基于Roach II的數(shù)字頻譜儀開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)*

劉 曄，劉 奇，李 健，王 玥

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，頻率資源使用率越來(lái)越高，10 MHz～2 GHz頻段廣泛應(yīng)用于商用設(shè)備、通訊設(shè)備、廣播電視、航空導(dǎo)航、公共安全等，使該頻段的電磁環(huán)境異常復(fù)雜。由于射電天文業(yè)務(wù)具有高靈敏度和較寬工作頻率范圍的特點(diǎn)，因此，射頻干擾對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的影響越來(lái)越大，如寬帶、瞬態(tài)信號(hào)尤其是周期性瞬態(tài)信號(hào)對(duì)脈沖星觀測(cè)、快速射電暴(Fast Radio Burst, FRB)實(shí)時(shí)搜尋觀測(cè)的影響較大。同樣，寬帶、瞬態(tài)干擾源對(duì)連續(xù)譜觀測(cè)也有較大的影響，原因是寬帶、瞬態(tài)干擾導(dǎo)致帶寬內(nèi)總的積分功率相對(duì)較高。因此，如何捕捉寬帶、瞬態(tài)信號(hào)在射電天文觀測(cè)中顯得十分重要，只有捕捉并消除這些寬帶、瞬態(tài)信號(hào)才能保證射電天文的高效科學(xué)產(chǎn)出。

為緩解射頻干擾(Radio Frequency Interference, RFI)對(duì)天文觀測(cè)造成的影響，工程師在無(wú)線(xiàn)電寧?kù)o區(qū)建設(shè)、電磁干擾監(jiān)測(cè)、干擾信號(hào)捕捉、頻譜分析等方面投入大量精力。美國(guó)100 m綠岸射電望遠(yuǎn)鏡(Green Bank Telescope, GBT)將兩套射頻干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于臺(tái)站內(nèi)，其中，饋源臂附近的射頻干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用與接收機(jī)相同的本振信號(hào)進(jìn)行降頻處理，并使用2 × 40 MHz寬帶快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)頻譜儀，測(cè)試速度快且靈敏度高，能夠?qū)ε_(tái)站射頻干擾進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)[1]。荷蘭韋斯特博克綜合射電望遠(yuǎn)鏡(Westerberg Synthesis Radio Telescope, WSRT)觀測(cè)站開(kāi)發(fā)了頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，頻率范圍為20～3 000 MHz，將控制和數(shù)據(jù)分析集成于一體，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、搜尋、成圖等電波環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2-3]。500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, FAST)和上海天馬65 m射電望遠(yuǎn)鏡均建立了適合自身需求的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]。新疆天文臺(tái)為實(shí)現(xiàn)奇臺(tái)110 m全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡建設(shè)階段臺(tái)址各類(lèi)電磁干擾的有效監(jiān)測(cè)，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化、高可靠性的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)頻段為0.1～12 GHz，可實(shí)現(xiàn)各類(lèi)電磁信號(hào)的有效監(jiān)測(cè)[5]。

但上述電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)寬帶、瞬態(tài)電磁干擾信號(hào)的捕捉具有一定的局限性，如系統(tǒng)采用的商用頻譜儀的實(shí)時(shí)帶寬通常不超過(guò)40 MHz，且采用掃頻模式，頻譜測(cè)量效率較低[6-7]。所以，本文采用天文領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的Roach II硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成快速掃描模式和脈沖監(jiān)測(cè)模式的數(shù)字頻譜儀的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，為射電天文臺(tái)址寬頻帶、實(shí)時(shí)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)提供支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文基于Roach II開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)研制的數(shù)字頻譜儀，采用奈奎斯特采樣、多相數(shù)字濾波、快速傅里葉變換理論，通過(guò)改變通道數(shù)量和掃描時(shí)間實(shí)現(xiàn)快速掃描模式和脈沖監(jiān)測(cè)模式。

Roach II開(kāi)發(fā)平臺(tái)作為當(dāng)前天文領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的硬件平臺(tái)，具有可重構(gòu)開(kāi)放式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和獨(dú)立的可編程功能，同時(shí)更多的模塊化設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足不同性能指標(biāo)設(shè)計(jì)的要求。Roach II開(kāi)發(fā)平臺(tái)的構(gòu)造主要圍繞Virtex-6系列現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)構(gòu)建，可運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，有兩個(gè)Z-DOK接口，可接連多種輸入輸出接口的板卡，如模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換和其他設(shè)備等，在數(shù)字頻譜儀設(shè)計(jì)中主要用于連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)，當(dāng)前可用3 GS/s-8 bit，5 GS/s-8 bit，10 GS/s-4 bit等多款模數(shù)轉(zhuǎn)換器以滿(mǎn)足不同采樣帶寬的需求[8]。

