CN109783418A - 一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，采用模块化、标准化、通用化设计思想，能够有效解决设备测试中宽频带信号高速采集、波形存储与测量分析等技术难题；本发明通过宽带模拟信号采集与回放模块、多通道光纤数据收发模块、多通道LVDS数据收发模块分别实现对宽频带模拟、数字信号的实时采集、缓存、记录与回放；宽带模拟信号采集与回放模块中的可重构AD模块针对不同带宽信号以及精度要求，实现采样率可控的信号采集；背板通信模组采用可重构总线技术将各功能模块、固态硬盘阵列以及嵌入式计算机进行互连通信。

Description

一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统

技术领域

本发明涉及通信、雷达、导航、电子对抗等领域中电子设备研制、生产、验收以及日常维护中性能测试与评估中的宽带信号实时采集、存储、分析和回放技术，具体涉及一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统。

背景技术

电子技术、半导体技术、通信技术、数字信号处理技术和计算机技术等先进技术发展迅速，有力推动了卫星通信、移动通信、电视广播、雷达和电子战系统等的高速发展。随着我军装备水平不断提升，雷达通信系统、有线通信系统、无线通信系统、光纤通信系统、卫星通信系统、电子对抗系统、电子侦察系统、自动化指挥系统等多种保障系统装备都已建成，并朝着宽带化和数字化方向发展。并对其接收机等的线性度、动态范围、灵敏度、分辨率、抗干扰能力和适应性等方面的性能和指标提出了更高的要求。微电子技术和半导体工艺等的飞速发展有效促进了高性能ADC芯片的产生，使得宽带中频信号直接采样更加容易实现，有力推动了宽带中频接收机等的高速发展和广泛应用。通过宽带信号的直接高速采集与处理，可以有效提高装备的性能，并促进装备的发展。与此同时，对相关测试设备也提出了更高的要求。因此，迫切需要研制符合装备发展趋势、满足装备测试需求的高性能测试设备，以能够对装备进行性能测试和评估。

在我军宽带通信中，不论是在通信装备厂家的研制、试验、生产和维修过程中，还是在基层部队或用户的现场维护和技术状态检查过程中，都迫切需要研制一种具备宽带信号采集、存储、分析与回放等功能的一体化测试仪器，不仅可以实现宽带模拟信号的高速采集、存储、分析与回放，还可以实现宽带数字IQ信号的高速采集、存储、分析与回放等功能。这种测试设备能够为实时获取宽带数据和进行数据分析提供保障，可以为宽带通信装备的性能分析提供关键数据支持，以实现对装备性能的有效测试与评估。同时能够有效提高部队的工作效率，并提升部队对装备的日常维护水平和保障能力。

发明内容

为实现上述技术目的，本发明提供了一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，包括宽带模拟信号采集与回放模块、多通道光纤数据收发模块、多通道LVDS数据收发模块、宽带数据存储模块、嵌入式计算机主板、高速可重构总线模块、数据缓存模块及电源模块；

所述宽带模拟信号采集与回放模块用于宽带模拟信号的采集、缓存、传输与回放；多通道光纤数据收发模块用于高速光纤数据的接收、缓存、传输与回放；多通道LVDS数据收发模块实用于高速LVDS数据的接收、缓存、传输与回放；宽带数据存储模块用于对所采集宽带数据流进行高速实时存储、回放数据读取与传输；

其中，高速可重构总线模块用于建立宽带模拟信号采集与回放模块、多通道光纤数据收发模块、多通道LVDS数据收发模块、宽带数据存储模块及电源模块和背板系统总线之间的通信，包括背板总线控制器、嵌入式计算机主板和功能模块供电接口，背板总线控制器用于控制背板通信，负责接收背板系统总线下发的命令或数据，以及通过系统总线传输各模块接收到的数据；嵌入式计算机主板用于通过背板通信，对各模块进行参数配置以及所采集记录数据进行处理分析；功能模块供电接口用于从电源模块采集电源信号，并向各功能模块提供所需要的电源信号。

其中，所述宽带模拟信号采集与回放模块包括下变频单元、输入调理单元，可重构AD转换单元、上变频单元、DA转换单元、信号放大单元、模拟模块数据缓存模组、模拟模块系统命令解析与发送单元及模拟模块电源管理单元；数据记录时，下变频单元信号输出端与输入调理单元输入端相连，输入调理单元输出信号与可重构AD转换单元连接，可重构AD转换单元实现对处理后的I、Q信号进行可调采样率模数转换，通过模拟模块缓存接口控制器发送至模拟模块数据缓存模组；模拟模块数据缓存模组用于进行宽带模拟信号采集与回放模块与背板通信模组的速率匹配；模拟模块数据缓存模组通过背板总线控制器的背板通信模组与宽带数据存储模块及嵌入式计算机主板相连。

