呂德東，劉 暢，朱曉輝

（1.中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部北京100094；2.興唐通信科技有限公司北京100044）

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器[1-2]，便于人們直接觀察電量隨時間變化過程。在衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)中，示波器是測試人員觀察遙測、遙控波形、分析接口時序不可或缺的重要測試設(shè)備[3]。

虛擬儀器思想是由美國國家儀器公司（NI）率先提出，將傳統(tǒng)儀器中的一部分硬件用軟件加以代替[5]，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)硬件的功能，是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破?；谶@一理念，很大研究利用FPGA上豐富的資源相繼開發(fā)出一些嵌入式的虛擬示波器解決方案[6-8]，并取得了很好的效果。

為了降低衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)復(fù)雜度、擴(kuò)展新功能、提高測試效率，進(jìn)一步提高測試智能化水平，形成支持衛(wèi)星全生命周期的測試技術(shù)[9-11]，文中采用虛擬儀器的思想，提出了一種基于FPGA的虛擬示波器的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法，可在上位機(jī)上調(diào)取信號波形進(jìn)行圖像顯示，并集成了觸發(fā)控制、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)測量等功能，較傳統(tǒng)示波器在功能上、體積上、成本上有著很大的優(yōu)勢，可替代現(xiàn)有衛(wèi)星測試系統(tǒng)中的傳統(tǒng)示波器，作為信號波形監(jiān)視的測試設(shè)備?；贔PGA的虛擬示波器的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)不僅可以使衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)的體積大大精簡，并且有著較高的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 總體方案設(shè)計

基于FPGA的虛擬示波器從結(jié)構(gòu)上分為下位機(jī)、上位機(jī)兩大部分[12]，其中下位機(jī)采用FPGA+ARM的架構(gòu)，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)數(shù)字信號處理、參數(shù)的估計，以及數(shù)據(jù)的緩存，ARM主要負(fù)責(zé)流程管理、接口控制以及數(shù)據(jù)傳輸；上位機(jī)負(fù)責(zé)把圖形通過軟件顯示出來，也可以通過軟件發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)數(shù)據(jù)采集、信號處理的控制。基于FPGA的虛擬示波器的總體方案如圖1所示。

圖1 基于FPGA的虛擬示波器總體方案

在衛(wèi)星綜合測試過程中，待監(jiān)視的信號為中頻70 MHz的遙測信號，經(jīng)過A/D采樣后，變?yōu)椴蓸勇?00 MHz的數(shù)字信號輸入給下位機(jī)中的FPGA，經(jīng)過數(shù)字下變頻模塊后，變?yōu)椴蓸勇蕿? MHz的I、Q兩路零中頻信號，并分別輸入給功率估計模塊、頻率估計模塊和信噪比估計模塊；最后FPGA將原始數(shù)據(jù)、功率估計結(jié)果、頻率估計結(jié)果和信噪比估計結(jié)果一起輸出給FPGA內(nèi)部存儲模塊進(jìn)行存儲。數(shù)據(jù)存儲完畢后，F(xiàn)PGA向ARM發(fā)出中斷信號，ARM響應(yīng)中斷信號并通過GPMC總線控制器讀取FPGA存儲的數(shù)據(jù)，并驅(qū)動網(wǎng)卡控制器通過網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)；最后上位機(jī)將待檢測的信號波形及相關(guān)特征參數(shù)通過軟件顯示出來。

2 信號參數(shù)的估計方法

2.1 信號功率的估計

模擬信號在空間的傳輸，本質(zhì)上是信號能量的傳輸，功率表征了單位時間內(nèi)信號能量的大小，因此功率最直接的影響了信號的接收，功率過大、功率過小，以及功率突然的劇烈變化都有可能導(dǎo)致信號接收產(chǎn)生無碼、鎖相環(huán)失鎖、甚至無法解調(diào)。

