CN102508045A - 一种准确测量窄脉冲调制参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种准确测量窄脉冲调制参数的方法，窄脉冲调制信号RF依次经过双二极管检波器、对数放大器、通道运放单元后分为两路信号，一路经带宽控制单元送入高速ADC模块进行模数转换，另一路送至高速触发电路，高速ADC模块根据高速触发电路产生的脉冲信号触发A/D转换，得到的有效ADC数据送至FPGA，且根据高速触发电路产生的触发信号存储于FPGA内；DSP单元从FPGA中读出有效ADC数据，完成数据处理后将运算结果储存于大容量RAM内。本发明所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，可对最小脉冲宽度为30ns，动态范围为-27～+20dBm的窄脉冲调制参数进行测量，而且既可以测量窄脉冲调制信号的时间参数，又可以测量窄脉冲调制信号的幅度参数。

Description

一种准确测量窄脉冲调制参数的方法
技术领域
本发明涉及窄脉冲调制信号的测量，具体说是一种准确测量窄脉冲调制参数的方法。
背景技术
脉冲调制可广泛应用于雷达和通信领域，对于窄脉冲调制信号的测量，主要有以下两种方法：
1、频谱分析测量方法：采用宽带频谱仪，可实现窄脉冲调制信号的测量。通过对脉冲调制信号的频谱分析，可以得到脉冲调制信号的脉冲宽度、脉冲周期和脉冲幅度等信息。
采用频谱分析测量方法，其优点是动态范围较宽，但是缺点是只能测量窄脉冲调制信号的脉冲宽度、脉冲周期和脉冲幅度的信息，而无法测量脉冲的上升时间、下降时间等时间参数。而频谱测量无法对非周期的脉冲调制信号进行测试。因此该方法并不能很好的满足测量要求。
2、宽带检波器+宽带示波器测量方法：脉冲调制信号经过宽带检波器后，检波输出脉冲包络信号，用宽带示波器对检波输出的脉冲包络信号进行实时采集和显示，用户可从示波器屏幕上获得脉冲信号的时间参数和幅度参数。
采用宽带检波器+宽带示波器测量方法，可通过示波器获得脉冲包络的参数。但是由于受示波器灵敏度的限制，其测量动态范围小、灵敏度差；并且由于脉冲信号经过检波器后再由示波器测量，其测量的一致性较差；该测量方法无法对检波器进行线性、频响和温度响应的补偿，其功率参数测量的准确度较差。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种准确测量窄脉冲调制参数的方法，所要解决的技术问题包括：
1、宽带、大动态范围二极管检波电路和宽带通道电路的设计；
2、窄脉冲展宽电路和高速触发电路的设计；
3、高速ADC(模数转换)数据的处理，二极管检波器线性、频响和温度响应的补偿，以及随机取样电路的设计。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种准确测量窄脉冲调制参数的方法，其特征在于：
窄脉冲调制信号RF首先经过双二极管检波器进行检波，输出正、负两路的脉冲包络信号，
检波器输出的两路脉冲包络信号送至宽带对数放大器进行对数放大；
对数放大器输出的信号经过通道运放单元线性调整后，将脉冲的动态范围调整至高速ADC模块的A/D输入端工作范围之内，
通道运放单元输出的信号分为两路，其中一路送入带宽控制单元，另一路通道运放单元输出的信号送至高速触发电路，
窄脉冲调制信号经过带宽调整以后，送至高精度的高速ADC模块进行模数转换，高速ADC模块根据高速触发电路产生的脉冲信号触发A/D转换，
经过高速ADC模块模数转换后得到的有效ADC数据送至FPGA，有效ADC数据由高速触发电路产生的触发信号控制，存储于FPGA的内部存储区；
DSP单元从FPGA的内部存储区中将有效ADC数据读出，在DSP单元内部完成数据处理，并将运算结果储存于大容量RAM内。
在上述技术方案的基础上，所述带宽控制单元为一组可调低通滤波器，用于控制通道带宽的选择。
在上述技术方案的基础上，所述带宽控制单元包括三个可调低通滤波器，三个可调低通滤波器的带宽分别为5MHz、15MHz和30MHz。