其中，可重构AD转换单元针对不同带宽信号以及精度要求，分为单ADC采样，双ADC时间交替采样两种模式；用户指令通过系统总线，经背板传输至模拟模块系统命令解析与发送单元，控制可重构采集控制器，对可重构AD转换单元I、Q信号的采样模式进行控制选择。

其中，光纤数据收发模块包括光纤接口通信模组、光纤模块数据缓存模组、光纤模块系统命令解析与发送单元及光纤模块电源管理单元；所述光纤接口通信模组包括高速光模块、FPGA内部的串行高速数据收发器和光纤接口控制器，光纤接口控制器用于接口数据收发控制和通信控制；光纤数据通过光纤模块缓存接口控制器发送至光纤模块数据缓存模组；光纤接口通信模组完成光纤数据的高速全双工通信、数据协议打包与解析、光纤状态监测功能。

其中，多通道LVDS数据收发模块包括LVDS接口通信模组、LVDS模块数据缓存模组、LVDS模块背板通信模组、LVDS模块系统命令解析与发送单元和LVDS模块电源管理单元；所述LVDS接口通信模组包括LVDS解码解串接收电路、LVDS编码串化发送电路及LVDS接口控制器，LVDS数据从LVDS接口控制器发送至LVDS模块缓存接口控制器，以在LVDS模块数据缓存模组中进行存储；LVDS接口通信模组用于完成LVDS接口数据的高速全双工通信、数据协议打包与解析功能。

其中，宽带数据存储模块包括SSD硬盘阵列和SATA控制器；其中，SSD硬盘阵列作为存储介质，实现宽带数据的海量存储。

其中，高速可重构总线模块利用总线功能重构技术，实现标准系统总线功能，用于功能模块与计算机之间的通信；同时通过功能重构实现高速背板通信功能，用于实现不同功能模块之间的高速互联互通。

其中，高速可重构总线模块通过配置为PCIe总线，实现功能模块与嵌入式计算机主板之间的通信；所述高速可重构总线模块通过配置为mSATA总线，实现功能模块与宽带数据存储模块之间的通信；所述高速可重构总线模块通过配置为RapidIO总线，实现功能模块之间的数据通信；所述高速可重构总线模块通过配置为XAUI总线，实现万兆以太网接口，以实现网络化系统集成。

区别于现有技术，本发明的宽频带信号高速采集与波形存储分析系统采用模块化、标准化、通用化设计思想，能够有效解决设备测试中宽频带信号高速采集、波形存储与测量分析等技术难题；本发明通过宽带模拟信号采集与回放模块、多通道光纤数据收发模块、多通道LVDS数据收发模块分别实现对宽频带模拟、数字信号的采集记录；宽带模拟信号采集与回放模块中的可重构AD模块针对不同带宽信号以及精度要求，实现采样率可控的信号采集；记录背板通信模组的可重构总线技术将各功能模块、固态硬盘阵列以及嵌入式计算机进行互连通信。

附图说明

图1是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统总体的结构示意图；

图2是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统中宽带模拟信号采集与回放模块原理示意图；

图3是本发明本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统中多通道光纤数据收发模块原理示意图；

图4是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统中多通道LVDS数据收发模块原理示意图；

图5是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统中宽带数据存储模块的原理示意图；

图6是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统中高速可重构总线模块的原理示意图；

图7是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统中嵌入式计算机的原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

针对军用通信、雷达、导航、电子对抗等领域中电子设备研制、生产、验收以及日常维护中性能测试与评估中的宽带信号实时采集、存储、分析和回放系统的迫切需求，本发明提供了一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，其采用模块化、标准化、通用化设计思想，有效解决设备测试中宽频带信号高速采集、波形存储与测量分析等技术难题。

