CN106771710A - 一种模块化的矢量网络分析仪及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种模块化的矢量网络分析仪，包括CPU板和射频板，CPU板与射频板通过排线相连，CPU板与外置计算机通过USB3.0线缆相连，外置计算机用于处理复杂数据运算工作。本发明通过USB3.0线缆将矢量网络分析仪与外置的高性能计算机相连，不仅实现了计算机与矢量网络分析仪之间远距离高速率的数据传输，而且将复杂的数据运算工作交给了外置高性能计算机，因此省去了台式矢量网络分析仪所需的显示屏、键盘板等模块，降低成本的同时实现了矢量网络分析仪的小型化和模块化，具有即插即用的易用性。

Description

一种模块化的矢量网络分析仪及其实现方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种模块化的矢量网络分析仪，还涉及一种模块化矢量网络分析仪的实现方法。

背景技术

矢量网络分析仪作为微波毫米波科研生产领域内的一款测量仪器，目前无论是在实验室还是生产线上，台式矢量网络分析仪被广泛使用。台式矢量网络分析仪的数据处理方式是在内部主处理器的控制下，用FPGA+DSP的模式对测量数据进行预处理，然后将预处理后的数据传输到主处理器进行计算得到S参数等测试结果，并在本机的显示屏上显示，因此台式矢量网络分析仪自身需要具备显示屏、键盘板、主处理器等模块，但是受限于仪器内部有限的容积，主处理器的性能和配置跟商用高性能计算机相比相差甚远。这种经典的台式机架构使得矢量网络分析仪不仅体积很大，而且其数据处理速度以及实现的功能也差强人意。

随着生产空间日益精细化以及用户对解决方案需求的日趋多样化，体积大造价高的台式矢量网络分析仪已经不能完全满足用户的需求。

如何提供一种小型化、模块化的矢量网络分析仪，是目前亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种模块化的矢量网络分析仪及其实现方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种模块化的矢量网络分析仪，包括CPU板和射频板，CPU板与射频板通过排线相连，CPU板与外置计算机通过USB3.0线缆相连，外置计算机用于处理复杂数据运算工作；

模块化的矢量网络分析仪通过USB3.0线缆连接到外置计算机后，计算机即刻自动检测识别到矢量网络分析仪并将其配置到初始状态；计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0总线发送给CPU板；CPU板接收并转发控制命令给射频板；射频板根据接收到的命令来控制自身各模块协同工作以对被测件进行测量，将测量数据转化为数字中频信号后发给CPU板；CPU板将数字中频信号进行预处理后通过USB3.0总线发送给外置计算机，由计算机进一步计算并显示测量结果。

可选地，所述CPU板包括：FPGA和USB3.0接口控制芯片，FPGA和USB3.0接口控制芯片及其外围功能电路均由高性能计算机的USB3.0接口通过USB线缆供电，即插即用。

可选地，所述射频板包括：源模块、接收模块和CPLD模块；

其中，源模块包括10MHz参考单元、本振单元、激励源单元；10MHz参考单元产生基准频率；本振单元产生本振信号；激励源单元产生射频信号；

接收模块包括放大混频单元、ADC单元；放大混频单元接收来自被测件的反射信号并对反射信号进行放大和混频得到中频信号；ADC单元将中频信号采样数字化并发送给CPU板进行预处理；

CPLD模块接收并解析由CPU板上FPGA发来的控制信号并控制射频板上各硬件模块的协调工作。

可选地，FPGA和USB3.0接口控制芯片由外置计算机的USB3.0接口供电，在连接后计算机自动采用轮询的方式检测识别矢量网络分析仪，并通过USB3.0接口将矢量网络分析仪配置到出厂时默认的或者用户自定义的仪器初始状态。

本发明还提出了一种模块化的矢量网络分析仪的实现方法，包括以下步骤：

步骤(A1)，用USB3.0线缆将矢量网络分析仪连接到外置计算机，计算机即刻自动检测识别到矢量网络分析仪，并将其配置到初始状态；

步骤(A2)，计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0接口及线缆发送给CPU板，由CPU板将控制命令转发给射频板；