輸入的采樣率為100 MHz的中頻信號在經(jīng)過下變頻模塊的處理后，變成了采樣率為1 MHz的零中頻I、Q兩路信號，可以表示為：

其功率信號可以表示為：

正交的I、Q兩路信號分別經(jīng)過平方運(yùn)算后分別得到I2(t)、Q2(t)，再經(jīng)過加法器得到功率信號的估計結(jié)果a2(t)。為了得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果，將功率估計信號進(jìn)行1 024點(diǎn)的累加，并求其平均值，作為功率估計的最終結(jié)果。信號功率估計模塊還將功率估計的結(jié)果與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，功率過大、功率過小，以及功率的劇烈變化都將判定為是異常信號，并輸出異常檢測脈沖，發(fā)出報警信號給測試人員。

2.2 信號頻率的估計

信號頻率偏差會影響通信系統(tǒng)解調(diào)性能，干擾數(shù)字鎖相環(huán)入鎖，導(dǎo)致誤碼率的增大，嚴(yán)重影響衛(wèi)星遙測信號的接收。因此，在分析接收信號的過程中，對載波頻率的異常檢測尤為重要。根據(jù)測試經(jīng)驗(yàn)分析，造成頻率變化的可能原因有發(fā)射晶振電路的變化，地面接收的下變頻器頻率漂移，衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道時的多普勒效應(yīng)均會使接收機(jī)接收信號的載波存在較大的頻率變化[13]。

經(jīng)過數(shù)字下變頻后的I、Q兩路信號可以表示為：

式中，Δωct為中頻頻率偏差。

根據(jù)基本的微積分公式：

利用正交鑒頻法得到下變頻后的信號頻率為：

再經(jīng)過濾波器濾掉Q′(t)后，可以得到中頻頻率偏差 Δωc。

正交的I、Q兩路信號分別經(jīng)過延時器后，得到兩路延時信號I(t-t0)、Q(t-t0)。根據(jù)公式（8）進(jìn)行正交鑒頻運(yùn)算，得到鑒頻結(jié)果Δωc+θ′(t)。再經(jīng)過FIR低通濾波器濾掉θ′(t)后，可以得到中頻頻率偏差Δωc。為了得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果，將頻率偏差進(jìn)行1 024點(diǎn)的累加，并求其平均值作為頻偏的估計結(jié)果。信號頻率估計模塊還將頻率估計的結(jié)果與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，頻偏過大時，則判定為輸入信號發(fā)生異常，并輸出異常檢測脈沖，發(fā)出報警信號給測試人員。

2.3 信噪比的估計

噪聲是相對信號而言的無用信息，它使得有用信號退化，降低了通信質(zhì)量。在無線通信過程中不可避免的存在著噪聲，噪聲對通信質(zhì)量的好壞，甚至能否進(jìn)行正常的通信有著極大的影響，所以信噪比是個很重要的技術(shù)指標(biāo)。信噪比估計的方法有很多種，常用的有多項(xiàng)式擬合估計法、高階距估計法、最大似然估計法、高階累積量估計法、頻域估計法等[14-15]。鑒于FFT的算法已經(jīng)相當(dāng)成熟，在計算機(jī)仿真中易于實(shí)現(xiàn)，本文選用比較適合于FPGA運(yùn)算的頻域估計法。

假設(shè)接收信號為x（n）=s（n）+v（n），式中：s（n）為發(fā)送信號，v（n）是均值為零、方差為σ2的加性高斯白噪聲。該方法估計步驟如下：

1）計算接收信號x（n）的 DFT，并計算其幅值平方[x（k）]2作為輸入信號的總能量Px；

2）將整個信道帶寬均分成300個小段，如圖2所示，分別計算每一個小段的DFT平均能量；

圖2 利用FFT求信噪比示意圖

3）選取其中能量最小的幾個部分求和作為噪聲的能量PN；

4）用輸入信號的總能量PX減去輸入的噪聲能量PN，估算輸入的信號能量PS，

5）得到信噪比SNR的估計結(jié)果：

3 信號的傳輸和顯示

3.1 信號的傳輸

基于FPGA的虛擬示波器的信號采集、參數(shù)估計是由FPGA完成的，F(xiàn)PGA通過自帶的雙口RAM IP核實(shí)現(xiàn)存儲模塊對原始信號和參數(shù)估計的結(jié)果進(jìn)行存儲[16]，并以中斷的形式通知ARM。ARM響應(yīng)中斷，通過GPMC總線讀取數(shù)據(jù)，依次經(jīng)過緩存、分包、TCP協(xié)議打包，并驅(qū)動網(wǎng)卡控制器通過網(wǎng)口傳輸給上位機(jī)。最后由上位機(jī)完成信號的波形及參數(shù)顯示，整個信號的傳輸過程如圖3所示。