参阅图1，图1是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统总体的结构示意图。本发明的宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，采用上位机和下位机相互结合方式实现系统功能，利用系统集成的方法，整个系统包括硬件部分和配合使用的软件部分。其中硬件部分由宽带模拟信号采集与回放模块、多通道光纤数据收发模块、多通道LVDS数据收发模块、宽带数据存储模块、嵌入式计算机主板、高速可重构总线模块、数据缓存模块及电源模块组成。宽带模拟信号采集与回放模块实现宽带模拟信号的采集、缓存、传输与回放功能；多通道光纤数据收发模块实现高速光纤数据的接收、缓存、传输与回放功能；多通道LVDS数据收发模块实现高速LVDS数据的接收、缓存、传输与回放功能；通过宽带数据存储模块实现所采集宽带数据流的高速实时存储、回放数据读取与传输等功能；前述各功能模块与系统总线之间通过高速可重构总线模块进行通信，高速可重构总线模块包括背板总线控制器和功能模块供电接口，其中，背板总线控制器主要用于控制背板通信，负责接收背板系统总线下发的命令或数据，以及通过系统总线传输各功能模块接收到的数据；嵌入式计算机主板通过背板通信，对各模块进行参数配置以及所采集记录数据进行处理分析；电源管理单元负责向系统各功能模块提供所需要的电源信号。

参阅图2，图2是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统总体的结构示意图。本发明所述宽带模拟信号采集与回放模块主要包括下变频单元、输入调理单元、可重构AD转换单元、上变频单元、DA转换单元、信号放大单元，以及模拟模块数据缓存模组、模拟模块背板通信模组、模拟模块系统命令解析与发送单元和模拟模块电源管理单元。数据记录时，下变频单元采用正交解调芯片将输入宽带信号分解为正交I、Q信号，完成下变频；输入调理单元进一步滤除信号中的镜像频率以及频带外的噪声，并调整信号增益以满足AD要求；可重构AD转换单元实现对处理后的I、Q信号进行可调采样率模数转换，发送至模拟模块数据缓存模组；模拟模块数据缓存模组包括数据缓存电路和缓存控制器，数据缓存电路主要包括DDR3 SDRAM缓存芯片以及相关外围配置电路，缓存接口控制器实现对数据缓存电路的控制，通过模拟模块数据缓存模组实现功能模块与背板通信模组的速率匹配；模拟模块背板通信模组将缓存后的数据发送至宽带数据存储模块进行实时存储，或者直接上传至计算机进行数据处理，实现宽带模拟信号的采集与记录功能。数据回放时，宽带数据存储模块中记录的数据或由计算机控制软件产生的虚拟波形数据通过背板传输至FPGA内部数字上变频单元；数字上变频单元对基带I、Q信号进行正交调制以及频谱搬移；DA转换单元将调制后的数据转换为模拟信号输出至信号放大单元；信号放大单元滤除输出信号中的采样频率附近的镜像并对输出信号进行功率放大。模拟模块电源管理单元与高速可重构总线模块的电源管理单元通过背板通信模组连接，接收电源信号对述宽带模拟信号采集与回放模块供电。如图所示，上述提及的可重构采集控制器、上变频单元、缓存接口控制器、系统命令解析与发送单元及背板总线控制器集成于FPGA器件中，其余功能单元通过与FPGA器件的接口连接。

具体地，可重构AD转换单元共采用4个TI公司16位1.0Gsps的模数转换器ADS54J60对I、Q信号进行采样转换，针对不同带宽信号以及精度要求，分为单ADC采样，双ADC时间交替采样两种模式，用户通过软件下发指令，经模拟模块背板通信模组传输至FPGA内部，再由系统命令解析与发送单元发送至可重构采集控制器，进而实现对I、Q信号的采样模式控制选择。

参阅图3，图3是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统中多通道光纤数据收发模块原理示意图。所述多通道光纤数据收发模块包括光纤接口通信模组、光纤模块数据缓存模组、光纤模块背板通信模组、光纤模块系统命令解析与发送单元及光纤模块电源管理单元。所述光纤接口通信模组包括光纤接口硬件电路和光纤接口控制器，光纤接口硬件电路包括高速光模块和FPGA内部的串行高速数据收发器，光纤接口控制器包括接口数据收发器控制单元和通信控制单元。光纤接口通信模组完成光纤数据的高速全双工通信、数据协议打包与解析、光纤状态监测等功能；光纤模块数据缓存模组实现功能模块与光纤模块背板通信模组的速率匹配；光纤模块背板通信模组将缓存后的数据上传至宽带数据存储模块或计算机进行数据处理，以及将记录数据和计算机的指令发送至数据缓存模组和FPGA内部；光纤模块系统命令解析与发送单元负责完成系统命令的解析与发送，完成系统状态的辨别与上传，并发送至光纤接口通信模组以数据收发相关控制。同理，光纤接口通信模组的光纤接口控制器、数据缓存模组的缓存接口控制器、系统命令解析与发送单元及背板通信模组的背板总线模组控制器均集成于FPGA中，其余功能单元通过FPGA的接口与之建立连接。

