超寬帶亞周期微波脈沖實(shí)時(shí)時(shí)頻分析系統(tǒng)

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(浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023)

超寬帶(UWB, Ultra-wideband)技術(shù)是近年來(lái)研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。UWB技術(shù)通過(guò)對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，使得信號(hào)具有GHz量級(jí)的帶寬，進(jìn)而利用極寬的頻譜(GHz)來(lái)實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)傳輸速率[1]。UWB技術(shù)具有速率高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和系統(tǒng)復(fù)雜度低等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。超寬帶脈沖的產(chǎn)生與傳輸是超寬帶的關(guān)鍵技術(shù)之一，滿足應(yīng)用要求的超短脈沖也是超寬帶技術(shù)的基礎(chǔ)。此外，通過(guò)時(shí)頻分析手段來(lái)利用超短脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)原子內(nèi)部量子態(tài)的操控等新技術(shù)也逐漸成為微波領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，這將對(duì)微波波段脈沖的傳輸以及亞周期范圍內(nèi)強(qiáng)場(chǎng)與原子相互作用的研究起到重要作用[2]。

傳統(tǒng)的時(shí)頻分析是利用采樣示波器來(lái)獲取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，用數(shù)據(jù)采集卡或示波器自帶的軟驅(qū)通過(guò)磁盤來(lái)進(jìn)行信號(hào)波形的數(shù)據(jù)采集，然后再導(dǎo)入計(jì)算機(jī)利用軟件進(jìn)行結(jié)果的處理與分析。就數(shù)據(jù)采集卡而言，其價(jià)格與性能是成正比的，較為昂貴，后者則操作較為繁瑣、效率極低、容易出錯(cuò)，無(wú)法滿足對(duì)儀器的自動(dòng)化需求。因此，快速、高效地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)脈沖時(shí)頻分析是很有必要的，也就是將瞬態(tài)脈沖信號(hào)波形的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與時(shí)頻分析以及結(jié)果的顯示集成在一起，將會(huì)使得設(shè)備的硬件和軟件部分得到最大化利用，大大降低成本并增強(qiáng)應(yīng)用靈活性。主要針對(duì)UWB脈沖的脈沖窄、頻譜寬等特點(diǎn)并結(jié)合超寬帶亞周期微波脈沖的時(shí)頻分析應(yīng)用需求，提出一種實(shí)時(shí)時(shí)頻分析系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法以及具體的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用GPIB接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與Agilent 8100A型示波器之間的數(shù)據(jù)通信。目前，工程或科研方面用到的儀器繁多，新型的儀器設(shè)備大多配有GPIB(General purpose interface bus)接口，GPIB接口的總線方式是在1978 年提出的，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與測(cè)量?jī)x器設(shè)備的首次結(jié)合，抗干擾性能較好，其傳輸速率可達(dá)8 MB/s?？蓪x器與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)組成一套自動(dòng)化系統(tǒng)。

系統(tǒng)的硬件由計(jì)算機(jī)、GPIB接口卡、GPIB電纜線和示波器4 部分組成。由于控制計(jì)算機(jī)本身并沒(méi)有GPIB接口，因此要配備GPIB接口控制卡來(lái)完成通信[3]。計(jì)算機(jī)通過(guò)GPIB卡、GPIB電纜和示波器的GPIB接口相連。一套完整的分析系統(tǒng)一般是由控制器、測(cè)量設(shè)備、軟件平臺(tái)以及接口總線所構(gòu)成[4]。其中，軟件是系統(tǒng)的主體，硬件用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入與輸出。