在上述技术方案的基础上，所述高速触发电路为一高速比较器，高速比较器对脉冲包络进行高速比较，更具体的说是对脉冲包络信号中的脉冲检波包络进行高速比较整形，产生与被测窄脉冲同步的触发信号和与被测脉冲包络信号在时间上严格同步的脉冲信号，该触发信号的作用是触发有效ADC数据的存储，该脉冲信号的作用是用来准确触发高速ADC模块的A/D转换。
在上述技术方案的基础上，所述高速比较器型号为AD96687。
在上述技术方案的基础上，所述高精度的高速ADC模块选用型号为AD6645的14位、100M/s采样率的A/D转换器，A/D数据转换持续进行。
在上述技术方案的基础上，所述FPGA选用型号为EP3C55F484的FPGA芯片；高速触发电路产生的触发信号控制有效ADC数据的存储，FPGA芯片根据FPGA内部计数器的设置，将计数器时间内的ADC数据存储于FPGA的内部存储器。
在上述技术方案的基础上，所述DSP单元选用型号为TMS320C6713的DSP芯片，所述大容量RAM选用型号为MT48LC16M16的RAM芯片；DSP单元根据触发信号上升沿的相对位置和FPGA内部计数器的设置，等待一个计数周期结束后，从FPGA内部存储器读取有效ADC数据，并在DSP内部进行计算和处理。
在上述技术方案的基础上，所述DSP单元为32位浮点处理器，且主频至少为300M/s；
DSP内存储有用于完成A/D数据取样、各种数据补偿和校准的软件，其中：
对二极管的线性度，采用了已有的基于自然样条插值的功率线性校准补偿算法；
对于频率响应，采用已有的基于线性插值的频响补偿算法；
对于温度响应，采用已有的基于拉格朗日插值的补偿算法。
在上述技术方案的基础上，在小时基测量时，将随机取样电路与FPGA连接，通过多次重复采样将窄脉冲还原以提高测量的分辨率。
本发明所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，可对最小脉冲宽度为30ns，动态范围为-27dBm～+20dBm的窄脉冲调制参数进行测量，而且既可以测量窄脉冲调制信号的时间参数，又可以测量窄脉冲调制信号的幅度参数。
可测量的窄脉冲调制信号的时间参数包括：脉冲宽度、脉冲周期、上升时间、下降时间、脉冲频率、脉冲占空比等；可测量的窄脉冲调制信号的幅度参数包括：峰值功率、均值功率、顶部功率、底部功率、过冲等。
附图说明
本发明有如下附图：
图1窄脉冲测量电路图，
图2二极管检波曲线，
图3二极管检波器温度误差特性示意图，
图4窄脉冲调制幅度参数测量，
图5窄脉冲调制时间参数测量。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，以图1所示的窄脉冲测量电路图为基础，其具体步骤为：
窄脉冲调制信号RF首先经过双二极管检波器进行检波，输出正、负两路的脉冲包络信号，
检波器输出的两路脉冲包络信号送至宽带对数放大器进行对数放大；送至宽带对数放大器进行对数放大是为了调整检波输出的动态范围，便于后端通道处理和高速ADC模块的A/D转换(取样)；
对数放大器输出的信号经过通道运放单元线性调整后，将脉冲的动态范围调整至高速ADC模块的A/D输入端工作范围之内，
通道运放单元输出的信号分为两路，其中一路送入带宽控制单元，另一路通道运放单元输出的信号送至高速触发电路，
所述带宽控制单元为一组可调低通滤波器，用于控制通道带宽的选择；通道带宽决定了被测窄脉冲的最小脉冲宽度、脉冲上升时间等时间参数和脉冲动态范围等幅度参数，用户可根据实际需求，选择不同的通道带宽进行测量；例如：通道运放单元输出的信号一路送入带宽控制单元，所述带宽控制单元包括三个可调低通滤波器，三个可调低通滤波器的带宽分别为5MHz、15MHz和30MHz。当选择5MHz带宽的可调低通滤波器时，则可测最小窄脉冲为200ns，最小脉冲功率为-40dBm；当选择15MHz带宽的可调低通滤波器时，则可测最小窄脉冲为75ns，最小脉冲功率为-35dBm；当选择30MHz带宽的可调低通滤波器时，则可测最小窄脉冲为30ns，最小脉冲功率为-27dBm；
