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使用模塊化高速數據采集卡進行射頻測量(RF)

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2016-02-18 10:20:00

 使用模塊化高速數據采集卡進行射頻測量(RF

 
現代模塊化、高速接口的高速數據采集卡能夠比以往同類產品提供更寬的帶寬、更高的分辨率。盡管模塊化高速數據采集卡是通用目的的測量產品,但它們具有足夠的能力實現多種射頻(RF)和低頻微波測量。這篇文章將重點介紹利用模塊化高速數據采集卡實現一些常用射頻(RF)測量的例子。
 

使用高速數據采集卡進行RF測量應用的原因

在您的測量應用中,模塊化高速數據采集卡能夠提供明顯的優勢,如果您有以下方面的相關要求。
您需要很高的數據吞吐量么?

基于PCIe傳輸總線的模塊化的高速數據采集卡可以實現高達3.4Gbytes/s數據流速度,能有快速將數據傳輸的計算機,并進行相關處理和分析,同時實現了長時間數據采集存儲,如使用磁盤陣列時,存儲時間可達幾個小時以上。

您在芯片、設備的故障檢測或測量過程中,需要做分析和處理么?

如果您需要測量、分析和處理數據,那么模塊化高速數據采集卡將是為理想的工具。無論在使用商業還是個人定制數據分析軟件的情況下,高速數據采集卡和計算機的緊密搭配,都使得它們成為處理大量數據的極佳選擇。高速數據采集卡提供了快速數據采集能力,而臺式工具提供了數據分析必要的交互式界面瀏覽功能。
 
您需要在低電壓、較小的體積空間內實現多個通道的數據采集么?
 
現代模塊化高速數據采集卡的長處是,每卡多通道、每系統多卡完全同步工作。例如Spectrum M4i系列模塊化處理平臺,可以擴展模擬或數字通道的數量。以及模式波形生成功能。這一特點使得高速數據采集卡成為多輸出多輸出(MIMO)研究和多路通信系統的理想工具。
 
您需要控制應用成本么?

在易用、快速、保證穩定性的前提下,高速數據采集卡可助您實現每個采集通道低的成本。
  
 
高速數據采集卡的選擇

 射頻(RF)測量需要從三個關鍵的方面選擇高速數據采集卡。是帶寬。高速數據采集卡必須有一個能夠匹配測量的頻率范圍。第二是分辨率,其決定了測量的動態范圍。后主要考慮的是數據傳輸速度,其影響測量的數據更新率。表1總結了幾種Spectrum PCIe模塊壞高速數據采集卡的特點,會使用于不同背景下的射頻應用。

每一個模塊化的高速數據采集卡到主機使用接口均為PCIe X8系列總線,數據傳輸速率高達3.4 GByte/s。其他同類的高速數據采集卡,可用傳輸速率則相對較低。

表1 適用于射頻(RF)和微波測量的高速數據采集卡

動態范圍測量實例

工程應用往往要在分辨率和帶寬之間的進行權衡,工程應用決定了選擇哪一款特定的高速數據采集卡。如果被測信號有較小比例的高幅度到低幅度頻域變化,那么高速數據采集卡的分辨率可以低一些。比如雷達信號傳輸時,一般動態范圍的要求較低。另一方面,如果信號的高和低組分混雜,則需要更高的分辨率。

軟件定義無線電(SDR)和雷達回波應用中,均需高速數據采集卡具有大的動態范圍。圖1顯示了M4i.4450-X8系列14位分辨率的高速數據采集卡輸入連接一個簡單的天線進行波形采集,并進行顯示和處理的結果。時間和頻域的波形視圖都顯示出這是一個高動態范圍的信號。