分析系統(tǒng)的軟件部分是系統(tǒng)的核心部分，Matlab具有強(qiáng)大的計(jì)算功能與數(shù)據(jù)處理能力，是一套高性能的可視化軟件，其豐富的工具箱函數(shù)被廣泛應(yīng)用[5]，與其他的Visual C++等高級(jí)的編程語(yǔ)言相比，其語(yǔ)法簡(jiǎn)單，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試更加便捷高效，通過(guò)儀器控制工具箱即可實(shí)現(xiàn)與GPIB接口總線的通信，接口編程較為簡(jiǎn)單，可為系統(tǒng)提供可靠的通信與強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。因此，信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與控制部分將基于計(jì)算機(jī)的Matlab平臺(tái)開(kāi)發(fā)。就系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)而言，Matlab在外觀設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)較為繁瑣；而LabVIEW作為一種圖形化的編程語(yǔ)言，其圖形界面豐富實(shí)用，可以較容易地實(shí)現(xiàn)各種界面的制作。但是，LabVIEW的缺點(diǎn)在于其標(biāo)準(zhǔn)工具箱功能有限，且對(duì)于大量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算處理時(shí)能力較弱。因此，本系統(tǒng)中信號(hào)的處理與分析、結(jié)果的顯示等功能模塊采用LabVIEW與Matlab的混合編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，即利用LabVIEW的Matlab Script節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行時(shí)頻分析的Matlab腳本的編輯，并在LabVIEW的環(huán)境中運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)在LabVIEW的應(yīng)用程序中使用Matlab編寫的算法和相應(yīng)的工具箱功能。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The block diagram of the real-time time-analysis system

1.2 系統(tǒng)的GPIB接口通信設(shè)計(jì)

GPIB接口卡采用USB-GPIB轉(zhuǎn)換接口，可實(shí)現(xiàn)從計(jì)算機(jī)的USB端口到配有GPIB接口的示波器的直接連接，系統(tǒng)構(gòu)成和操作相對(duì)簡(jiǎn)單[6]。系統(tǒng)使用Matlab平臺(tái)，通過(guò)GPIB總線實(shí)現(xiàn)對(duì)Agilent 8100A型示波器的控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)量、顯示燈功能的自動(dòng)化。

在通過(guò)Matlab平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPIB總線的控制過(guò)程中，采用了儀器控制工具箱(Instrument control toolbox)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與示波器之間的通信。在利用工具箱實(shí)現(xiàn)對(duì)GPIB接口的通信時(shí)，可用一個(gè)對(duì)象將GPIB接口封裝起來(lái)，即創(chuàng)建GPIB對(duì)象，在編程過(guò)程中直接對(duì)GPIB對(duì)象操作即可[7]，相比傳統(tǒng)儀器控制方法，這一方法具有更高的靈活性。方法的實(shí)現(xiàn)包括以下幾個(gè)步驟：

1) 創(chuàng)建GPIB對(duì)象。通過(guò)創(chuàng)建GPIB對(duì)象來(lái)建立Matlab與USB-GPIB接口卡之間的通信,可使用GPIB函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

2) GPIB對(duì)象的連接。可以用fopen函數(shù)建立連接，即打開(kāi)GPIB接口，在連接示波器之后進(jìn)行實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)的傳輸。

3) 屬性設(shè)置。通過(guò)set函數(shù)來(lái)進(jìn)行輸入設(shè)置、輸出緩沖器等設(shè)置?？梢酝ㄟ^(guò)定義GPIB對(duì)象的屬性來(lái)定義GPIB的通信模式，同時(shí)也能了解其狀態(tài)。

4) 實(shí)時(shí)采樣的波形數(shù)據(jù)的讀寫。寫入數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)使用fprintf，fwrite等函數(shù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)，使用fgetl，fgets，fread等函數(shù)。

5) 斷開(kāi)并清除連接。可使用fclose函數(shù)斷開(kāi)GPIB接口；使用delete函數(shù)將GPIB接口對(duì)象從內(nèi)存中刪除，使用clear函數(shù)來(lái)清除Matlab的工作空間。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 系統(tǒng)對(duì)示波器的控制