如圖1，模數(shù)轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)奈奎斯特采樣，采樣量化后的數(shù)字信號(hào)首先經(jīng)過(guò)多相濾波器濾波處理并進(jìn)行通道劃分，然后信號(hào)經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，得到的頻域信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)，最后將數(shù)據(jù)矢量累加，經(jīng)緩存整合后存儲(chǔ)。

圖1 數(shù)字頻譜儀設(shè)計(jì)流程

1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣及選型

模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為數(shù)字采樣的重要組成部分，性能指標(biāo)和采樣率的合理設(shè)置是整個(gè)數(shù)字頻譜儀設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，確定頻段間隔的信號(hào)，為保證信號(hào)在采樣后完整地還原，采樣頻率必須大于等于該信號(hào)最高頻率的兩倍，即

fsample≥2fmax，

(1)

其中，fsample為采樣頻率；fmax為信號(hào)的最高頻率。

按照奈奎斯特采樣定理，設(shè)計(jì)2 G帶寬的數(shù)字頻譜儀要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率大于等于4 G，高采樣頻率會(huì)加大數(shù)據(jù)量，因此，在對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行選型時(shí)，對(duì)其性能有較高的要求。硬件平臺(tái)中采用型號(hào)為EV8AQ160的模數(shù)轉(zhuǎn)換器板卡，板卡內(nèi)部集成了1∶1和1∶2的數(shù)據(jù)多路分離器(Dmux)和低電壓差分信號(hào)(Low-Voltage Differential Signaling, LVDS)輸出緩沖器，可降低輸出數(shù)據(jù)率，方便與多種類(lèi)型的高速現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列直接相連，實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。同時(shí)EV8AQ160 板卡內(nèi)集成了4路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以工作在3種模式下，分別為采樣率1.25 Gsps的四通道模式、采樣率2.5 Gsps的雙通道模式和采樣率5 Gsps的單通道模式[9]。數(shù)字頻譜儀的開(kāi)發(fā)采用采樣率為5 Gsps的單通道模式，輸出數(shù)據(jù)寬度為8 bit。另外，為了補(bǔ)償由于器件參數(shù)離散和傳輸路徑差異造成的采樣數(shù)據(jù)誤差，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器板卡針對(duì)每路模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的積分非線(xiàn)性、增益、偏置、相位做了控制和校正。

1.2 多相數(shù)字濾波

如何實(shí)現(xiàn)抽取前或內(nèi)插后的數(shù)字濾波是采樣率變換的一個(gè)十分重要的問(wèn)題，為避免其在采樣過(guò)程中出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)尤為重要[10]。

假設(shè)x(m)為輸入信號(hào)，y(m)為信號(hào)輸出，定義其δ函數(shù)為δ(m)，表達(dá)式可表示為

(2)

卷積形式：

y(m)=δ(m)*x(m).

(3)

基于數(shù)字濾波器的原理，在數(shù)字頻譜儀開(kāi)發(fā)中運(yùn)用多相數(shù)字濾波算法，其信道劃分如圖2。假設(shè)有限脈沖響應(yīng)濾波器(Finite Impulse Response Filters, FIR)的轉(zhuǎn)移函數(shù)[11]為

圖2 多相數(shù)字濾波信道劃分

(4)

其中，N為濾波器的長(zhǎng)度，如果將沖擊響應(yīng)δ(m)分為D組，且N為D的整數(shù)倍，即N/D=j，則轉(zhuǎn)移函數(shù)的多相表示為

H(z)=δ(0)z0+δ(D)z-D+…+δ[(j-1)D]z-(j-1)D+δ(1)z-1+δ(D+1)z-(D+1)+…

+δ[(j-1)D+1]z-[(j-1)D+1]+δ(2)z-2+δ(D+2)z-(D+2)+…+δ[(j-1)D+2]z-[(j-1)D+2]

+…+δ(D-1)z-(D-1)+δ(2D-1)z-(2D-1)+δ[(j-1)D+D-1]z-[(j-1)D+D-1]

(5)

定義H(z)的多相分量為

(6)

所以

(7)