圖1 高速數據采集卡采集高動態范圍信號圖像舉例

射頻測量(RF

高速數據采集卡能夠測量、處理和分析數據。例子中使用的是用戶定制軟件,第三方軟件,MATLAB LABVIEW也可以使用。同樣,可以為特定的測量和分析操作編寫定制軟件。任何驅動程序軟件都能匹配到高速數據采集卡的特定應用程序中。2中,顯示了利用高速數據采集卡進行的一些基本射頻(RF)測量應用。

圖2中,顯示了利用高速數據采集卡進行的一些基本射頻(RF)測量應用。

如左上角網格所示波形,在雷達應用中常見的1 GHz 脈沖調制正弦波。這個信號可以直接輸入到高速數據采集,當其頻率超出高速數據采集卡的帶寬頻率時,可以輸入下變頻器后再輸入到高速數據采集卡。左下網格顯示獲得的頻譜波形(FFT)。測量信號的脈沖頻率、周期、寬度會在信息面板與脈沖圖像相關部位顯示。

多通道采集和分析

正交調制信號

射頻領域經常會用到多通道采集、分析功能,常見的是正交調制信號的分析。基帶的I相和Q相信號集合可以調制射頻載波。調制可能簡單的相位調制,或相位與幅度調制的結合。圖4顯示了采集信號的QAMIQ組分。在這個調制方案中,兩個串行數據流傳輸結合傳輸四個數據狀態,使得調制后信號具有十六個傳輸符號狀態。

圖3 高速數據采集卡正交調制信號應用舉例

兩個右手網格顯示獲得IQ成分。如果這些成分繪制在x - y坐標圖,可以辨別出信號編碼的的十六個幅度/相位狀態。從圖中可以看出,有十二個相位狀態和45,135225315 °相位狀態相同但振幅降低。

頻率響應測量

電路或設備的頻率響應可以很容易通過使用兩個高速數據采集卡通道和寬帶信號源進行估算。有三種類型的信號在一定頻率范圍內,表現出均勻振幅。正弦掃頻、脈沖和白噪聲都有各自的頻譜響應,一定頻率范圍內是均勻的。正弦掃頻提供大的動態范圍。脈沖函數通常容易設置和使用。白噪聲的動態范圍是低的。圖5是一個36MHz低通濾波信號的頻率響應實例。信號源是由一個帶寬為125Mhz的任意波形發生器的脈沖功能產生的。

     圖5 利用模塊化高速數據采集卡進行頻率響應估計的實例


左上網格圖中顯示了脈沖信號時域信息,左下網格圖顯示的是輸入信號的FFT圖像,任意波形發生器的輸出響應和脈沖功能的有限過渡時間決定了頻譜的形狀。注意到信號的頻譜在50MHz之前是平坦的,對于本實例來說是滿足要求的,右上網格圖顯示的是濾波器的時域輸出信號,右下為其FFT圖像,我們可以看到濾波響應形狀。用鼠標可以估計 -3dB點并計算帶寬。

這是兩個基于多高速數據采集卡通道的射頻(RF)測量的簡單實例,利用了高速數據采集卡的多通道數據采集完全同步的特點。這個優勢可以拓展為多個數字轉換器通過Star-Hub聯系在一起,實現單個系統多8塊板卡同步相位穩定工作。例如,在一次工程應用中,北京坤馳科技有限公司利用Star-Hub模塊將8塊高速數據采集卡連接在一起,創建了一個高達32個通道、完全穩定同步工作系統,取得了非常好的測量效果。Star-Hub模塊為所有板卡分發觸發和時鐘信息。使所有連接板的所用通道使用相同的時鐘和觸發,通道之間沒有任何相位延遲。所有觸發源可以結合運用一個或邏輯,使得所有板卡的所有通道可同時成為觸發源。

多通道功能使得高速數據采集卡能夠實現多個通道同時通信或創建天線和電波研究的測量通道陣列。

模塊化的高速數據采集卡為射頻應用(RF)提供顯著的測量能力,其帶寬高達1.5 GHz,功能多樣,尺寸緊湊,多通道功能可以組合成強大的射頻(RF)應用測試系統。

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