步骤(A3)，射频板按照接收到的命令执行相应的测量操作，并将测量结果数字化后发送给CPU板；

步骤(A4)，CPU板将数字化测量结果进行预处理并通过USB3.0接口及线缆发送给外置计算机；

步骤(A5)，外置计算机将预处理数据进一步处理，得到并显示用户所需要的网络参数曲线。

可选地，所述步骤(A1)具体包括：

步骤(A101)，用USB3.0线缆将矢量网络分析仪连接到外置计算机后，计算机通过USB3.0接口和线缆给CPU板的FPGA和USB3.0接口控制芯片及其外围功能电路供电，使其正常工作；

步骤(A102)，计算机自动采用轮询的方式检测并识别到矢量网络分析仪；

步骤(A103)，计算机通过USB3.0接口将识别到的矢量网络分析仪配置到出厂时默认的或者用户自定义的仪器初始状态。

可选地，所述步骤(A2)具体包括：

步骤(A201)，用排线将CPU板和射频板相连；

步骤(A202)，计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0接口及线缆发送给CPU板，由CPU板的USB3.0接口控制芯片接收控制命令并通过GPIO接口转发给FPGA；

步骤(A203)，FPGA接收并解析控制命令，然后将控制命令按照SPI协议进行编码并通过SPI总线发送给射频板的CPLD。

可选地，所述步骤(A3)具体包括：

步骤(A301)，射频板的CPLD接收到控制命令后首先对其进行解码，并根据解码后的命令启动射频板上源模块、接收模块开始工作；

步骤(A302)，源模块的10MHz参考单元产生基准频率，本振单元产生本振信号，激励源单元产生射频信号；射频信号被送到矢量网络分析仪端口并被被测件反射回来；

步骤(A303)，接收模块接收到反射信号后，将其放大后与本振信号进行混频得到中频信号，ADC单元将中频信号进行采样量化得到数字中频信号；

步骤(A304)，数字中频信号在CPLD的控制下被发送到CPU板。

可选地，所述步骤(A4)具体包括：

步骤(A401)，CPU板的FPGA对接收到的数字中频信号进行预处理，包括数字下变频、CIC抽取+FIR滤波运算；

步骤(A402)，FPGA将预处理后的数据编码后通过GPIO接口发送给USB3.0接口控制芯片，并由USB3.0接口控制芯片通过USB3.0线缆高速发送给外置计算机。

本发明的有益效果是：

(1)与体积大成本高的台式矢量网络分析仪相比，本发明省去了显示屏以及键盘板等模块，系统硬件配置简洁，用低配置的FPGA实现网络仪内部控制和计算功能，在降低仪器成本的同时实现了矢量网络分析仪的小型化和模块化；

(2)通过USB3.0总线将矢量网络分析仪获得的预处理数据高速传输到外置高性能计算机，由高性能计算机对预处理数据进行深度计算，其计算速度更快，实现的功能更复杂，主程序升级换代更容易；

(3)FPGA和USB3.0接口控制芯片由外置计算机的USB3.0接口供电，在连接后的瞬间外置计算机即可识别和配置矢量网络分析仪至初始状态，使得模块化矢量网络分析仪即插即用，同时也充分发挥了USB3.0总线长距离高速率传输的优势，最高数据传输速率为625MB/s，最长传输距离为5米。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种模块化的矢量网络分析仪的系统框图；

图2为本发明的射频板的原理图；

图3为本发明一种模块化的矢量网络分析仪的实现方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明要解决的技术问题是将当前体积大造价高的台式矢量网络分析仪小型化和模块化，为用户提供更多更灵活的解决方案。

本发明给出了一种模块化的矢量网络分析仪，通过USB3.0线缆将矢量网络分析仪与外置的高性能计算机相连，不仅实现了计算机与矢量网络分析仪之间远距离高速率的数据传输，而且将复杂的数据运算工作交给了外置高性能计算机，因此省去了台式矢量网络分析仪所需的显示屏、键盘板等模块，降低成本的同时实现了矢量网络分析仪的小型化和模块化，具有即插即用的易用性。