圖3 基于FPGA的虛擬示波器信號的傳輸過程

3.2 信號的顯示

虛擬示波器的波形顯示界面完全基于虛擬儀器的理念，根據(jù)衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)中現(xiàn)有數(shù)字示波器的使用習(xí)慣及操作方式，利用VS2008可視化控件來實(shí)現(xiàn)信號的波形及參數(shù)顯示?；贔PGA的虛擬示波器的顯示界面共包括：控制按鍵、波形顯示、日志記錄3個部分如圖4所示[17-18]。

圖4 虛擬示波器的波形顯示界面

1）控制按鍵

虛擬示波器的控制按鍵模仿數(shù)字示波器的操作方式進(jìn)行設(shè)計，主要包括顯示坐標(biāo)調(diào)整、顯示通道選擇、界面關(guān)閉、自動調(diào)整、單步顯示、顯示界面的開始和停止等按鈕。

2）波形顯示

虛擬示波器的波形顯示的是待檢測信號的時域波形，測試人員可以通過該窗口觀察遙測、遙控波形、分析接口時序。為了更加便于用戶的使用，虛擬示波器的波形顯示界面支持鼠標(biāo)的拖動及放大，方便高效的控制和顯示功能充分考慮了用戶使用需求，使用戶得到全新，人性化，智能化的操作

3）日志記錄

虛擬示波器的日志記錄窗口顯示的是用戶的操作信息，包括操作時間、操作命令、觸發(fā)信息等。日志記錄有利于系統(tǒng)的調(diào)試、故障的定位及恢復(fù)。

4 效果評估

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

文中所提出基于FPGA的虛擬示波器采用現(xiàn)有硬件資源完成，在不增加任何新購設(shè)備的前提下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字示波器的功能，因此節(jié)約了購買數(shù)字示波器的經(jīng)費(fèi)約60萬元。在示波器設(shè)備的更新和維護(hù)上面，基于FPGA的虛擬示波器無需購買新的硬件，只需要更新軟件代碼即可，不但產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也大大縮短了更新時間。

4.2 多種功能的集成

基于FPGA的虛擬示波器利用虛擬設(shè)備的思想，通過軟件完成了硬件的功能，大大豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)示波器的功能，如：觸發(fā)控制、波形存儲、參數(shù)測量等?；贔PGA的虛擬示波器的全部功能都是通過FPGA軟件實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)PGA資源豐富、使用靈活，可以根據(jù)用戶的需求定制新的功能，使虛擬示波器的功能大大強(qiáng)化。

4.3 測試效率的提升

現(xiàn)有測試系統(tǒng)中采用的傳統(tǒng)數(shù)字示波器，測試過程需要測試人員進(jìn)行手動設(shè)置，并需要人工記錄結(jié)果、判讀及記錄，測試過程中需要人機(jī)交互，測試時間長，測試效率低下。而基于FPGA的虛擬示波器可以實(shí)現(xiàn)信號參數(shù)的軟件計算、自動上傳、及智能判讀，經(jīng)多顆衛(wèi)星的整星測試過程的驗(yàn)證，可綜合提高衛(wèi)星測試效率30%以上。

5 結(jié)論

文中所提出的基于FPGA的虛擬示波器的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法是基于虛擬儀器的思想，通過FPGA完成信號的采集和參數(shù)估計，并在上位機(jī)的顯示軟件上完成信號的波形及參數(shù)顯示。該方法集成了觸發(fā)控制、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)測量等功能，較傳統(tǒng)示波器在功能上、體積上、成本上有著很大的優(yōu)勢，可替代現(xiàn)有衛(wèi)星測試系統(tǒng)中的傳統(tǒng)示波器，作為信號波形監(jiān)視的測試設(shè)備。目前該方法已經(jīng)應(yīng)用于多顆衛(wèi)星的整星測試過程，具有廣闊的應(yīng)用前景。