CN106125821B - 供awg生成数字调制信号波形数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种供AWG生成数字调制信号波形数据的方法，旨在提出一种可生成稳定、低失真输出信号，能保持信号波形文件的连续性和完整性，循环读取不会产生相位跳变，生成数字调制信号波形数据的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：选取同时满足任意波形参数的载波中心频率f₀、符号速率R_s和码元个数L组合；同时在满足：波形文件的采样率f_s奈奎斯特采样率定理，且不高于DAC最高工作频率f_DAC和波形文件大小满足存储容量两个条件下，寻找最优采样总时长T_total和f_s，使产生的实际载波中心频率f′₀波形趋近于f₀；循环搜索采样总时间、采样率以及微调载波中心频率参数，求取产生最优波形参数，生成首尾相连，循环读取不产生相位跳变的信号波形文件。

Description

供AWG生成数字调制信号波形数据的方法

技术领域

本发明涉及一种可广泛用于各类整机、系统及部件、元器件的测试中，作为各种仿真信号或激励信号发生器或简称信号源，供任意波形发生器AWG生成数字调制信号波形数据的方法，更具体地说，为任意波发生器的数字调制信号波形文件产生提供的一种优化设计的方法。

技术背景

在测试系统中，激励信号源作为输入设备，并不直接测试任何参数。其作用是为待测系统提供激励信号，或者产生仿真信号，模拟电子设备所需与实际环境特性相同的信号，其性能指标与待测对象密切相关。信号源在电子实验和测试处理中，并不测量任何参数而是根据使用者的要求，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。信号源的种类很多，就产生信号的特征而言，有正弦信号发生器、函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。正弦信号发生器和函数发生器都只能产生规则的信号。由分立元件或模拟集成电路构成的波形发生器,其结构复杂,调试难度大,且不易实现程控。在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常。用一般的信号发生器，不但笨重，而且只发一些简单的波形，不能满足需要。在实际电子环境所设计的电路在运行中，由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，例如过脉冲、尖峰、阻尼瞬变、频率突变等，这些情况的发生，如在设计之初没有考虑进去，有的将会产生灾难性后果。如果给一个抗冲能力差的电路过尖峰脉冲，将可能会导致整个设备“烧坏”。编辑一个任意波形有时需要花费大量的时间和精力，并且每次编辑波形可能有所差异。在一些航空、交通制造业等领域中，有些电路运行环境很难估计，在实验设计完成之后，在现实环境还需要作更进一步实验，有些实验的成本很高或者风险性很大。

任意波形发生器(AWG,Arbitrary Waveform Generator)是近年来飞速发展起来的一类通用信号源。任意波形发生器是一种特殊的信号源，综合具有其它信号源波形生成能力，因而适合各种仿真实验的需要。与传统信号源相比，任意波形发生器的最大优势在于其产生信号的方式灵活。它不仅能产生正弦波、方波等标准波形，同时具有输出频率稳定度和分辨率高，频率切换速度快，并且切换时输出波形相位连续等优点。它还可以通过波形编辑软件，根据用户的测试需求仿真被测产品在实际条件运行时所遇到的“真实世界”信号，生成任意波形激励信号，重演由数字示波器捕获的波形，模拟甚至替代来自某个尚未安装元件的信号或测试过程中难以重复或很难通过元件和传感器生成的信号。例如在飞机的可行性和稳定性测试中，模拟试机时螺旋桨的运行情况；在通信接收机测试中，仿真接收到的信道衰减信号；在低截获概率雷达的应用中，产生复杂且捷变的波形等。目前，任意波形发生器已经取代传统信号源，广泛应用于磁盘驱动器测试、串行数据通信、基带/IF调制测试、汽车防抱死、发动机控制、变频器和生物医学模拟等领域。

AWG的基本设计思想是把所需重现的信号波形截取一个周期进行均匀采样，保存在存储器中。把存储器中的波形数据按顺序读出，经数字模拟转换器DAC转换后，再滤波，获得所需要的波形。AWG和数字存储示波器在原理上可以认为是一个互逆的过程。数字存储示波器把模拟波形通过ADC数字化，AWG把数字化的波形数据通过数字模拟转换器DAC转换为模拟波形。这两类仪器都受Nyquist定律约束，能够测量/输出的最高频率分量不超过ADC/数字模拟转换器DAC采样率的一半。就是说，根据Nyquist定律，AWG能够输出的最高频率成分不超过最大采样率的一半。实际应用中，AWG所用到的波形数据不全是真正采样获得的，通常用软件辅助产生。

