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合成仪器技术

新品抢鲜中国仪表网2008年04月02日 08:26人气:4296

    合成仪器(SI)利用部件开放结构环境中所用的核心硬件和软件构建单元组合,合成传统仪器中的激励和/或测量功能。合成仪器概念在70年代末和80年代初,主要是集中在军事项目研究中。此时,其技术不能为商业提供可用性。所能实现的主要是集中在RF/微波应用中的低频模拟、数字和基带中。
  现代合成仪器发现它们的根是在过去10年通信革命和呈现出的软件无线电(SDR)概念中。根据SDR的定义,SDR是由DSP、发送器、接收器把数字数据变为无线通信用的调制无线电波和把调制无线电波变换为数字数据。DSP提供无线电功能,它是通过软件元件,用专门算法产生或处理SDR发送和接收用数字表示的信号。SDR能为迅速地实现所出现的通信协议/调制方法、功能和用户需求的设计模件性和编程灵活性。


  SI是基于如下概念基础上的,即用“芯核”SI硬件和软件元件实现大多数的激励和测量功能。芯核元件包括上变频 器和下变战友器、数/模转换器(DAC)、模/数转换器(ADC)及DSP硬件的软件。根据用户测试要求的包装,用商业流行(COTS)硬件(如电源、支架和负载)可补充这些元件。
  基于SI的测试系统的测试测量能力框图(见图2)看起来类似于SDR。接收或RF到数字电路的链路/通路由信号调理下,变频器和模/数转换电路组成。信号调理电路控制自动增益控制。AGC处理控制测量信号通路中的放大器和衰减器来调节模拟信号电平到其后处理单元的动态范围。


  在测量通路中,下变频器功能单元也许是最关键的元件。下变频器必须提供频率变换/滤波功能,通过混频和滤波组合正确地再生目标基带信号,此信号被调制在微波载波信号。若下变频器的变换丧失,则就不能精确地测定、设计和控制IF滤波和相关相位特性,不能适当地由A/D转换器数字化和分析IF信号,而且DSP软件将给出错误的结果。接收或测量处理通路中的A/D转换器是连续模拟和分立数字域之间的接口。ADC的工作范围往往是所执行测量性能的限制因素。在激励或上变频器通路,上变频信号的精确度依赖于所用D/A的带宽和动态范围。
  合成仪器
  从早期电子仪器复兴开始,测试测量业经受巨大变化。在过去60年内研制出针对商业和军事市场测试测量信号的各种各样的仪器。传统仪器(如数字多用表、电子计数器、示波器、功率器、函数发生器和网络分析仪)以其本身特点出现在市场上。每种仪器都用专门和/或稍微不同的激励/测量电路和技术设计。这种传统的方法主要依赖于由专门硬件实现的仪器激励/或测量能力。
  除了这些仪器前端的通用性外,很难看到激励/测量技术的再用。硬件的顶层是嵌入式软件层(通常连接到原来设计的目标嵌入式控制器)。嵌入式软件的顶层是应用软件,其大多数的部分功能如同图像用户接口(GUI)或已定标/换算/转换数据的显示。


  基于SI的ATS(自动测试系统)变成完全颠倒的传统模型(见图3)。合成硬件结构由标准硬件(信号调理、上变频器、下变频器、DAC、ADC)组成,标准硬件与不受限制的DSP软件结合工作。这种硬件减少,使系统定标的要求和成本最小,系统定标容易受SI激励和测量通路中每个功能块所具有的检查方法和控制性的影响(见图4)。


  同样,SI报废和更新问题只限少数模块硬件,而不是大多数仪器都有。理想的SI系统,每个硬件元件不应该用专用固件,这使得每个硬件元件容易与相同功能的其他元件互换和更新。SI大部分是软件。主机/中央处理器的激励和测量软件使SI结构具有简单性和灵活性,这使SI基系统具有现场反应力。由ATS激励和测量软件产生的SI硬件所具有的独立性和非耦合性对于ATS开发者来说能大大地减轻负担而且使用户软件密集的ATS系统不必尊从商业PC处理器速度/性能增益曲线。
  关键技术问题
  根据以上讨论,可见合成仪器的前途一定是光明的和有希望的。然而,如同任何新的创新那样,用户必须了解存在的问题。下面给出有关激励和测量方面的关键问题和考虑。
  测量问题
  对于SI测量通路或测量硬件模拟器(MHE)必须仔细设计信号调理单元,以使被测的模拟信号电平适合测量通路所采用的功能单元(下变频器和ADC)的动态范围。信号调理单元也必须与测量链路中的其他功能单元匹配。测量通路的关键单元是下变频器和ADC。
  下变频器技术
  从测量观点看,下变频器也许是测量信号通路中最关键的单元。下变频器(借助于滤波和混频)必须能精确地产生重要的基带信号。
  为了实现此目的,必须精确地测定和设计下变频器单元。
  用户UUT RF/微波测量要求和关键性能指标如下:
  ·RF/微波输入信号的频率范围;
  ·RF/微波输入信号动态范围,最小/最大电平范围;
  ·信号瞬时输入带宽;
  ·输入滤波要求(前置选择);
  ·本振(LO)/混频器输入的频率范围;
  ·本振调谐速度(必须与UUT测试时间要求一致);
  ·IF带宽灵活性:必须与所用数字转换器技术一致;
  ·IF输出电平/动态范围:必须与所用数字转换器技术一致;
  ·噪声底值:平均显示噪声;
  ·信号隔离(dB):LO到RF,LO至IF,RF到IF。
  特别是下变频器IF带宽指标非常重要。在一些实例中(如捕获复杂的调制格式),需要宽IF带宽来获得基带信号中的信息内容。此处折衷考虑是A/D转换器处理重要信号所需要的时间。在其他应用中(如AM或FM调制),重要信号的频率范围是比较窄的,因此,用较窄的IF带宽。
  在很多ATS应用中,必须用多个下变频器来满足处理宽范围频谱应用的要求。RF/微波领域中,过去的经验和实践告诉我们没有一个标准下变频器。一个型号不能适合所有的应用。
  所有下变频器基本上与目标系统/应用中的其他功能单元结合在一起,而且与这些单元协调一致补充和工作。基于此原因,应用灵活性是关键特征。
  在开放结构环境中,当供应商不能提供所有所需的技术时,“灵活性因数”变得最重要。例如,下变频器基准设计的每个结合都需要基本特性的一些变化使系统性能最佳。如上所述,这包括IF频率和/或带宽、增益、输出功率和视频输出。
  为专门应用配置下变频器,往往需要对供应商提供的电路单元混频和匹配来满足专门应用。另外,需要用多下变频器技术来满足全球ATS支持项目的广泛要求。这些技术包括:
  ·区块下变频:频率转换从一个频带到另一个频带。
  ·可调谐下变频:利用具有低到1~3Hz频率分辨率的宽带本振。
  ·谐波混频:用固定本振和可调YIG滤波器来滤除来自RF的不希望的谐波。
  ·取样:在仪器中(如示波器和微波传输分析仪)所采用的谐波下变频的一种特殊形式。
  一种可能和有希望的方案是用各种技术的组合和上面所说的电路单元,为专门的用户提供小的有限下变频器家族(或“个性模块”);这些模块应适合专门系统的专门信号测量或用户专门技术需要的要求。图5描述采用可调下变频和YIG滤波技术组合,实现专门应用SI RF/MW“前端”性能的实例。