Agilent 8100A型示波器是一款高采樣率數(shù)字示波器，其帶寬為20 GHz，可實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集。計(jì)算機(jī)與示波器之間采用主從式的通信方式，計(jì)算機(jī)處于主動(dòng)地位，數(shù)字示波器處于被動(dòng)地位，計(jì)算機(jī)向示波器發(fā)出各種查詢命令，示波器向計(jì)算機(jī)作出回應(yīng)，并返回查詢結(jié)果。同時(shí)，還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令設(shè)置示波器狀態(tài)以及數(shù)據(jù)采集參數(shù)。命令和查詢兩種方式均可看作是計(jì)算機(jī)發(fā)給示波器的指令[8]。Agilent 8100A型示波器的指令系統(tǒng)較為完整，表1給出了系統(tǒng)中所涉及到的主要指令以及其相應(yīng)的功能。

表1 系統(tǒng)中用到的指令Table 1 Instructions used in the system

1.3.2 系統(tǒng)對(duì)示波器的控制

在Matlab平臺(tái)上利用其儀器控制工具箱(Instrument control toolbox)初始化Agilent 8100A型示波器之前，可搜尋到示波器的GPIB地址為GPIB0::7:INSTR，表示所創(chuàng)建GPIB對(duì)象的地址為7[8]。在實(shí)現(xiàn)GPIB對(duì)象的正確尋址后，計(jì)算機(jī)可以對(duì)該地址的儀器設(shè)備發(fā)送設(shè)置和命令。在尋址結(jié)束后，要進(jìn)行示波器的初始化，其功能相當(dāng)于示波器面板的AutoSet設(shè)置，使其能夠完成波形的自動(dòng)檢測(cè)與顯示。

1.3.3 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

亞周期微波脈沖實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)以USB-GPIB接口作為計(jì)算機(jī)與Agilent 8100A型示波器之間的硬件接口，Matlab平臺(tái)通過(guò)GPIB接口卡來(lái)創(chuàng)建GPIB對(duì)象，直接對(duì)GPIB對(duì)象進(jìn)行處理。在創(chuàng)建GPIB對(duì)象后，對(duì)該對(duì)象進(jìn)行操作即可完成對(duì)硬件設(shè)備的控制，無(wú)需對(duì)示波器硬件進(jìn)行直接操作。軟件的設(shè)計(jì)主要是由信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與控制、信號(hào)處理與分析以及結(jié)果的顯示與保存等3 個(gè)大模塊構(gòu)成。計(jì)算機(jī)Matlab平臺(tái)是軟件的核心部分，充當(dāng)系統(tǒng)的控制模塊；信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與控制部分，主要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與示波器之間的通信和控制示波器的各項(xiàng)操作，并完成波形數(shù)據(jù)的采集與傳輸，此部分功能主要由GPIB通信控制模塊來(lái)完成[9]；信號(hào)的處理與分析、結(jié)果的顯示與數(shù)據(jù)的保存可在LabVIEW平臺(tái)下通過(guò)LabVIEW與Matlab的混合編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，即在LabVIEW中利用Matlab Script節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行時(shí)頻分析的Matlab腳本編輯，或在LabVIEW的環(huán)境中直接調(diào)用已經(jīng)編譯好的時(shí)頻分析鏈接庫(kù)[10]。其中，第2 種方法可節(jié)省調(diào)試時(shí)間，提高效率。軟件系統(tǒng)各個(gè)模塊的連接框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件模塊Fig.2 The software module of the real-time time-analysis system

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 實(shí)時(shí)信號(hào)波形數(shù)據(jù)的采集和顯示