在图3所示的在任意波形发生器中，用户首先要根据需要编辑完成波形文件，然后将波形数据文件放入任意波发生器的存储器内，在采样时钟的推动下，波形数据依次通过数字模拟转换器DAC转化为模拟波形输出。然而，任意波形发生器波形文件最终完整有效的输出为模拟信号有以下限制条件：首先，产生的波形数据文件须被完整放入存储器内，文件大小不能超出存储器容量；其次，通过对存储器循环寻址，波形数据被循环读取，产生连续的模拟信号。若波形数据文件首尾不连续，产生的模拟信号会发生跳变，因此波形数据文件需首尾连续，而且波形数据文件在采样时钟的控制下进行转换，所产生的波形数据文件需工作在相同的采样时钟。上述约束条件决定了，在有限的存储器容量下，任意波发生器的存储器无法保存高采样率下的长时间波形数据。

从目前发展状况来看，国外任意波形发生器的研制和生产起步较早，技术已经比较成熟。国内起步较晚，目前文献可见的研究大多集中于任意波形发生器的硬件设计，或是产生单频、AM、FM等信号。数字调制信号是通信、数传等领域的一种常用信号，但目前文献研究工作并未涉及到任意波形发生器对数字调制信号产生的相关内容。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提出一种可生成稳定、低失真输出信号，能保持信号波形文件的连续性和完整性，且波形文件首尾相连，循环读取不会产生相位跳变，供任意波形发生器AWG生成数字调制信号波形数据的方法。

为了达到上述目的，本发明提出的一种供AWG生成数字调制信号波形数据的方法，具有如下技术特征：

选取同时满足任意波形参数的载波中心频率f₀、符号速率R_s和码元个数L组合三个条件的采样率f_s和采样总时长T_total；同时在满足：波形文件的采样率f_s满足奈奎斯特采样率定理，且不高于数字模拟转换器DAC最高工作频率f_DAC和波形文件大小满足硬件存储容量两个条件下，寻找最优采样总时长T_total和采样率f_s，使产生的实际载波中心频率f′₀波形趋近于载波中心频率f₀；循环搜索采样总时间、采样率以及微调载波中心频率参数，求取产生最优波形参数，生成首尾相连，循环读取不产生相位跳变的信号波形文件。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明在首先保证符号速率R_s满足设计需求；然后，同时满足以下两个条件：波形文件的采样率f_s满足奈奎斯特采样率定理，且不高于数字模拟转换器DAC最高工作频率f_DAC，和波形文件大小满足硬件存储容量的上述条件下寻找最优采样总时长T_total和f_s，使得实际产生波形的f′₀尽量趋近f₀，可保证波形文件的连续性和完整性，且能产生方便程控、调试容易的多种类信号波形。通过选取适当的采样总时间、采样率以及微调载波中心频率参数，可生成稳定、精确、纯净、连续和低失真输出信号的信号波形文件，为日益提高的测量挑战提供了优秀的波形应用混合信号激励解决方案。

本发明通过选取适当的采样总时间、采样率以及微调载波中心频率参数，产生信号波形文件。产生的信号波形文件可满足对应信号参数组合，通过输入接口导入到任意波形发生器的存储器内，在采样时钟的控制下转换为连续模拟波形输出。产生的波形文件可导入各种任意波形发生器，输出对应信号，增加了任意波形发生器使用的灵活性。

本发明对于任意数字调制信号的参数组合，在满足任意波形发生器的存储容量和采样速率限制条件下，寻求参数优化设计，生成信号波形文件，参数优化设计通过循环搜索的方式，选取适当的采样总时间、采样率以及微调的载波中心频率参数，在满足任意波形发生器的存储容量及采样速率条件下，可以获得最优波形实际采样总时间以及采样率。产生的信号波形文件包含完整的数据信息，且波形文件首尾相连，能保持信号波形文件的连续性和完整性，循环读取不会产生相位跳变。产生的信号波形文件通过输入接口导入到任意波形发生器的存储器内，在采样时钟的控制下转换为连续模拟波形输出。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，现将通过本发明实施例，同时参照附图，来描述本发明，其中：

