一種任意波形發(fā)生器的波形文件產(chǎn)生方法

唐婷

（中國西南電子技術(shù)研究所 四川 成都610036）

一種任意波形發(fā)生器的波形文件產(chǎn)生方法

唐婷

（中國西南電子技術(shù)研究所 四川 成都610036）

針對任意波形發(fā)生器中的波形文件產(chǎn)生，給出一種參數(shù)優(yōu)化設(shè)計算法。對于任意數(shù)字調(diào)制信號參數(shù)組合，在滿足任意波形發(fā)生器的存儲容量及采樣速率條件下，尋求最優(yōu)波形實際采樣總時間以及采樣率。設(shè)計結(jié)果表明，采用本文方法產(chǎn)生的實際信號參數(shù)與期望信號參數(shù)偏差較小，可滿足實際設(shè)計需要。

數(shù)字調(diào)制信號；任意參數(shù)；波形文件；采樣率

任意波形發(fā)生器是一種常見的信號源，它既能產(chǎn)生大量標(biāo)準(zhǔn)信號，又可產(chǎn)生用戶自定義信號，因此受到越來越多的關(guān)注和研究。隨著電子元器件、電路及工藝的提高，任意波形發(fā)生器的性能也逐步提高。當(dāng)前，泰克公司的任意波形發(fā)生器AGW7112B采樣率10 Msps～24 Gsps可變，存儲容量64 MB。

國內(nèi)任意波形發(fā)生器相關(guān)研究工作也在逐漸開展[1-15]。文獻[1]給出了一種數(shù)字化函數(shù)發(fā)生器設(shè)計方法，可產(chǎn)生精度在0.1 Hz～20 kHz的任意函數(shù)波形和相移。文獻[2]給出了一種采用SDRAM MODULES實現(xiàn)任意波形發(fā)生器容量擴展的硬件設(shè)計。文獻[3]針對單頻信號和多頻信號，分析了數(shù)據(jù)取樣點數(shù)和信號周期數(shù)與合成頻率誤差的關(guān)系。文獻 [4-5]采用DDS和軟件無線電相結(jié)合的技術(shù)，可產(chǎn)生常規(guī)波形信號。文獻[6]增大數(shù)據(jù)ROM的存儲量，同時采用改進型相位抖動注入法抑制相位截斷誤差。數(shù)字調(diào)制信號是通信、數(shù)傳等領(lǐng)域的一種常用信號，但上述研究工作并未涉及到任意波形發(fā)生器對數(shù)字調(diào)制信號產(chǎn)生的相關(guān)內(nèi)容。

任意波形發(fā)生器并非可以無條件產(chǎn)生任意波形信號，其產(chǎn)生信號受硬件條件的限制，包括存儲容量、DA量化位數(shù)、最高采樣率等。本文工作針對于某一確定的硬件平臺，通過對數(shù)字調(diào)信號的產(chǎn)生波形參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，使得最終輸出信號能盡可能滿足用戶要求。

1 任意波形發(fā)生器工作原理

任意波形發(fā)生器的工作原理框圖如圖1所示。用戶首先根據(jù)需要編輯完成波形文件，然后將波形數(shù)據(jù)文件放入存儲器內(nèi)，在采樣時鐘的推動下，波形數(shù)據(jù)依次通過DAC轉(zhuǎn)化為模擬波形輸出。波形文件最終完整有效的輸出為模擬信號有以下限制條件：首先，產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)文件須被完整放入存儲器內(nèi)，因此文件大小不能超出存儲器容量；其次，通過對存儲器循環(huán)尋址，波形數(shù)據(jù)被循環(huán)讀取，從而產(chǎn)生連續(xù)的模擬信號。若波形數(shù)據(jù)文件首尾不連續(xù)時，則產(chǎn)生的模擬信號會發(fā)生跳變，因此波形數(shù)據(jù)文件需首尾連續(xù)；最后，波形數(shù)據(jù)文件在采樣時鐘的控制下進行轉(zhuǎn)換，因此產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)文件需工作在相同的采樣時鐘。