系統(tǒng)連接完畢后，經(jīng)過(guò)設(shè)備調(diào)試和系統(tǒng)整體調(diào)試，確保系統(tǒng)正常通信，可以通過(guò)系統(tǒng)的控制模塊，即計(jì)算機(jī)的Matlab平臺(tái)實(shí)現(xiàn)示波器的控制與波形數(shù)據(jù)的采集。在每次波形數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，通過(guò)關(guān)閉接口和刪除GPIB對(duì)象完全終止數(shù)據(jù)采集，否則會(huì)導(dǎo)致示波器繼續(xù)處在查詢狀態(tài)，影響后續(xù)波形數(shù)據(jù)采樣。信號(hào)的處理與分析、結(jié)果的顯示與保存在LabVIEW平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。圖3為L(zhǎng)abVIEW的前面板界面設(shè)計(jì)及結(jié)果顯示。

圖3 LabVIEW平臺(tái)前面板設(shè)計(jì)與結(jié)果顯示Fig.3 Front panel design and display of LabVIEW platform

圖3(a,b)分別顯示亞周期微波脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電壓信號(hào)E0(t)的波形和脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)自由空間傳輸后接收信號(hào)E(t)的相應(yīng)波形。E0(t)是脈沖發(fā)生裝置在100 MHz的正弦波激勵(lì)下CH1通道所產(chǎn)生的時(shí)域波形，其采樣時(shí)間長(zhǎng)度為3 ns，采樣點(diǎn)數(shù)為1 350，采樣率為135 GHz。實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的脈沖實(shí)測(cè)半高寬約為140 ps，為典型的亞周期UWB微波脈沖。E(t)為示波器通道CH3采集到的天線接收實(shí)時(shí)信號(hào)，該波形是由脈沖原信號(hào)經(jīng)過(guò)自由空間傳輸后，由半波偶極子天線接收的電信號(hào)。在這一過(guò)程中，微波信號(hào)中無(wú)法在自由空間中傳播的直流成分被濾除，轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍谧杂煽臻g傳播的UWB微波脈沖。

圖3中的譜分析部分是通過(guò)快速傅里葉變換方法對(duì)實(shí)測(cè)的時(shí)域信號(hào)和天線接收后的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域的分析結(jié)果。其中圖3 (c,d)分別為脈沖信號(hào)E0(t)與E(t)的頻譜分析結(jié)果，橫軸為微波頻率，縱軸表示該頻率成分所對(duì)應(yīng)的幅值大小，直觀地反映了信號(hào)中各個(gè)頻率成分的強(qiáng)度及頻譜分布范圍。由圖3(c)可以看出：E0(t)脈沖在零頻處有較大分量，即脈沖包含直流成分，且該微波脈沖的-10 dB帶寬約為2.8 GHz。由圖3(d)中可以看出：E(t)的零頻分量為零，即無(wú)直流量，因此可在自由空間傳輸；從頻譜分布情況可計(jì)算得出該脈沖信號(hào)的中心頻率為2.2 GHz，其-10 dB帶寬為1.8 GHz。系統(tǒng)可對(duì)天線接收到的無(wú)直流量信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理與分析。

2.2 時(shí)頻分析

在本系統(tǒng)中，使用Wigner-Ville(W—V)時(shí)頻分析方法來(lái)處理實(shí)測(cè)信號(hào)E(t)，對(duì)其進(jìn)行時(shí)頻分析。信號(hào)E(t)的W—V分布W(ω,t)定義為

(1)

式中：τ為時(shí)間積分變量；t為時(shí)移；E(t)為解析信號(hào)，可為實(shí)信號(hào)或復(fù)值信號(hào)；E*(t)為E(t)的共軛信號(hào)表達(dá)式。式(1)實(shí)質(zhì)上是E(t)的瞬時(shí)自相關(guān)函數(shù)E*(t-τ/2)E(t) (t+τ/2)關(guān)于時(shí)延τ的傅里葉變換，即實(shí)時(shí)信號(hào)E(t)在t時(shí)刻的W—V分布。在各種時(shí)頻分布計(jì)算方法中，W—V分布具有最簡(jiǎn)單的形式，是描述信號(hào)時(shí)頻分布的一個(gè)有力工具。與其他的時(shí)頻分析方法，如Gabor變換、短時(shí)傅里葉變換等相比，W—V分布的方法可以同時(shí)獲得較高的時(shí)間和頻率分辨率。從其函數(shù)表達(dá)式(1)中可以看出：由于在積分中E(t)出現(xiàn)了2 次，所以它可以看作是將信號(hào)的能量分布于時(shí)頻平面內(nèi)的一種雙線性表示形式[11]。