图1是含有本发明的任意波形发生器的工作原理框图。

图2是本发明数字调制信号的波形示意图。

图3是本发明生成数字调制信号波形数据的流程图。

具体实施方式

参阅图1、图2。传输数字信号有三种基本调制方式：幅度键控、频移键控和相移键控，它们分别对应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。与数字调制信号波形产生相关参数有：载波中心频率f₀、符号速率R_s、码元个数L和采样率f_s。根据本发明，选取同时满足任意波形参数的载波中心频率f₀、符号速率R_s和码元个数L组合，三个条件的采样率f_s和采样总时长T_total；同时在满足：波形文件的采样率f_s满足奈奎斯特采样率定理，且不高于数字模拟转换器DAC最高工作频率f_DAC和波形文件大小满足硬件存储容量两个条件下，寻找最优采样总时长T_total和采样率f_s，使产生的实际载波中心频率f′₀波形趋近于载波中心频率f₀；循环搜索采样总时间、采样率以及微调载波中心频率参数，求取产生最优波形参数，生成首尾相连，循环读取不产生相位跳变的信号波形文件。

在对于任意波形参数载波中心频率f₀、符号速率R_s和码元个数L组合中，某些组合情况下，不存在同时满足上述三个条件的f_s和采样总时长T_total时，适当调整载波中心频率f₀，选取同时满足上述三个条件的f_s和采样总时长T_total，以求产生最优波形参数。

产生的数字调制信号波形文件需满足以下条件：

条件1：采样总时长T_total内包含完整的载波周期和L整倍数的码元周期，即：

为正整数。

条件2：波形文件的采样率f_s需满足奈奎斯特采样率定理，且不高于数字模拟转换器DAC最高工作频率f_DAC，即：

2(f₀+R_s)≤f_s≤f_DAC

条件3：波形文件大小满足硬件存储容量要求，即波形文件长度N不大于总存储长度N_max，数学表达式为：

N≤N_max

其中，N＝T_total·f_s。

参阅图3。对于任意波形参数f₀、R_s和L组合，波形文件产生的难点是如何选取同时满足上述三个条件的f_s和采样总时长T_total。而某些组合情况下，不存在同时满足上述三个条件的f_s和采样总时长T_total时，需进行适当调整，以求产生最优波形参数。本发明的设计思想是首先保证符号速率R_s满足设计需求，即滿足然后，在条件2和条件3同时滿足的基础上，寻找最优采样总时长T_total和f_s，使得实际产生波形的f′₀尽量趋近f₀。

具体设计步骤如下：

(1)在计算采样总时长时，令循环参数k＝1，由计算获得采样总时长T_total的值。

(2)计算实际载波个数m′。根据可计算出当前采样总时长T_total对应载波中心频率f₀的载波个数m。对m四舍五入获得调整后的载波个数m′。

(3)计算实际载波中心频率f′₀。由采样总时长T_total和载波实际个数m′，根据可获得实际载波中心频率f′₀。

(4)判定上述计算结果是否满足条件2和条件3。判定是否存在波形文件长度N，满足2(f′₀+R_s)·T_total≤N≤min{f_DAC·T_total,N_max}，

即判定2(f′₀+R_s)·T_total≤min{f_DAC·T_total,N_max}是否成立。条件成立则进入步骤(5)，反之搜索结果，进入步骤(8)。

(5)令N_k＝min{f_DAC·T_total,N_max}，并记录当前波形文件长度N_k对应的实际载波中心频率f′_0,k，以及采样总时长T_total,k。

(6)对实际载波中心频率f′_0,k进行判决，若f′_0,k＝f₀，则寻找到同时满足3.1节中三个条件的f_s和总采样总时长T_total，将f′_0,k保存至暂时最优f′_0,y，并同时保存f′_0,k对应的k至k_y。搜索结束，跳转至步骤(8)。若f′_0,k≠f₀，则将本次循环所得的f′_0,k与暂时最优f′_0,y进行比较，两者中与f₀偏差较小的值保存到暂时最优f′_0,y，并同时保存对应k至k_y。若k＝1，则f′_0,y＝f′_0,1，k_y＝1。

(7)令k＝k+1，重新计算采样总时长T_total的值。并跳转至步骤(2)。

(8)搜索结果，获得最优T_total和f_s。由当前循环参数k_y的值，可计算出对应最优T_total和采样率f_s。

Claims (9)