所述高速触发电路为一高速比较器，高速比较器对脉冲包络进行高速比较，更具体的说是对脉冲包络信号中的脉冲检波包络进行高速比较整形，产生与被测窄脉冲同步的触发信号和与被测脉冲包络信号在时间上严格同步的脉冲信号，该触发信号的作用是触发有效ADC数据的存储，该脉冲信号的作用是用来准确触发高速ADC模块的A/D转换(取样)；例如：可以选用型号为AD96687的高速比较器；
窄脉冲调制信号经过带宽调整以后，送至高精度的高速ADC模块进行模数(A/D)转换，高速ADC模块根据高速触发电路产生的脉冲信号触发A/D转换，例如：所述高精度的高速ADC模块可以选用型号为AD6645的14位、100M/s采样率的A/D转换器；A/D数据转换持续进行；
经过高速ADC模块模数转换后得到的有效ADC数据送至FPGA(现场可编程门阵列)，有效ADC数据由高速触发电路产生的触发信号控制，存储于FPGA的内部存储区；例如：所述FPGA可以选用型号为EP3C55F484的FPGA芯片；高速触发电路产生的触发信号控制有效ADC数据的存储，FPGA芯片根据FPGA内部计数器的设置，将计数器时间内的ADC数据存储于FPGA的内部存储器；
DSP单元从FPGA的内部存储区中将有效ADC数据读出，在DSP单元内部完成数据处理，并将运算结果储存于大容量RAM内；例如：所述DSP单元可以选用型号为TMS320C6713的DSP芯片，所述大容量RAM可以选用型号为MT48LC16M16的RAM芯片；DSP单元根据触发信号上升沿的相对位置和FPGA内部计数器的设置，等待一个计数周期结束后，从FPGA内部存储器读取有效ADC数据，并在DSP内部进行计算和处理。
在上述技术方案的基础上，为了保证数据处理的实时性，所述DSP单元为32位浮点处理器，且主频至少为300M/s。例如：可以选择Ti公司的型号为TMS320C6713的32位浮点DSP作为处理器，主频至少为300M/s的32位浮点DSP能够很好的满足数据处理的要求。
在上述技术方案的基础上，为了提高窄脉冲测量的分辨率，在小时基测量时，将随机取样电路与FPGA连接，通过多次重复采样将窄脉冲还原以提高测量的分辨率。在小时基测量时，需要采用随机取样技术，通过多次重复采样将窄脉冲还原，而随机取样电路可实现随机取样的过程，有效地提高测量的分辨率。
在上述技术方案的基础上，在小时基测量时，随机取样电路与FPGA连接后，在FPGA中，将触发信号上升沿与其后面的第一个采样时钟上升沿之间的短时间间隔，送至随机取样电路；
在短时间间隔内，对330pF的电容进行充电；
在短时间间隔结束后，电容放电；
通过调节充电电阻和放电电阻的阻值，使电容的充、放电时间比为1∶250；
通过对电容充放电的过程，将短时间间隔扩展250倍，将展宽后的时间间隔送至FPGA，由100MHz的时钟计数，得到展宽后时间间隔，短时间间隔的宽度为展宽后时间间隔/250；
根据短时间间隔，通过多次重复采样，将窄脉冲还原。
在上述技术方案的基础上，DSP内存储有用于完成A/D数据取样、各种数据补偿和校准的软件，其中：对二极管的线性度，采用了已有的基于自然样条插值的功率线性校准补偿算法；对于频率响应，采用已有的基于线性插值的频响补偿算法；对于温度响应，采用已有的基于拉格朗日插值的补偿算法。二极管检波器具有非线性的i-V特性，可利用整流将高频能量转换为直流。在数学上，其检波特性服从二极管检波方程i＝Is(eαV-1)，如图2所示。且二极管检波器输出功率对环境温度有不同的响应，如图3所示。为了保证功率测量的准确，本发明软件对二极管的线性度、频率响应和温度响应进行补偿，保证脉冲功率测量的准确度。
相对于采用频率测量法和宽带检波器+宽带示波器的测量方法，本发明采用宽带二极管检波电路和宽带通道组合设计方案，可以有效地拓宽脉冲测量的动态范围；并采用软件对二极管的线性、频响和温度响应的特性进行补偿设计，可保证脉冲参数测量的准确度；采用高速A/D取样和高速DSP，可实时采样和处理窄脉冲调制的数据，并实时显示窄脉冲的时域波形。
因此本发明能够准确测量各种脉冲参数：脉冲宽度、脉冲周期、脉冲上升时间、脉冲下降时间等时间参数(如图4所示)；峰值功率、均值功率、顶部功率、底部功率、过冲等幅度参数(如图5所示)。

Claims (10)

1.一种准确测量窄脉冲调制参数的方法，其特征在于：