下面结合说明书附图对本发明的模块化的矢量网络分析仪及其方法进行详细说明。

本发明提出了一种模块化矢量网络分析仪，如图1所示，其核心模块由CPU板(中央处理板)和射频板组成，CPU板与射频板通过排线相连，CPU板与外置高性能计算机通过USB3.0线缆相连。

计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0总线发送给CPU板；CPU板接收并转发控制命令给射频板；射频板根据接收到的命令来控制自身各模块协同工作以对被测件进行测量，将测量数据转化为数字中频信号后发给CPU板；CPU板将数字中频信号进行预处理后通过USB3.0总线发送给外置计算机，由计算机进一步计算并显示测量结果。

本发明模块化后的矢量网络分析仪的启动方式为：FPGA和USB3.0接口控制芯片由外置计算机的USB3.0接口供电，在连接后计算机自动采用轮询的方式检测识别矢量网络分析仪，并通过USB3.0接口将矢量网络分析仪配置到出厂时默认的或者用户自定义的仪器初始状态。

CPU板包括：FPGA和USB3.0接口控制芯片，而且FPGA和USB3.0接口控制芯片及其外围功能电路均由高性能计算机的USB3.0接口通过USB线缆供电，实现了即插即用。

FPGA作为CPU板的主控制器，不仅对数字中频信号进行预处理，而且负责调度管理各硬件单元，使各硬件单元协调工作。

USB3.0接口控制芯片是矢量网络分析仪和外置计算机之间的高速数据交换枢纽，负责将FPGA预处理数据发送给外置计算机，同时将外置计算机的控制命令转发给CPU板。

CPU板上的电源模块产生各种类型的电压，为CPU板上其他硬件单元以及射频板上的所有硬件单元供电。

如图2所示，射频板包括：源模块、接收模块和CPLD模块。其中，源模块包括10MHz参考单元、本振单元、激励源单元；接收模块包括放大混频单元、ADC单元；CPLD模块接收并解析由CPU板上FPGA发来的控制信号并控制射频板上各硬件模块的协调工作；10MHz参考单元产生基准频率；本振单元产生本振信号；激励源单元产生射频信号；放大混频单元接收来自被测件的反射信号并对反射信号进行放大和混频得到中频信号；ADC单元将中频信号采样数字化并发送给CPU板进行预处理。

外置高性能计算机实现人机交互，对预处理数据进一步处理以得到用户所需的网络参数。本发明将复杂数据运算工作交给外置高性能计算机处理的方式，不仅减少了对矢量网络分析仪内部主控制器硬件资源的要求，而且其计算速度更快，实现的功能更复杂，主程序升级换代更容易操作。

本发明的基本工作原理为：模块化的矢量网络分析仪通过USB3.0线缆连接到外置高性能计算机后，计算机即刻自动检测识别到矢量网络分析仪并将其配置到初始状态。计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0总线发送给CPU板；CPU板接收并转发控制命令给射频板；射频板根据接收到的命令来控制自身各模块协同工作以对被测件进行测量，将测量数据转化为数字中频信号后发给CPU板；CPU板将数字中频信号进行预处理后通过USB3.0总线发送给外置计算机，由计算机进一步计算并显示测量结果。

本发明还提出了一种模块化的矢量网络分析仪的实现方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤(A1)，用USB3.0线缆将矢量网络分析仪连接到外置高性能计算机，计算机即刻自动检测识别到矢量网络分析仪，并将其配置到初始状态；

步骤(A2)，计算机通过基于windows操作系统的用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0接口及线缆发送给CPU板，由CPU板将控制命令转发给射频板；