由W—V分布的性質(zhì)可知：信號(hào)的瞬時(shí)頻率ωi(t)與其W—V分布關(guān)系式為

(2)

式中：ω為信號(hào)E(t)在t時(shí)刻的W—V分布頻率值；W(ω,t)為信號(hào)在t時(shí)刻的W—V分布；ωi(t)為E(t)在t時(shí)刻的瞬時(shí)頻率。從式(2)可以看出：

瞬時(shí)頻率是對(duì)某一時(shí)刻的所有頻率分量進(jìn)行加權(quán)平均的運(yùn)算[12]。這種將時(shí)間固定來(lái)求取該時(shí)刻的瞬時(shí)頻率的方法，被稱為W—V分布的一階矩，即給出了求取信號(hào)瞬時(shí)頻率的方法。利用W—V分布W(ω,t)的一階矩即可求得信號(hào)E(t)的瞬時(shí)頻率隨時(shí)間的變化情況。信號(hào)E(t)的時(shí)頻分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 CH3通道信號(hào)E(t)的實(shí)時(shí)W—V時(shí)頻分布及其瞬時(shí)頻率變化Fig.4 The W-V distribution of signal E(t) and instantaneous frequency for each sampling time

圖4(a，b)分別為脈沖信號(hào)E(t)的W—V二維分布以及瞬時(shí)頻率的變化曲線，直觀地反映了頻率隨時(shí)間變化的特性。從時(shí)頻特性分析結(jié)果中，不但可以獲得UWB微波脈沖隨時(shí)間變化的信息，也能得到其頻譜分布信息，最重要的是能夠?qū)崟r(shí)獲取頻率隨時(shí)間變化的信息。如系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果所示，從信號(hào)的時(shí)間演化和頻率分布看出：典型的UWB微波脈沖的持續(xù)時(shí)間為0.8～1.7 ns，頻率分布在1.7～2.5 GHz內(nèi)。根據(jù)結(jié)果中的瞬時(shí)頻率變化曲線，可直觀地判斷出該脈沖信號(hào)存在啁啾[13]。在時(shí)頻分析結(jié)果中，若所得到的時(shí)頻演化軌跡與時(shí)間軸平行，則可以判斷該脈沖是不存在啁啾的。在系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果中，瞬時(shí)頻率的變化曲線與時(shí)間軸不平行的，可以判斷出該脈沖存在啁啾，且啁啾率隨時(shí)間發(fā)生演變。

3 結(jié) 論

利用Matlab與LabVIEW的混合編程，通過(guò)GPIB接口連接控制計(jì)算機(jī)和高速示波器，實(shí)現(xiàn)了一種UWB亞周期微波脈沖實(shí)時(shí)時(shí)頻分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)UWB亞周期微波脈沖的實(shí)時(shí)采樣、波形顯示、頻譜分析和時(shí)頻分析，直觀、迅速地提供超短脈沖的頻率特性信息。分析所得的亞周期微波脈沖的時(shí)頻特性即啁啾效應(yīng)可應(yīng)用于微波波段超短超快脈沖領(lǐng)域，特別是對(duì)閾上電離、超短脈沖下的電離效應(yīng)，如亞周期脈沖高次諧波的產(chǎn)生、成絲效應(yīng)以及電荷的相對(duì)論加速等過(guò)程的基礎(chǔ)研究起到一定的借鑒作用。本設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了GPIB接口的高速傳輸性能、Matlab平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理以及儀器控制功能，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、成本低、使用和維護(hù)簡(jiǎn)單以及在UWB脈沖的諸多應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的實(shí)用前景。