窄脉冲调制信号RF首先经过双二极管检波器进行检波，输出正、负两路的脉冲包络信号，
检波器输出的两路脉冲包络信号送至宽带对数放大器进行对数放大；
对数放大器输出的信号经过通道运放单元线性调整后，将脉冲的动态范围调整至高速ADC模块的A/D输入端工作范围之内，
通道运放单元输出的信号分为两路，其中一路送入带宽控制单元，另一路通道运放单元输出的信号送至高速触发电路，
窄脉冲调制信号经过带宽调整以后，送至高精度的高速ADC模块进行模数转换，高速ADC模块根据高速触发电路产生的脉冲信号触发A/D转换，
经过高速ADC模块模数转换后得到的有效ADC数据送至FPGA，有效ADC数据由高速触发电路产生的触发信号控制，存储于FPGA的内部存储区；
DSP单元从FPGA的内部存储区中将有效ADC数据读出，在DSP单元内部完成数据处理，并将运算结果储存于大容量RAM内。
2.如权利要求1所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，其特征在于：所述带宽控制单元为一组可调低通滤波器，用于控制通道带宽的选择。
3.如权利要求2所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，其特征在于：所述带宽控制单元包括三个可调低通滤波器，三个可调低通滤波器的带宽分别为5MHz、15MHz和30MHz。
4.如权利要求1所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，其特征在于：所述高速触发电路为一高速比较器，高速比较器对脉冲包络进行高速比较，更具体的说是对脉冲包络信号中的脉冲检波包络进行高速比较整形，产生与被测窄脉冲同步的触发信号和与被测脉冲包络信号在时间上严格同步的脉冲信号，该触发信号的作用是触发有效ADC数据的存储，该脉冲信号的作用是用来准确触发高速ADC模块的A/D转换。
5.如权利要求4所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，其特征在于：所述高速比较器型号为AD96687。
6.如权利要求1所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，其特征在于：所述高精度的高速ADC模块选用型号为AD6645的14位、100M/s采样率的A/D转换器，A/D数据转换持续进行。
7.如权利要求1所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，其特征在于：所述FPGA选用型号为EP3C55F484的FPGA芯片；高速触发电路产生的触发信号控制有效ADC数据的存储，FPGA芯片根据FPGA内部计数器的设置，将计数器时间内的ADC数据存储于FPGA的内部存储器。
8.如权利要求1所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，其特征在于：所述DSP单元选用型号为TMS320C6713的DSP芯片，所述大容量RAM选用型号为MT48LC16M16的RAM芯片；DSP单元根据触发信号上升沿的相对位置和FPGA内部计数器的设置，等待一个计数周期结束后，从FPGA内部存储器读取有效ADC数据，并在DSP内部进行计算和处理。
9.如权利要求1所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，其特征在于：所述DSP单元为32位浮点处理器，且主频至少为300M/s；
DSP内存储有用于完成A/D数据取样、各种数据补偿和校准的软件，其中：
对二极管的线性度，采用了已有的基于自然样条插值的功率线性校准补偿算法；
对于频率响应，采用已有的基于线性插值的频响补偿算法；
对于温度响应，采用已有的基于拉格朗日插值的补偿算法。
10.如权利要求1所述的准确测量窄脉冲调制参数的方法，其特征在于：在小时基测量时，将随机取样电路与FPGA连接，通过多次重复采样将窄脉冲还原以提高测量的分辨率。
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