步骤(A3)，射频板按照接收到的命令执行相应的测量操作，并将测量结果数字化后发送给CPU板；

步骤(A4)，CPU板将数字化测量结果进行预处理并通过USB3.0接口及线缆发送给外置高性能计算机；

步骤(A5)，外置高性能计算机将预处理数据进一步处理，得到并显示用户所需要的网络参数曲线。

如上面实施步骤(A1)所述，其具体处理步骤：

步骤(A101)，用USB3.0线缆将矢量网络分析仪连接到外置高性能计算机后，计算机通过USB3.0接口和线缆给CPU板的FPGA和USB3.0接口控制芯片及其外围功能电路提供5V电源，使其正常工作；

步骤(A102)，计算机自动采用轮询的方式检测并识别到矢量网络分析仪；

步骤(A103)，计算机通过USB3.0接口将识别到的矢量网络分析仪配置到出厂时默认的或者用户自定义的仪器初始状态。

如上面实施步骤(A2)所述，其具体处理步骤：

步骤(A201)，用排线将CPU板和射频板相连；

步骤(A202)，计算机通过基于windows操作系统的用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0接口及线缆发送给CPU板，由CPU板的USB3.0接口控制芯片接收控制命令并通过GPIO接口转发给FPGA；

步骤(A203)，FPGA接收并解析控制命令，然后将控制命令按照SPI协议进行编码并通过SPI总线发送给射频板的CPLD。

如上面实施步骤(A3)所述，其具体处理步骤：

步骤(A301)，射频板的CPLD接收到控制命令后首先对其进行解码，并根据解码后的命令启动射频板上源模块、接收模块开始工作；

步骤(A302)，源模块的10MHz参考单元产生基准频率，本振单元产生本振信号，激励源单元产生射频信号；射频信号被送到矢量网络分析仪端口并被被测件(LUT)反射回来；

步骤(A303)，接收模块接收到反射信号后，将其放大后与本振信号进行混频得到中频信号，ADC单元将中频信号进行采样量化得到数字中频信号；

步骤(A304)，数字中频信号在CPLD的控制下被发送到CPU板。

如上面实施步骤(A4)所述，其具体处理步骤：

步骤(A401)，CPU板的FPGA对接收到的数字中频信号进行预处理，包括数字下变频、CIC抽取+FIR滤波等运算；

步骤(A402)，FPGA将预处理后的数据编码后通过GPIO接口发送给USB3.0接口控制芯片，并由USB3.0接口控制芯片通过USB3.0线缆高速发送给外置高性能计算机。

本发明给出了一种模块化矢量网络分析仪的实现方法，通过USB3.0线缆将矢量网络分析仪与外置的高性能计算机相连，不仅实现了计算机与矢量网络分析仪之间远距离高速率的数据传输，而且将复杂的数据运算工作交给了外置高性能计算机，因此省去了台式矢量网络分析仪所需的显示屏、键盘板等模块，降低成本的同时实现了矢量网络分析仪的小型化和模块化，具有即插即用的易用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模块化的矢量网络分析仪，其特征在于，包括CPU板和射频板，CPU板与射频板通过排线相连，CPU板与外置计算机通过USB3.0线缆相连，外置计算机用于处理复杂数据运算工作；

模块化的矢量网络分析仪通过USB3.0线缆连接到外置计算机后，计算机即刻自动检测识别到矢量网络分析仪并将其配置到初始状态；计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0总线发送给CPU板；CPU板接收并转发控制命令给射频板；射频板根据接收到的命令来控制自身各模块协同工作以对被测件进行测量，将测量数据转化为数字中频信号后发给CPU板；CPU板将数字中频信号进行预处理后通过USB3.0总线发送给外置计算机，由计算机进一步计算并显示测量结果。

2.如权利要求1所述的一种模块化的矢量网络分析仪，其特征在于，所述CPU板包括：FPGA和USB3.0接口控制芯片，FPGA和USB3.0接口控制芯片及其外围功能电路均由计算机的USB3.0接口通过USB线缆供电，即插即用。