参阅图4，图4是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统中多通道LVDS数据收发模块原理示意图。所述多通LVDS数据收发模块包括LVDS接口通信模组、LVDS模块数据缓存模组、LVDS模块背板通信模组、LVDS模块系统命令解析与发送单元、LVDS模块电源管理单元。所述LVDS接口通信模组包括LVDS解码解串接收电路和编码串化发送电路。LVDS接口通信模组完成LVDS接口数据的高速全双工通信、数据协议打包与解析等功能；LVDS模块数据缓存模组实现功能模块与背板通信模组的速率匹配；LVDS模块背板通信模组将缓存后的数据上传至宽带数据存储模块或计算机进行数据处理，以及将记录数据和计算机的指令发送至LVDS模块数据缓存模组和FPGA内部；LVDS模块系统命令解析与发送单元负责完成系统命令的解析与发送，完成系统状态的辨别与上传，并发送至LVDS接口通信模组以数据收发相关控制。LVDS接口通信模组的接口控制器、数据缓存模组的缓存接口控制器、系统命令解析与发送单元及背板通信模组的背板总线控制器均集成于FPGA中。

参阅图5，图5是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统中宽带数据存储模块原理示意图。所述宽带数据存储模块主要以数据存储模组为功能核心，包括SSD硬盘阵列和SATA控制器，SSD硬盘阵列作为存储介质，实现宽带数据的海量存储。宽带数据存储模块的数据存储模组把16个mSATA固态硬盘以8个为1组，分成2组，数据记录时，SATA控制器将背板传输过来的数据按SATA标准协议要求进行数据打包并写入SSD硬盘阵列；数据读取时，SATA控制器通过SATA接口将数据读出，按照SATA协议进行数据解包，并将数据传输至背板总线控制器，由背板总线控制器实现与其它模块的数据通信。

进一步地，所述SSD硬盘阵列配置灵活，可更换为单个容量为2TB的mSATA固态硬盘组成固态硬盘阵列，则可以将整个设备的存储容量扩展至32TB。系统提供外接存储扩展插槽，还可以通过外接固态硬盘阵列扩展设备存储容量。

参阅图6，图6是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统中高速可重构总线的原理示意图。高速可重构总线模块利用总线功能重构技术，使得该总线不仅可以实现标准系统总线功能，用于实现功能模块与计算机之间的通信，还可以通过功能重构实现高速背板通信功能，用于实现不同功能模块之间的高速互联互通。将其配置为PCIe总线，可用于实现功能模块与嵌入式计算机之间的通信；将其配置为mSATA总线，可用于实现功能模块与宽带数据存储模块之间的通信；将其配置为RapidIO总线，可用于实现功能模块之间的数据通信；将其配置为XAUI总线，可用于实现万兆以太网接口，以实现网络化系统集成。

参阅图7，图7是本发明提供的一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统中嵌入式计算机的原理示意图。本发明嵌入式计算机内置软件设计采用模块化思想，主要包括主控程序、参数配置程序、功能模块程序和设备驱动程序。整机软件采用Win 7作为开发平台，采用面向对象的设计方法，对各个功能子系统进行设计编程，使各模块具有相对的独立性。具体包括输入参数配置模块、存储参数配置模块、输出参数配置模块、数据生成参数配置模块、数据记录模块、数据回放模块、数据生成模块、监测分析模块、波形分析模块、脉冲分析模块、解调分析模块、调制识别模块、存储管理模块、波形显示模块，LAN接口驱动、USB接口驱动、PCIe驱动、显示驱动。应用程序主界面设计为几个功能独立的区域，依次为功参数设置区、状态显示区、数据分析区、功能菜单区。

整机软件设计采用面向对象的可视化软件设计方法和基于事件触发的机制，设计有详尽的功能菜单，能够提供多种控制和信号参数分析，以实现对采集、存储、分析与回放等功能的控制。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，其特征在于，包括宽带模拟信号采集与回放模块、多通道光纤数据收发模块、多通道LVDS数据收发模块、宽带数据存储模块、嵌入式计算机主板、高速可重构总线模块、数据缓存模块及电源模块；