圖1 任意波形發(fā)生器的工作原理框圖

2 數(shù)字調(diào)制信號波形的產(chǎn)生

2.1 數(shù)字調(diào)制信號波形特點

傳輸數(shù)字信號有3種基本調(diào)制方式：幅度鍵控、頻移鍵控和相移鍵控，它們分別對應(yīng)于用正弦波的幅度、頻率和相位來傳遞數(shù)字基帶信號。與數(shù)字調(diào)制信號波形產(chǎn)生相關(guān)參數(shù)有：載波中心頻率f0、符號速率Rs、碼元個數(shù)L、采樣率fs。圖2是相關(guān)參數(shù)在BPSK調(diào)制波形中的示意圖，其中fs=5f0，fs=10Rs，L=2。

圖2 BPSK波形示意圖

2.2 波形文件參數(shù)選擇

產(chǎn)生的數(shù)字調(diào)制信號波形文件需滿足以下條件：

1）采樣總時長Ttotal內(nèi)包含完整的載波周期和整倍數(shù)的碼元周期，即：

2）波形文件的采樣率需滿足奈奎斯特采樣率定理，且不高于DAC最高工作頻率fDAC，即：

3）波形文件大小滿足硬件存儲容量要求，即波形文件長度N不大于總存儲長度Nmax，數(shù)學(xué)表達式為：

其中，N=Ttotal·fs。

2.3 參數(shù)選擇具體步驟

對于任意波形參數(shù)f0、Rs和組合，波形文件產(chǎn)生的難點是如何選取同時滿足上述3個條件的和總采樣總時間。而某些組合情況下，不存在同時滿足上述3個條件的fs和Ttotal時，需進行適當(dāng)調(diào)整，以求產(chǎn)生最優(yōu)波形參數(shù)。

文中波形產(chǎn)生參數(shù)的設(shè)計思想是首先保證符號速率Rs滿足設(shè)計需求，即滿足；然后，在條件2）和條件3）同時滿足的基礎(chǔ)上，尋找最優(yōu)Ttotal和fs，使得實際產(chǎn)生波形的盡量趨近f0。

具體設(shè)計步驟如下：

1）計算采樣總時長 Ttotal。 令 k=1，由計算獲得采樣總時長Ttotal的值。

4）判定上述計算結(jié)果是否滿足2.1節(jié)中條件2）和條件3）。判定是否存在波形文件長度N，滿足，即判定是否成立。條件成立則進入步驟5），反之搜索結(jié)果，進入步驟8）。

5）令Nk=min{fDAC·Ttotal，Nmax}，并記錄當(dāng)前波形文件長度Nk對應(yīng)的實際載波中心頻率， 以及采樣總時長 Ttotal，k。

7）令k=k+1，重新計算采樣總時長Ttotal的值。并跳轉(zhuǎn)至步驟2）。

8）搜索結(jié)果，獲得最優(yōu) Ttotal和 fs。 由當(dāng)前 ky的值，可計算出對應(yīng)最優(yōu)Ttotal和fs。

3 設(shè)計實例

本節(jié)采用第2節(jié)中的參數(shù)[16]選擇方法，對給定的波形參數(shù)f0、Rs和L組合，選擇最優(yōu)Ttotal和fs。設(shè)定任意波形發(fā)生器的儲存單元容量為32 MB，DAC的最高工作頻率為fADC=24 Gsps，量化位數(shù)為8 bit，載波中心頻率f0偏差率計算公式為。

圖3 設(shè)計流程圖

表1中隨意給出了5種期望波形參數(shù)f0、Rs和L組合，以及設(shè)計的實際波形參數(shù)，從表中可知，實際載波中心頻率f′0與期望偏差率f0與具體參數(shù)相關(guān)，表中的5組參數(shù)中偏差率最小為0，最大也僅為5.39e-8。

