(tǒng)的核心，分為高速DDS和低速DDS兩個部分。高速DDS產生除調幅外的所有波形以及調幅時的載波信號，低速DDS除了在調幅的時候產生調制信號以外，還在掃頻，F(xiàn)SK調制，F(xiàn)M調制中產生信號來控制高速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)據交換；FLASH存儲器存儲各種常規(guī)波形以及儀器的初始狀態(tài)；模擬通道位于信號通道的末端，實現(xiàn)對輸出波形參數(shù)的控制，包括波器組、調幅電路，加偏電路，線性放大電路等部分。濾波器組根據輸出波形的不同對DDS輸出的信號進行不同的濾波處理；調幅電路利用乘法器，實現(xiàn)調幅功能；幅度精調電路、加偏電路、線性放大電路對輸出波形的幅度、偏移進行控制。
2 功能電路設計與實現(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鐘的控制下完成累加操作，產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換，產生的波形數(shù)據送DAC進行數(shù)模轉換，再經過低通濾波后產生想要的輸出波形。
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，用于產生頻率連續(xù)可調的任意波信號。高速DDS用于產生需要輸出的波形，低速DDS根據不同的調制方式產生調制信號（數(shù)據），根據調制方式的不同控制高速DDS頻率控制字的變化規(guī)律。例如，掃頻時的調制信號為正向/反向鋸齒波，使高速DDS的輸出信號頻率實現(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結構，本項目所實現(xiàn)的信號頻率調制，調制信號和被調制信號都可以是任意波形，可實現(xiàn)任何常見或特殊的頻率調制。[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
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雜，雜波多的缺點。濾波器起著保持有效分量、抑制雜波的作用，對輸出波形質量的好壞至關重要。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，相位查找表中的內容可以看做是對連續(xù)信號的理想抽樣，抽樣后的信號通過DAC轉換后進行濾波處理，圖4為DDS信號產生及濾波的信號模型：
圖4 DDS信號產生及濾波模型
圖中，f(t)為輸入信號，p(t)是周期為T的抽樣脈沖，h0(t)是DAC信號模型，hr(t)是濾波器信號模型。
抽樣信號fs(t)可以表示為：
由頻域卷積性質可得抽樣信號頻譜為：
圖5 經D/A轉換后的DDS輸出頻譜
2.2.2 濾波器組的設計與實現(xiàn)
假設被采樣信號為正弦信號，由圖5所示可以看出，DDS輸出信號的頻率分量將出現(xiàn)在 (fS是采樣時鐘的頻率，f0是輸出信號的頻率)。
基于DDS的任意波形發(fā)生器輸出波形種類豐富，頻譜復雜，不能采用單一的濾波器進行濾波，必須根據輸出波形的特點選擇相應的濾波器：
1.對于輸出的正弦信號，理想的頻譜為單一譜線，但實際輸出信號中必然有雜散存在。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的濾波。
2.對于鋸齒波、三角波、指數(shù)波和任意波等，信號本身的諧波成分復雜，為了正確地復現(xiàn)波形，不僅要求濾波器的通帶包含十次以上的諧波分量，同時通帶內不同頻率分量的延遲應盡可能保持一致，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轉換后輸出的信號頻譜是以Sa函數(shù)（sinx/x）為包絡的。假設輸出頻率f0=1KHz時，幅度A=1，通過計算得知：當 f0=15MHz時，A=0.7568，即隨著信號頻率的增加，輸出幅度逐漸下降。高性能的任意波形發(fā)生器要求信號在整個帶寬范圍有較平坦的幅度曲線，本設計中采用LC諧振電路來對幅頻特性進行校正。
LC諧振電路如圖6(a)所示，傳遞函數(shù)為：
LC諧振電路實質是一種帶通濾波器，在諧振點附近對信號進行放大，而在其它頻率點對信號抑制，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LC諧振電路來進行正弦信號幅頻特性的校正。通過計算，本項目選擇L＝180nH，C＝620pF，諧振頻率f＝15.06MHz。
圖6 LC諧振電路及其傳遞特性
實際調試中，采用ROHDE&SCHWARZ公司的手持頻譜儀FSH3對校正前后的波形數(shù)據進行了測試，結果如表1所示，可以看出，經過校正后幅度的平坦性得到明顯提高。
表1 幅頻校正對比數(shù)據
2.3 支持熱插拔的CPCI接口
隨著軍用電子、電信與數(shù)據通訊產業(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，必須在很短的時間內恢復正常運行，同時保持操作系統(tǒng)的正常運行，這就需要各功能模塊具有熱插拔功能，在更換模塊的同時不影響其它設備的正常運行。支持熱插拔功能的CPCI接口利用PCI9030、LTC1644和IRF7413實現(xiàn)。其總體結構如圖7所示：
圖7 CPCI接口結構框圖
PCI 9030是PLX公司推出的一款PCI接口芯片，可實現(xiàn)CPCI接口功能，提供CPCI總線與本地數(shù)據總線之間的數(shù)據轉換。它采用了PLX先進的SMARTarget技術，具有業(yè)界最活的局部總線，為各種存儲器和I/O設備提供了可選用的接口。EEPROM根據用戶選擇工作模式和資源的不同對PCI 9030進行初始化。熱插拔功能的關鍵是總線隔離方法和供電管理功能的實現(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由相應的輸出場效應管IRF7413供給，12V和-12V電源由LTC 1644供給。另外PCI 9030和LTC 1644還提供對總線的預充電功能，減小拔插模塊過程中對總線的沖擊。[5]
3 實驗與結論
實驗中，采用Tektronix公司的示波器TDS3052B與ROHDE&SCHWARZ公司的手持頻譜儀FSH3對所設計的CPCI任意波形發(fā)生模塊進行了測試，圖8是輸出頻率為15MHz，的正弦信號頻譜，頻譜儀設置的起始頻率為0Hz，截止頻率為75MHz。從圖中可以看出，該信號的諧波失真優(yōu)于45dB，非諧波失真優(yōu)于55dB。圖9是使用該任意波形發(fā)生器模塊產生的頻率為1MHz的任意波形。
圖8 CPCI任意波形發(fā)生模塊產生的正弦波頻譜
圖9 CPCI任意波形發(fā)生模塊產生的任意波形
本文所述任意波形發(fā)生模塊于2005年12月通過驗收，通過虛擬控制軟面板或儀器驅動器，能方便的產生多種常規(guī)波形、任意波形以及數(shù)字調制波形。目前該模塊運用在電子科技大學和XXX廠合作的某自動測試系統(tǒng)中，實現(xiàn)雷達特征信號的模擬與再現(xiàn)。
參考文獻
[1]凌華科技集團,新一代的總線標準-CPCI[C].中國數(shù)據通信2003,7:92-94
[2]王永,劉志強,劉碩.DDS在任意波形發(fā)生器中的應用[J].儀表技術，2001,4:22-23
[3]田書林,劉科,周鵬,基于雙DDS的高速任意波發(fā)生器實現(xiàn)技術[J].儀器儀表學報. 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.