1.一种供AWG生成数字调制信号波形数据的方法，具有如下技术特征：

在采样总时长T_total内包含完整的载波周期和L整倍数的码元周期m，k为正整数；波形文件的采样率f_s满足奈奎斯特采样率定理，且不高于数字模拟转换器DAC最高工作频率f_DAC，即：2(f₀+R_s)≤f_s≤f_DAC；波形文件大小满足硬件存储容量要求，即波形文件长度N不大于总存储长度N_max，数学表达式为N≤N_max，且N＝T_total·f_s，这三个条件下，选取同时满足任意波形参数的载波中心频率f₀、符号速率R_s和码元个数L组合三个条件的采样率f_s和采样总时长T_total；同时在满足：波形文件的采样率f_s满足奈奎斯特采样率定理，且不高于数字模拟转换器DAC最高工作频率f_DAC和波形文件大小满足硬件存储容量两个条件下，寻找2(f₀+R_s)≤f_s≤f_DAc中最优采样总时长T_total和采样率f_s，使产生的实际载波中心频率f′₀波形趋近于载波中心频率f₀；然后循环搜索采样总时间、采样率以及微调载波中心频率参数，求取产生最优波形参数，生成首尾相连，循环读取不产生相位跳变的信号波形文件；在不存在同时满足三个条件的采样率f_s和采样总时长T_total时，首先保证符号速率R_s满足以求产生最优波形参数；然后在上述同时满足的基础上，寻找最优的采样总时长T_total和采样率f_s，使得实际产生波形的载波中心频率f′₀尽量趋近于载波中心频率f₀。

2.如权利要求1所述的供AWG生成数字调制信号波形数据的方法，其特征在于，波形文件长度N不大于最大总存储长度N_max，且数学表达式为：N≤N_max，其中，N＝T_total·f_s。

3.如权利要求1所述的供AWG生成数字调制信号波形数据的方法，其特征在于，在对于任意波形参数载波中心频率f₀、符号速率R_s和码元个数L组合中，不存在同时满足上述三个条件的采样率f_s和采样总时长T_total时，调整载波中心频率f₀，选取同时满足上述三个条件的f_s和采样总时长T_total，求取产生最优波形参数。

4.如权利要求1所述的供AWG生成数字调制信号波形数据的方法，其特征在于，在计算采样总时长时，令k＝1，由计算获得采样总时长T_total的值。

5.如权利要求1所述的供AWG生成数字调制信号波形数据的方法，其特征在于，波形数据设计者根据采样总时长T_total计算实际载波个数m′和计算出当前采样总时长T_total对应载波中心频率f₀的载波个数m，对m四舍五入获得调整后的实际载波个数m′。

6.如权利要求1所述的供AWG生成数字调制信号波形数据的方法，其特征在于，波形数据设计者根据采样总时长T_total和m′计算计算实际载波中心频率f′₀，由采样总时长T_total和载波实际个数m′，根据获得实际载波中心频率f′₀。

7.如权利要求1所述的供AWG生成数字调制信号波形数据的方法，其特征在于，波形数据设计者判定是否存在波形文件长度N，满足2(f′₀+R_s)·T_total≤N≤min{f_DAC·T_total，N_max}，即判定2(f′₀+R_s)·T_total≤min{f_DAC·T_total，N_max}是否成立，条件成立则令当前波形文件长度N_k＝min{f_DAC·T_total，N_max}，并记录N_k对应的实际载波中心频率f′_0，k，以及采样总时长T_total，k，反之搜索结果，获得最优采样总时长T_total和f_s，由当前循环参数k_y的值，计算出对应最优采样总时长T_total和f_s。

8.如权利要求7所述的供AWG生成数字调制信号波形数据的方法，其特征在于，在对实际载波中心频率f′_0，k进行判决中，若f′_0，k＝f₀，则寻找到同时满足三个条件的采样率f_s和采样总时长T_total，将f′_0，k保存至暂时最优载波中心频率f′_0，y，并同时保存f′_0，k对应的k至当前循环参数k_y；若f′_0，k≠f₀，则将本次循环所得的f′_0，k与暂时最优f′_0，y进行比较，两者中与f₀偏差较小的值保存到暂时当前搜索状态下的最优载波中心频率f′_0，y，并同时保存对应k至k_y，若k＝1，则f′_0，y＝f′_0，1，k_y＝1，否则，令k＝k+1，重新计算采样总时长T_total值，并跳转至计算实际载波个数m′。

9.如权利要求8所述的供AWG生成数字调制信号波形数据的方法，其特征在于，由当前循环参数k_y的值，计算出对应最优采样总时长T_total和采样率f_s。