采用第3組參數(shù)產(chǎn)生8PSK信號波形，采用第5組參數(shù)產(chǎn)生BPSK信號波形，并將波形數(shù)據(jù)依次導(dǎo)入任意波形發(fā)生器，然后進行連續(xù)播放。任意波形發(fā)生器的輸出信號采用Agilent DSO90604A進行解調(diào)，解調(diào)參數(shù)按照期望波形參數(shù)進行設(shè)置[17]。信號頻譜及解調(diào)后的星座圖如圖4所示。從圖4可知，采用本文方法對期望波形參數(shù)進行的適當(dāng)調(diào)整，生成的信號波形完成不影響信號解調(diào)。

表1 期望波形參數(shù)與實際波形參數(shù)對照表

圖4 信號頻譜和解調(diào)星座圖

4 結(jié) 論

文中依據(jù)任意波發(fā)生器的特點，對數(shù)字調(diào)制信號的波形文件進行設(shè)計，在滿足硬件平臺各項指標(biāo)的前提下，使得設(shè)計產(chǎn)生的信號波形文件參數(shù)與用戶期望參數(shù)偏差率最小化。本文中5種隨機參數(shù)組合的設(shè)計結(jié)果驗證了該方法的有效性。

[1]王春霞，陳永真.可編程數(shù)字化任意波形及任意相移的函數(shù)發(fā)生器[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報，2003，23（1）:47-49.

[2]戴健，陳祝明，江朝抒.一種長周期的寬帶任意波形發(fā)生器[J].儀器儀表學(xué)報，2005，26（9）:968-970.

[3]張少白，王永燕，裴先登.任意波形合成系統(tǒng)中波形數(shù)據(jù)采樣方法的優(yōu)化研究[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2004，25（5）:913-915.

[4]鐵奎，黃武.任意波形發(fā)生器的研究與設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2012，31（6）:80-83.

[5]張嚴，洪遠泉.基于FPGA的任意波形發(fā)生器設(shè)計與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（10）：157-162.

[6]衛(wèi)恒，王德功，劉揚，等.基于改進DDS算法的任意信信號發(fā)生器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（6）:38-41.

[7]徐丹旸，張曉紅，王勇.任意波形發(fā)生器ROM查找表的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，11:172-174.

[8]張博君.DDS任意波形發(fā)生器研究 [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（14）:100-102.

[9]楊帆，唐廣.基于線性插值非均勻采樣的DDS任意波形發(fā)生器[J].電子質(zhì)量，2014（10）:35-37.

[10]王潔，陸正剛，龔健.基于FPGA和SD卡的任意波形發(fā)生器設(shè)計[J].微處理機，2013（6）：89-92.

[11]林薇，邵嚴，汪海光.基于SoPC的任意波形信號發(fā)生器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（17）：92-94.

[12]何緩，潘英鋒，傅文斌.一種基于AD9857的任意波形合成器[J].電訊技術(shù)，2007，47（6）：152-154.

[13]艾凱文，胡桂明，沈潤夏.任意波形電源的設(shè)計[J].計算技術(shù)與自動化，2011，30（4）:77-80.

[14]陳大明，許晉華.基于DSP的任意波形發(fā)生器的設(shè)計[J].自動化與儀表，2008（10）:62-65.

[15]陳戈珩，邢志堯，李貴盼.基于DDS技術(shù)的任意波形發(fā)生器研究與設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2008（6）: 33-35.

[16]肖笑.基于BCC算法的多機系統(tǒng)PSS參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J].陜西電力，2012（12）：51-54.

[17]李春樂，李永鵬，陳 煒，等.中心射流泵多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J].火箭推進，2015（5）：34.

Method of waveform file generation in arbitrary wave generator

TANG Ting
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

An algorithm of parameter optimize design is given for waveform file generation in arbitrary wave generator.For random parameter combination of digital modulation signals to seeking the best actual sampling time and sampling rate，which satisfy the condition of memory capability and sampling rate in arbitrary wave generator.Design result indicates that the warp between actual signal parameter generated by the proposed method and expected signal parameter is less，and the design results meet actual demand.

digital modulation signals；arbitrary parameter；wave file；sampling rate

TN98

：A

：1674-6236（2017）08-0075-03

2016-01-28稿件編號：201601275

唐 婷（1983—），女，四川成都人，碩士。研究方向：高速數(shù)傳技術(shù)。