數(shù)字頻譜儀開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中采用多相濾波器組(Polyphase Filter Bank, PFB)模塊、有限脈沖響應(yīng)濾波器、快速傅里葉變換模塊組成多相濾波器。其中，多相濾波器組模塊設(shè)置通道數(shù)目，頻率通道數(shù)目對(duì)應(yīng)快速傅里葉變換運(yùn)算點(diǎn)數(shù)的一半，即快速掃描模式下，多相濾波器組模塊設(shè)置為16 384，得到8 192個(gè)通道的濾波器組，脈沖監(jiān)測(cè)模式下，多相濾波器組模塊設(shè)置為2 048，得到1 024個(gè)通道的濾波器組。多相數(shù)字濾波設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為通過(guò)通道劃分抑制鄰?fù)ǖ栏蓴_，降低數(shù)據(jù)計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)高效的實(shí)時(shí)信號(hào)采集。

1.3 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)上述設(shè)計(jì)流程及理論基礎(chǔ)，運(yùn)用MATLAB/Simulink和Casper Toolflow庫(kù)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，分別實(shí)現(xiàn)快速掃描模式和脈沖監(jiān)測(cè)模式設(shè)計(jì)?？焖賿呙枘Ｊ胶兔}沖監(jiān)測(cè)模式的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)相同，就數(shù)字采樣、多相數(shù)字濾波、快速傅里葉變換點(diǎn)數(shù)、矢量累加模塊、存儲(chǔ)單元(Bram)模塊等的參數(shù)做了相應(yīng)的更改，以實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量模式的設(shè)計(jì)。

(1)參數(shù)設(shè)置：如圖3，數(shù)字頻譜儀總體架構(gòu)主要由數(shù)字采樣、多相數(shù)字濾波、快速傅里葉變化、自相關(guān)、延時(shí)(Delay)模塊(藍(lán)色)、矢量累加設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)單元模塊(黃色)等組成。

? 延時(shí)模塊為一個(gè)移位寄存器，可以配置其延時(shí)時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，在數(shù)字頻譜儀設(shè)計(jì)中采用延時(shí)模塊將采樣數(shù)據(jù)在時(shí)間上對(duì)齊。以快速掃描模式為例，2 GHz的帶寬，分為8 192個(gè)通道，其分辨率帶寬為244 kHz，通過(guò)設(shè)置延時(shí)模塊的參數(shù)可使頻率與通道一一對(duì)應(yīng)，避免出現(xiàn)頻偏現(xiàn)象，因此，延時(shí)模塊的設(shè)置是整個(gè)數(shù)字頻譜儀設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)。

? 矢量累加采用Vacc模塊，如圖4，該模塊主要是將數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量排序累加，另外可消除毛刺對(duì)頻譜的影響。有new_acc和din兩個(gè)輸入端口，其中new_acc輸入端口是接收一個(gè)新累加開(kāi)始的脈沖信號(hào)，即接收到新的脈沖信號(hào)，開(kāi)始一次累加；din端口是數(shù)據(jù)的輸入端口，對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出端口dout，通過(guò)設(shè)置輸出端口的參數(shù)，可有效控制數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和位數(shù)寬度，當(dāng)完成一次完整的矢量累加，Valid端口輸出布爾型1，并與存儲(chǔ)單元模塊進(jìn)行交互作用，其他時(shí)候輸出為0。

圖4 矢量累加模塊

Vacc模塊有3個(gè)參數(shù)，其中vector length是輸入或者輸出的矢量長(zhǎng)度。就快速掃描模式而言，快速傅里葉變換設(shè)置16 384個(gè)點(diǎn)，輸出8 192個(gè)頻率通道的數(shù)據(jù)，分為奇數(shù)通道和偶數(shù)通道各4路信號(hào)，因此，累加的矢量長(zhǎng)度設(shè)置為1 024，對(duì)應(yīng)的脈沖監(jiān)測(cè)模式的矢量長(zhǎng)度設(shè)置為128。累加是將信號(hào)重合的累加，沒(méi)有做平均處理，所以會(huì)使得數(shù)據(jù)的位數(shù)快速增長(zhǎng)，為了避免溢出，要控制累加的次數(shù)和時(shí)間。Number of output bits設(shè)置輸出信號(hào)的位數(shù)；Binary point(output)設(shè)置二進(jìn)制數(shù)的所有位數(shù)中有多少個(gè)小數(shù)位。new_acc主要是標(biāo)定一個(gè)積分時(shí)間的開(kāi)始，防止矢量數(shù)據(jù)錯(cuò)位。

?存儲(chǔ)單元為接口模塊，主要用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列內(nèi)部以陣列形式呈現(xiàn)。共有3個(gè)輸入端口和1個(gè)輸出端口，如圖5，數(shù)據(jù)流進(jìn)入data_in端口，從data_out端口輸出。數(shù)據(jù)流通過(guò)addr地址線(xiàn)控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的位置，保持?jǐn)?shù)據(jù)排列的正確性。由脈沖信號(hào)控制有效存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)流的輸入端同步。