所述宽带模拟信号采集与回放模块用于宽带模拟信号的采集、缓存、传输与回放；多通道光纤数据收发模块用于高速光纤数据的接收、缓存、传输与回放；多通道LVDS数据收发模块用于高速LVDS数据的接收、缓存、传输与回放；宽带数据存储模块用于对所采集宽带数据流进行高速实时存储、回放数据读取与传输；

其中，高速可重构总线模块用于建立宽带模拟信号采集与回放模块、多通道光纤数据收发模块、多通道LVDS数据收发模块、宽带数据存储模块及电源模块和背板系统总线之间的通信，包括背板总线控制器、嵌入式计算机主板和功能模块供电接口，背板总线控制器用于控制背板通信，负责接收背板系统总线下发的命令或数据，以及通过系统总线传输各模块接收到的数据；嵌入式计算机主板通过背板通信模组，实现对各模块进行参数配置以及所采集记录数据进行处理分析；功能模块供电接口用于从电源模块采集电源信号，并向各功能模块提供所需要的电源信号。

2.如权利要求1所述的宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，其特征在于，所述宽带模拟信号采集与回放模块包括下变频单元、输入调理单元，可重构AD转换单元、上变频单元、DA转换单元、信号放大单元、模拟模块数据缓存模组、模拟模块系统命令解析与发送单元及模拟模块电源管理单元；数据记录时，下变频单元信号输出端与输入调理单元输入端相连，输入调理单元输出信号与可重构AD转换单元连接，可重构AD转换单元实现对处理后的I、Q信号进行可调采样率模数转换，通过模拟模块缓存接口控制器发送至模拟模块数据缓存模组；模拟模块数据缓存模组用于进行宽带模拟信号采集与回放模块与背板通信模组的速率匹配；模拟模块数据缓存模组通过背板总线控制器的背板通信模组与宽带数据存储模块及嵌入式计算机主板相连。

3.如权利要求2所述的宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，其特征在于，可重构AD转换单元针对不同带宽信号以及精度要求，分为单ADC采样，双ADC时间交替采样两种模式；用户指令通过系统总线，经背板传输至模拟模块系统命令解析与发送单元，控制可重构采集控制器，对可重构AD转换单元I、Q信号的采样模式进行控制选择。

4.如权利要求1所述的宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，其特征在于，所述光纤数据收发模块包括光纤接口通信模组、光纤模块数据缓存模组、光纤模块系统命令解析与发送单元及光纤模块电源管理单元；所述光纤接口通信模组包括高速光模块、FPGA内部的串行高速数据收发器和光纤接口控制器，光纤接口控制器用于接口数据收发控制和通信控制；光纤数据通过光纤模块缓存接口控制器发送至光纤模块数据缓存模组；光纤接口通信模组完成光纤数据的高速全双工通信、数据协议打包与解析、光纤状态监测功能。

5.如权利要求1所述的宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，其特征在于，所述多通道LVDS数据收发模块包括LVDS接口通信模组、LVDS模块数据缓存模组、LVDS模块背板通信模组、LVDS模块系统命令解析与发送单元和LVDS模块电源管理单元；所述LVDS接口通信模组包括LVDS解码解串接收电路、LVDS编码串化发送电路及LVDS接口控制器，LVDS数据从LVDS接口控制器发送至LVDS模块缓存接口控制器，以在LVDS模块数据缓存模组中进行存储；LVDS接口通信模组用于完成LVDS接口数据的高速全双工通信、数据协议打包与解析功能。

6.如权利要求1所述的宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，其特征在于，所述宽带数据存储模块包括SSD硬盘阵列和SATA控制器；其中，SSD硬盘阵列作为存储介质，实现宽带数据的海量存储。

7.如权利要求1所述的宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，其特征在于，所述高速可重构总线模块利用总线功能重构技术，实现标准系统总线功能，用于功能模块与计算机之间的通信；同时通过功能重构实现高速背板通信功能，用于实现不同功能模块之间的高速互联互通。

8.如权利要求7所述的宽频带信号高速采集与波形存储分析系统，其特征在于，所述高速可重构总线模块通过配置为PCIe总线，实现功能模块与嵌入式计算机主板之间的通信；所述高速可重构总线模块通过配置为mSATA总线，实现功能模块与宽带数据存储模块之间的通信；所述高速可重构总线模块通过配置为RapidIO总线，实现功能模块之间的数据通信；所述高速可重构总线模块通过配置为XAUI总线，实现万兆以太网接口，以实现网络化系统集成。