寬帶信號采集與處理系統(tǒng)分析

王世偉

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

寬帶信號采集與處理系統(tǒng)分析

王世偉

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

在寬帶信號采集和處理過程中，由于傳統(tǒng)寬帶信號采樣硬件成本昂貴，且數據處理效率低下，多數情況下，寬帶信號采集和處理效率相對較低。為突破傳統(tǒng)采樣定理限制，增強寬帶信號采集與處理效率，必須要進一步對寬帶信號采集與處理進行分析。

寬帶信號采集；處理系統(tǒng)；采集效率；網絡信號

1 寬帶信號采集處理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)采樣的主要對象為寬帶信號，也就是信號在一定頻譜范圍內只采用相對較窄的帶寬。其采集基本原理為：將輸入信號轉變?yōu)閷拵∈栊盘?，讓信號進入系統(tǒng)內部進行處理。通道中，信號首先需要與一個模擬信號相乘，之后經過模擬濾波器進行濾波處理，然后合理制定時間間隔頻率，讓系統(tǒng)根據指令開展采樣工作，從而得到采樣序列。對于模擬濾波器來說，通常都會采用低通濾波器，如果截止頻率為時域波形圖時，則可以通過周期信號，并在每個周內將時間段劃分，保障每個時間段的取值范圍在±1之間。

1.2 時域測試

在時域測試領域，通過波形捕獲率來衡量數據采集性能，并將其作為重要指標。波形捕獲率是指單位時間內時域數據采集系統(tǒng)所能捕獲并顯示的波形幅數。通過采用系統(tǒng)中一次觸發(fā)并完成采集同時顯示在屏幕中的采樣點，通常采用wfms表示。通過不同單位時間，采集系統(tǒng)所獲得的信息，進而顯示信息量的大小。通過采用無縫采集技術，顯示出時域采集系統(tǒng)在基本邊沿觸發(fā)模式下的采集過程。在檢測過程中，被檢測的正弦信號與觸發(fā)電平進行分析比較，從而產生系統(tǒng)觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖傳輸到采集系統(tǒng)中控制數據采集。在系統(tǒng)設置過程中，可以通過增加信號采集深度來調節(jié)采集系統(tǒng)屏幕的左端。設置完畢后，要根據系統(tǒng)的采集特點，如果出現啟動采集信號，觸發(fā)信號會明命令系統(tǒng)開始進行數據采集工作，直到波形緩沖區(qū)存滿，這時也就完成一次數據采集工作［1］。

1.3 數據采集

在第一次采集過程中會觸發(fā)脈沖，從而起到觸發(fā)并啟動的采集功能，這是一次有效脈沖觸發(fā)，而二次觸發(fā)脈沖同樣是在第一次采集過程中，但無法實現脈沖作用。由此可見，一次數據采集只能觸發(fā)一次脈沖。待到第一次采集工作完畢之后，即可進行脈沖二次采集，通過第二次采集到脈沖信號觸發(fā)的過程中，信息采集系統(tǒng)會處于待命階段，也就是等待脈沖觸發(fā)階段，直到第三次采集信號到來，才開始進行第二次采集，以此類推，反復重復這一過程［2］。

1.4 數字示波器時基設置

在數字示波器時基設置過程中，通常都會受到內部因素影響，嚴重影響波形鋪獲率，這是由于時基設置往往決定了采集顯示時間窗口。提高測量示波器的波形捕獲率的操作并不復雜，可以拓寬一部分示波器的信號發(fā)送通道，并將其他儀器與示波器同步觸發(fā)。因此，可以通過示波器提供的出發(fā)輸出信號特點，使外部計算器測量這個出發(fā)信號，檢測出平均頻率。設定信號發(fā)生器輸入單次雙脈沖測試信號，測試信號通常由窄脈沖和寬脈沖共同組成，脈沖會傳輸到波形觸發(fā)位置（兩個脈沖觸發(fā)位置不同），并且保證兩個脈沖位置之間保持一段距離，由于兩個脈沖相互獨立，并且在觸發(fā)過程中能夠實時調節(jié)，從而可以實現不同的帶寬形式。

2 寬帶信號采集與處理系統(tǒng)實踐

在采用測試儀器過程中，通常由信號采集、信號分析處理、數據存儲等三大部分組成。軟件系統(tǒng)包括信號分析、信號處理、回放顯示等。通過計算機將信號儲存，對信號進行后期處理，從而方便調節(jié)、使用，并對所收集的信號進行分析，將最終數據提煉出來，工作人員可以根據自身需求對最終數據進行有效篩選。

2.1 信號采集與存儲

在寬帶信號采集處理過程中，其核心步驟就是數據采集，如果數據采集環(huán)節(jié)出現問題，就會嚴重影響后續(xù)系統(tǒng)運作，并且采集環(huán)節(jié)與信號精準性有直接關系，信號采集需要工作人員設置相應的采集參數，采集頻率在一定程度上會對寬帶信號造成一定影響，為了能夠避免信號頻率出現不穩(wěn)定現象，可以通過奈奎斯特定律進行設置，也就是采用最低采樣頻率，在采集頻率過程中，頻率倍率最好為7～10倍。采用高頻率采集形式，主要是為了正確還原波形，從而得到最原始的波形。