圖5 存儲(chǔ)模塊

Bram模塊讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間設(shè)置應(yīng)該與數(shù)據(jù)矢量累加的時(shí)間保持一致，這是因?yàn)槿绻x取時(shí)間間隔太短會(huì)導(dǎo)致在一定時(shí)間段內(nèi)或者在循環(huán)讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，相鄰多次的讀取結(jié)果相同，也就是說(shuō)重復(fù)讀取了存儲(chǔ)器中沒(méi)有更新的數(shù)據(jù)；讀取時(shí)間間隔較長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)存器更新了多次數(shù)據(jù)，而讀取只進(jìn)行一次，就會(huì)使得部分頻譜數(shù)據(jù)遺漏。

(2)編譯運(yùn)行：如圖6，首先，在Simulink中完成總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)各模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，確保數(shù)據(jù)流相同，點(diǎn)擊運(yùn)行后進(jìn)行仿真，校驗(yàn)編譯前無(wú)錯(cuò)誤顯示；其次，在MATLAB中輸入命令casper_xps啟動(dòng)編譯，編譯生成二進(jìn)制bof文件；最后，將二進(jìn)制bof文件拷貝到Roach II開(kāi)發(fā)平臺(tái)的相應(yīng)目錄下，并確保Roach II開(kāi)發(fā)平臺(tái)與計(jì)算機(jī)之間采用千兆以太網(wǎng)連接，采用Python語(yǔ)言在Linux操作系統(tǒng)中編寫(xiě)數(shù)字頻譜儀運(yùn)行的控制腳本，基于Python腳本在本地計(jì)算機(jī)上即可啟動(dòng)Roach II開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并進(jìn)行相應(yīng)的性能和頻譜信號(hào)測(cè)試。

圖6 性能測(cè)試流程

2 性能測(cè)試

Python腳本控制Roach II開(kāi)發(fā)平臺(tái)的運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻譜儀測(cè)試功能至關(guān)重要的一步。首先，清除緩存區(qū)的各個(gè)變量，采用IP連接Roach II開(kāi)發(fā)平臺(tái)，連接完成后將要執(zhí)行的bof文件載入Roach II開(kāi)發(fā)平臺(tái)；然后，將累加長(zhǎng)度、增益大小等軟件寄存器的寫(xiě)入數(shù)值進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，并等待10 s過(guò)濾不正確的頻譜輸出值，讀取8個(gè)存儲(chǔ)單元模塊中的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在數(shù)組中，將8個(gè)數(shù)組交錯(cuò)組合成一個(gè)數(shù)組，輸出并存儲(chǔ)。

2.1 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量

數(shù)字頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍是指頻譜儀能測(cè)量到的輸入端同時(shí)存在最大信號(hào)與最小信號(hào)的比值(dB)，并且對(duì)于較小信號(hào)允許以給定不確定度測(cè)量。因此，動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)數(shù)字頻譜儀的重要指標(biāo)。構(gòu)建硬件測(cè)試系統(tǒng)，采樣時(shí)鐘由性能好、精度高的Valon 5008提供，同時(shí)由信號(hào)發(fā)生器提供外部10 MHz信號(hào)進(jìn)行鎖定，如圖7。

圖7 硬件測(cè)試系統(tǒng)

在10 MHz～2 GHz范圍內(nèi)選取200 MHz，600 MHz，1 400 MHz，1 800 MHz 4個(gè)頻點(diǎn)，信號(hào)發(fā)生器輸出固定功率，功率值從-3 dBm開(kāi)始，每次改變-3 dBm，測(cè)試數(shù)字頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍，假設(shè)信號(hào)發(fā)生器輸出的功率值為第n個(gè)，對(duì)應(yīng)的數(shù)字頻譜儀采集的無(wú)量綱數(shù)值為y(n)，如果滿(mǎn)足

(8)

即可認(rèn)為數(shù)字頻譜儀采集的信號(hào)為不失真的有效信號(hào)。

測(cè)試結(jié)果如圖8，可以看出快速掃描模式和脈沖監(jiān)測(cè)模式在-9 dBm至-64 dBm功率值下滿(mǎn)足(8)式，因此，數(shù)字頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到55 dB，滿(mǎn)足一般寬帶、瞬態(tài)電磁干擾信號(hào)測(cè)量的要求。