3.如权利要求1所述的一种模块化的矢量网络分析仪，其特征在于，所述射频板包括：源模块、接收模块和CPLD模块；

其中，源模块包括10MHz参考单元、本振单元、激励源单元；10MHz参考单元产生基准频率；本振单元产生本振信号；激励源单元产生射频信号；

接收模块包括放大混频单元、ADC单元；放大混频单元接收来自被测件的反射信号并对反射信号进行放大和混频得到中频信号；ADC单元将中频信号采样数字化并发送给CPU板进行预处理；

CPLD模块接收并解析由CPU板上FPGA发来的控制信号并控制射频板上各硬件模块的协调工作。

4.如权利要求1所述的一种模块化的矢量网络分析仪，其特征在于，FPGA和USB3.0接口控制芯片由外置计算机的USB3.0接口供电，在连接后计算机自动采用轮询的方式检测识别矢量网络分析仪，并通过USB3.0接口将矢量网络分析仪配置到出厂时默认的或者用户自定义的仪器初始状态。

5.一种模块化的矢量网络分析仪的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(A1)，用USB3.0线缆将矢量网络分析仪连接到外置计算机，计算机即刻自动检测识别到矢量网络分析仪，并将其配置到初始状态；

步骤(A2)，计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0接口及线缆发送给CPU板，由CPU板将控制命令转发给射频板；

步骤(A3)，射频板按照接收到的命令执行相应的测量操作，并将测量结果数字化后发送给CPU板；

步骤(A4)，CPU板将数字化测量结果进行预处理并通过USB3.0接口及线缆发送给外置计算机；

步骤(A5)，外置计算机将预处理数据进一步处理，得到并显示用户所需要的网络参数曲线。

6.如权利要求5所述的一种模块化的矢量网络分析仪的实现方法，其特征在于，所述步骤(A1)具体包括：

步骤(A101)，用USB3.0线缆将矢量网络分析仪连接到外置计算机后，计算机通过USB3.0接口和线缆给CPU板的FPGA和USB3.0接口控制芯片及其外围功能电路供电，使其正常工作；

步骤(A102)，计算机自动采用轮询的方式检测并识别到矢量网络分析仪；

步骤(A103)，计算机通过USB3.0接口将识别到的矢量网络分析仪配置到出厂时默认的或者用户自定义的仪器初始状态。

7.如权利要求5所述的一种模块化的矢量网络分析仪的实现方法，其特征在于，所述步骤(A2)具体包括：

步骤(A201)，用排线将CPU板和射频板相连；

步骤(A202)，计算机通过用户交互界面得知用户需求后，将相应控制命令通过USB3.0接口及线缆发送给CPU板，由CPU板的USB3.0接口控制芯片接收控制命令并通过GPIO接口转发给FPGA；

步骤(A203)，FPGA接收并解析控制命令，然后将控制命令按照SPI协议进行编码并通过SPI总线发送给射频板的CPLD。

8.如权利要求5所述的一种模块化的矢量网络分析仪的实现方法，其特征在于，所述步骤(A3)具体包括：

步骤(A301)，射频板的CPLD接收到控制命令后首先对其进行解码，并根据解码后的命令启动射频板上源模块、接收模块开始工作；

步骤(A302)，源模块的10MHz参考单元产生基准频率，本振单元产生本振信号，激励源单元产生射频信号；射频信号被送到矢量网络分析仪端口并被被测件反射回来；

步骤(A303)，接收模块接收到反射信号后，将其放大后与本振信号进行混频得到中频信号，ADC单元将中频信号进行采样量化得到数字中频信号；

步骤(A304)，数字中频信号在CPLD的控制下被发送到CPU板。

9.如权利要求5所述的一种模块化的矢量网络分析仪的实现方法，其特征在于，所述步骤(A4)具体包括：

步骤(A401)，CPU板的FPGA对接收到的数字中频信号进行预处理，包括数字下变频、CIC抽取+FIR滤波运算；

步骤(A402)，FPGA将预处理后的数据编码后通过GPIO接口发送给USB3.0接口控制芯片，并由USB3.0接口控制芯片通过USB3.0线缆高速发送给外置计算机。