  A/D和A/D技术
  下变频器之后,信号测量通路中的A/D工作范围往往是合成仪器性能的限制因数。A/D的关键性能是“转换率”(与系统的瞬态带宽有关)和“转换位数”(与SFDR有关)。分辨宽变化强度信号的能力和不同电平噪声的呈现,主要由仪器的动态范围决定。ADC动态范围是最大的均方根信号电平间(被取样信号和A/D的RMS量化噪声电平)的比值。
  SDR或SI的SFDR是很多变量的函数,主要由A/D电路的分辨率限制。SFDR(无寄生动态范围)是RMS信号幅度与峰值寄生频谱分量的RMS值之比。
  A/D电路中SFDR理论限制是每位大约6dB,可用下式表示:
  SFDR(dB)=6.02×(B)+1.76
  其中(B)是数字化电路的位数。
  应用所需的转换率或瞬时带宽由Nyqust定理(数字取样率必须至少两倍的信号带宽)限制。当考虑用SI仪器测量宽带信号时,必须保证A/D和D/A电路具有满足要求的取样率来捕获整个信号带宽的信号,以及足够的分辨率来处理动态范围要求。
  ADC的关键性能参量是其最大取样率FS(Hz)和转换位数的乘积。此关系用下式表示:
  K=B×FS
  分辨率/速度量度定义SFDR的技术范围和实现SI可用的带宽性能指标。


  因为转换率和转换位数之间的反比关系,所以,对于单ADC不可能满足低取样率时宽动态范围和高取样率时较低动态范围的双重要求。为了满足现代自动测试系统宽范围测试要求,用在ATS SI信号测量通路中的ADC功能需要从ADC家庭中选择满足UUT或UUT组(即雷达、IFF等)专门要求的。表1列出基于图6的ADC理想的性能特性。


  激励源问题
  传统的仪器结构采用前一代RF/MW激励产生器和上变频器(见图7)。这类仪器已用于测试测量界几十年了。其功能包括:RF/MW CW信号产生和幅度、频率、脉冲调制能力。此功能对于支持较老的/传统DOD通信系统是足够的。过去五年来,新型通信系统已采用数字调制概念。这种新型的被测单元不能用传统的RF激励产生器和上变频器来测试,这是由于它们的信号调制能力有限。


  因为航空航天和防御部门的“数字革命”,所以出现对新型RF激励产生结构和能力(见图8)的需求,这种结构可满足传统和新出现的数字调制格式的要求。


  RF频谱是宝贵的资源而且必须共享,随着通信服务增加的需求,每天都有更多的用户需要此频谱资源。数字调制方法比经典的模拟调制方法具有更大的传送大量信息的能力。然而历史教导我们在通信系统设计中有一个基本的折衷考虑。
  在发送器和接收器中,可用简单的硬件来传输信息。然而,这些简单的硬件元件往往用大量频谱,这限制了用户数。另一方面,用更复杂的发送器和接收器在更窄带宽上传输相同的信息。
  用I/Q调制能力实现数字调制,因而,用幅度和相位分量(或I和Q)表征的专门RF复合信号或信号可表示数字流(即1010....),有I/Q能力的激励产生器能提供把位信号变换为微波信号的能力并提供有效的不受限制的信号产生能力。因此,绝对必要的是现代ATS包含一个灵活的RF激励上变频器/调制器能力,可适应传统模拟和现在数字调制格式以及支持数字调制格式的升级。
  结语
  SI是一种新出现的技术。它与数字革命同步。测试和测量界必须能实现用户所关注的信息要求,而SI技术能满足这种要求。对SI本身从新出现的技术到“主要的时间”目标实现方案将需要领先的测试测量厂家供应链的接受、增加开发和支持。这种变化将不是容易做到的,但将必须满足用户对更快、更小、可支持性和信息密集仪器的要求。
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