此外，在信號采集過程中，需要系統(tǒng)分析之后才能夠開始下一輪采集工作，從而影響數據采集效率。因此，在寬帶信號采集與處理系統(tǒng)中，可以將單線程模式轉變?yōu)槎嗑€程模式，采用隊列狀態(tài)的形式實現信號采集，狀態(tài)機由一個while和case系統(tǒng)組成。while系統(tǒng)主要負責對完結信號進行連續(xù)采集，case系統(tǒng)則是在不同的操作狀態(tài)下實現不同的操作，并將case結構的分支與狀態(tài)一一對應，其內部程序主要為狀態(tài)行為，對壘狀態(tài)機即是將所需要的狀態(tài)進行排隊，并將狀態(tài)序列存在的隊列中，通過調動隊列轉臺序列從而實現跳轉，如果某個數據被應用完畢之后，即可采用Dequeue Element VI程序將其從隊列中刪除，根據實際需求對狀態(tài)序列進行分析，從而制造一個循環(huán)系統(tǒng)，不斷對信號數據進行采集，并將采集到的信息放入隊列中，而另外一個循環(huán)系統(tǒng)，則可以不斷地從隊列中讀取數據信息進行處理，實現兩個系統(tǒng)通信互動，二者相互沒有影響。

2.2 信號分析與處理系統(tǒng)

信號分析與處理是寬帶信號采集中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，主要目的是將被檢測信息進行系統(tǒng)分析處理，進而提供強大的處理包，如時頻分析、小波分析、時間順序分析等，從而極大地提高測試人員的工作效率，提高寬帶信號質量。在頻譜分析中，主要將信號頻率加以分析，分析不同頻率信號的特征，從而抓住有效的信息。通過頻譜分析程序，根據不同的寬帶信號在頻域中分析，其中，Lab-VIEW接收信號非常強大，外部程序結構相對較多，可以有效利用該軟件的變化優(yōu)勢，如MATLAB接口，本系統(tǒng)利用MATLAB接口進行編程對信號進行功率譜分析。MATLAB編程如下所示：

fs=1000000;nfft=10240;figure(1);Y=abs(fft(x,nfft));plot ((0:nfft/2-1)/nfft*fs,Y(1:nfft/2));xlabel(‘頻率 f/Hz’);ylabel (‘功率譜P/W’)

周邊環(huán)境中會存在不同頻率的電磁波，會在一定程度上影響信號采集，從而影響信號采集頻率或精準度，系統(tǒng)無法找出信號源的具體位置與特征。而小波分析就是一種有效的除噪方法，主要原理是通過一種小波，對信號的各個層級小波進行分析，之后在各個層級中選擇一個閥值，并對細節(jié)系統(tǒng)數據進行軟閥值處理，降噪之后可以通過處理系數小波重建恢復信號。小波基的選擇轉換為正交鏡像濾波器的選擇，從而保障系統(tǒng)的對稱性與精準性。

2.3 無縫采集示波器設計

通過在每道采用2片采樣率為3GSPS的ADC構成并行交替采集系統(tǒng)來實提高6GSPS的采樣率，并通過高性能FPGA作為核心邏輯控制單元，從而發(fā)揮系統(tǒng)的重塑性與靈活性特點，在FPGA中采用的高速采樣數據流，通過非均衡實時矯正、無縫采集體系結構、觸發(fā)同步、高速大容量數據的特征檢測功能模塊，采用DPS作為系統(tǒng)的核心處理器，是實現寬帶信號采集與處理系統(tǒng)控制的人機交互功能，實踐展寬電路輔助觸發(fā)同步模塊，將微小的時間間隔放大，并將信號傳送回FPGA中進行檢測，從而實現一個系統(tǒng)輪回，提高寬帶信號質量。

3 結語

在寬帶信號采集與處理系統(tǒng)中，要重點減少外部、內部因素的影響，通過時間間隔、數據排列等方法，最大程度降低影響，從而保障寬帶信號質量。

［1］方瑋.寬帶無縫采集示波器的設計與應用［J］.制造業(yè)自動化，2011（4）：57-59.

［2］馬永輝，劉康，楊大志.基于LabVIEW的聲發(fā)射信號采集分析與處理系統(tǒng)［J］.煤礦機械，2011（2）：258-261.

Analysis of Wideband Signal Acquisition and Processing System

Wang Shiwei（Sichuan Jiuzhou Electrical Refco Group Ltd.，Mianyang Sichuan 621000）

Through the use of ultra wideband communication,ultra wideband signal processing,the traditional broadband signal sampling hardware is expensive,and the data processing efficiency is low,a lot of broadband signal take efficiency is relatively low.In order to break through the limitation of traditional sampling theorem,some theoretical knowledge is developed to enhance the efficiency of wideband signal acquisition.

wideband signal acquisition；processing system；acquisition efficiency；network signal

TN957.51

A

1003-5168（2017）07-0034-02

2017-06-02

王世偉（1982-），男，工程師，研究方向：高速信號處理系統(tǒng)。