基于数字采样的高速波形产生与获取技术研究

摘要

随着电子技术，尤其是军事电子技术革新带来的新体制武器装备的发展与应用，电子信号频率上限、信号带宽和调制带宽不断拓展，调制种类不断增加，波形任意化程度加剧，频率分辨力和捷变速度大幅提高。这一信号日益复杂化的趋势，对作为电子测试领域两大根本-信号产生与获取技术，提出了新的挑战。 以高速数字采样为核心的时域测试正在成为现代电子测试技术的主流方向，波形产生与获取技术也不例外。但是，由于受原理、器件等因素限制，基于采样的波形产生与获取技术面临着如何不断提高采样率和采样精度，如何尽可能提高波形质量(无失真地产生和获取信号)，如何进行高速波形大容量存储等诸多难题。本文结合攻读博士学位期间承担的多项军用电子仪器研究任务，着眼于高速任意波形发生器、宽带高精度数字化仪、宽带数字存储示波器等高性能测试仪器的技术实现，主要就如下问题展开了深入的研究： 1．高速任意波形合成。分析了两种DDS波形合成方法，提出基于分相存储和并串转换解决存储器速度限制、基于多路DAC和伪插值解决DAC速度限制的高速波形合成方法。从频域推导了伪插值合成波形结果，讨论了其主要误差来源及补偿方法。两种方法都在500MSPS任意波形发生器中得到了实际应用或验证。在此基础上，综合两种方法，设计了1.25GSPS任意波形的合成方案。 2．任意波形调制。提出了一种基于双DDS的任意波数字调制方法，研究了数字调幅和调频原理、技术方案，以及各种调制参数的控制方法。该方法可实现任意波、任意形式的幅度和频率调制，调制精度高、控制灵活。此外，充分利用了DDS的硬件资源，通过控制DDS相位累加器，实现了FSK、PSK和Burst等调制信号的产生。 3．波形幅频特性校正。在分析DDS波形合成误差的基础上，针对DAC固有的Sinc输出特性，研究了幅频特性校正滤波器的设计，讨论了模拟校正和数字校正两种方法，为100MSPS任意波形发生器中设计了一种LC校正滤波器，校正后的幅频特性曲线证明了其有效性；同时，设计了FIR数字校正滤波器的结构，确定了滤波器抽头系数，仿真结果表明补偿特性十分理想。 4．波形序列合成技术。分析了波形序列合成技术的作用与原理，给出了其设计与实现方法，通过在500MSPS任意波形发生器应用所产生的波形证明了其有效性。 5．并行交替采样及非均匀校准。分析了非均匀误差的产生和影响，提出了一种基于自适应控制的非均匀估计与综合校准方法。通过构造误差函数直接控制校正模块，采用自适应策略改变校正参数，实现失配误差的快速、准确估计；利用分数延时滤波器实现时基误差的校正，降低了硬件设计难度和系统成本，校正性能大大提高；误差估计与校正过程同时进行，不仅具有较高的实时性，同时也解决了因老化或环境因素导致失配误差变化时校准系统的有效性问题。 6．多路高速采集精密同步。分析了多路采集系统的体系结构，实现精密同步的关键环节；提出利用相位校准原理，通过自定义互连接口“ESBus”传送参考时钟和相位控制信号，从硬件上实现设备间采样时钟的精密同步；同时，提出了一种结合外部控制的主动同步调整方案，在自动同步效果不理想时，通过设置补偿相位差，达到精密同步的目标。该方法实现100ps左右的同步精度，在高速采集系统产品中达到目前国际最高水平。 7．高速大容量波形存储问题。研究了一种基于DDR技术、支持多种触发记录模式的高速采样存储控制器的设计方法，实现总突发存储率1.6Gpts/S，支持最高采样速率1.5GSPS，记录深度每通道64M以上；具有连续多段触发等多种触发记录模式；采用了面向命令的模块化设计，增强其通用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2波形产生技术研究现状

1.3波形获取技术研究现状

1.4本文主要工作

第二章高速波形合成方法研究

2.1 DDS及任意波形产生原理

2.1.1 DDS频率合成技术

2.1.2基于DDS的任意波合成

2.2波形合成误差分析

2.2.1误差模型

2.2.2相位截断误差

2.2.3幅值量化误差

2.2.4 DAC的非线性误差

2.2.5 DAC的Sinc函数调制误差

2.3基于分相存储的高速波形合成方法

2.4基于并行DAC和伪插值的高速波形合成方法

2.4.1引言

2.4.2波形合成原理

2.4.3合成误差分析

2.4.4应用验证

2.4.5分相存储与并行DAC方案综合应用

2.5波形序列合成技术

2.6本章小结

第三章波形调制与幅频特性校正技术研究

3.1模拟幅度调制

3.1.1基本原理

3.1.2调幅电路设计

3.2基于双DDS的数字调制方法

3.2.1概述

3.2.2数字频率调制

3.2.3数字调幅

3.3 FSK与PSK调制

3.4 Burst调制

3.5波形幅频特性校正

3.5.1模拟校正滤波

3.5.2数字校正滤波

3.6本章小结

第四章高速波形获取技术研究

4.1并行交替采样及非均匀校准

4.1.1并行交替采样

4.1.2非均匀采样误差

4.1.3基于自适应控制的非均匀综合校正方法研究

4.2多通道采样同步技术

4.2.1同步的概念

4.2.2基于相位校准的同步控制

4.2.3触发与存储同步

4.2.4应用情况

4.3高速大容量波形存储

4.3.1高速波形存储问题

4.3.2总体设计

4.3.3关键模块设计与实现

4.3.4测试结果

4.4本章小结

第五章总结

致谢

参考文献

个人简历、攻读博士学位期间的主要研究成果