圖8 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量

2.2 線(xiàn)性度測(cè)試

線(xiàn)性度測(cè)試可以有效檢測(cè)數(shù)字頻譜儀在信號(hào)監(jiān)測(cè)時(shí)的功率響應(yīng)，是設(shè)計(jì)數(shù)字頻譜儀的重要指標(biāo)。信號(hào)發(fā)生器輸出固定功率，通過(guò)改變頻率值可測(cè)得數(shù)字頻譜儀的線(xiàn)性度，由于設(shè)計(jì)中采集的數(shù)據(jù)是無(wú)量綱的，可通過(guò)

Pm=10log10(c)+b

(9)

對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，得到單位為dBm的功率值，其中，Pm為量化后的功率值，單位為dBm；c為采集的原始數(shù)據(jù)，無(wú)量綱；b為校準(zhǔn)系數(shù)。以信號(hào)發(fā)生器輸出-20 dBm的測(cè)試結(jié)果為基準(zhǔn)，分別量化數(shù)字頻譜儀測(cè)得的其他功率值的測(cè)試結(jié)果，如圖9。結(jié)果顯示1 000 MHz為一個(gè)壞點(diǎn)，這是由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器板卡自身的設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的，其他頻點(diǎn)的線(xiàn)性度良好，數(shù)字頻譜儀設(shè)計(jì)基本符合要求。

圖9 線(xiàn)性度測(cè)試

2.3 對(duì)比測(cè)試

為驗(yàn)證開(kāi)發(fā)的數(shù)字頻譜儀的準(zhǔn)確性，搭建了基于數(shù)字頻譜儀和商用頻譜儀的測(cè)量平臺(tái)，系統(tǒng)鏈路如圖10。首先，信號(hào)經(jīng)過(guò)雙極化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)XSLP9142后通過(guò)帶通濾波器做濾波處理，可有效抑制高于2 000 MHz的信號(hào)、干擾及噪聲；然后，信號(hào)通過(guò)BBV9743前置放大器、衰減器、功分器連接開(kāi)發(fā)的數(shù)字頻譜儀和N9030A商用頻譜儀；最后，分別存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)并成圖。其中，系統(tǒng)鏈路中的信號(hào)發(fā)生器主要為數(shù)字頻譜儀提供10 MHz參考信號(hào)。

測(cè)試時(shí)設(shè)置數(shù)字頻譜儀的積分時(shí)間為50 ms，設(shè)置N9030A頻譜儀的掃描時(shí)間為50 ms，測(cè)試頻率10～2 000 MHz。另外，可通過(guò)對(duì)Roach II開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)置不同的閾值與N9030A頻譜儀做匹配度對(duì)比。測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)

依據(jù)圖10的測(cè)試鏈路，首先，更換不同的濾波器與衰減器進(jìn)行摸查測(cè)試，可有效抑制帶外干擾對(duì)系統(tǒng)鏈路造成的影響；然后，通過(guò)設(shè)置不同的閾值進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試，尋找最佳臨界閾值。圖11分別為功率閾值-64 dBm,-60 dBm,-55 dBm,-50 dBm的對(duì)比結(jié)果，其中濾波器為500～3 200 MHz，選用15 dB的衰減器。

圖10 對(duì)比測(cè)試鏈路圖

圖11 不同閾值的對(duì)比結(jié)果

測(cè)試結(jié)果如圖11，數(shù)字頻譜儀與商用頻譜儀的測(cè)試結(jié)果整體上有較好的吻合度，但當(dāng)閾值設(shè)置為-64 dBm和-60 dBm時(shí)，數(shù)字頻譜儀可以采集到1 406～1 422 MHz，1 976～1 984 MHz的信號(hào)，N9030A商用頻譜儀沒(méi)有采集到該信號(hào)，因?yàn)樵撔盘?hào)為數(shù)字頻譜儀內(nèi)部信號(hào)。通過(guò)升高閾值發(fā)現(xiàn)，-55 dBm是最佳臨界閾值，數(shù)字頻譜儀與商用頻譜儀的功率響應(yīng)吻合度高，信號(hào)的頻率響應(yīng)與商用頻譜儀一致。

3 結(jié) 論

本文基于Roach II開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)帶寬為10 MHz～2 GHz的數(shù)字頻譜儀，完成了快速掃描和脈沖監(jiān)測(cè)兩種不同觀測(cè)模式的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，數(shù)字頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到55 dB，且與商用頻譜儀有較好的吻合度，具有相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量精度，可應(yīng)用于寬帶實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測(cè)、瞬態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，為射電天文臺(tái)址的電磁干擾分析、頻譜管理策略制定、接收機(jī)設(shè)計(jì)等提供技術(shù)支撐。