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使用模块化高速数据采集卡进行射频测量(RF)

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2016-02-18 10:20:00

 使用模块化高速数据采集卡进行射频测量(RF

 
现代模块化、高速接口的高速数据采集卡能够比以往同类产品提供更宽的带宽、更高的分辨率。尽管模块化高速数据采集卡是通用目的的测量产品,但它们具有足够的能力实现多种射频(RF)和低频微波测量。这篇文章将重点介绍利用模块化高速数据采集卡实现一些常用射频(RF)测量的例子。
 

使用高速数据采集卡进行RF测量应用的原因

在您的测量应用中,模块化高速数据采集卡能够提供明显的优势,如果您有以下方面的相关要求。
您需要很高的数据吞吐量么?

基于PCIe传输总线的模块化的高速数据采集卡可以实现高达3.4Gbytes/s数据流速度,能有快速将数据传输的计算机,并进行相关处理和分析,同时实现了长时间数据采集存储,如使用磁盘阵列时,存储时间可达几个小时以上。

您在芯片、设备的故障检测或测量过程中,需要做分析和处理么?

如果您需要测量、分析和处理数据,那么模块化高速数据采集卡将是为理想的工具。无论在使用商业还是个人定制数据分析软件的情况下,高速数据采集卡和计算机的紧密搭配,都使得它们成为处理大量数据的极佳选择。高速数据采集卡提供了快速数据采集能力,而台式工具提供了数据分析必要的交互式界面浏览功能。
 
您需要在低电压、较小的体积空间内实现多个通道的数据采集么?
 
现代模块化高速数据采集卡的长处是,每卡多通道、每系统多卡完全同步工作。例如Spectrum M4i系列模块化处理平台,可以扩展模拟或数字通道的数量。以及模式波形生成功能。这一特点使得高速数据采集卡成为多输出多输出(MIMO)研究和多路通信系统的理想工具。
 
您需要控制应用成本么?

在易用、快速、保证稳定性的前提下,高速数据采集卡可助您实现每个采集通道低的成本。
  
 
高速数据采集卡的选择

 射频(RF)测量需要从三个关键的方面选择高速数据采集卡。是带宽。高速数据采集卡必须有一个能够匹配测量的频率范围。第二是分辨率,其决定了测量的动态范围。后主要考虑的是数据传输速度,其影响测量的数据更新率。表1总结了几种Spectrum PCIe模块坏高速数据采集卡的特点,会使用于不同背景下的射频应用。

每一个模块化的高速数据采集卡到主机使用接口均为PCIe X8系列总线,数据传输速率高达3.4 GByte/s。其他同类的高速数据采集卡,可用传输速率则相对较低。

表1 适用于射频(RF)和微波测量的高速数据采集卡

动态范围测量实例

工程应用往往要在分辨率和带宽之间的进行权衡,工程应用决定了选择哪一款特定的高速数据采集卡。如果被测信号有较小比例的高幅度到低幅度频域变化,那么高速数据采集卡的分辨率可以低一些。比如雷达信号传输时,一般动态范围的要求较低。另一方面,如果信号的高和低组分混杂,则需要更高的分辨率。

软件定义无线电(SDR)和雷达回波应用中,均需高速数据采集卡具有大的动态范围。图1显示了M4i.4450-X8系列14位分辨率的高速数据采集卡输入连接一个简单的天线进行波形采集,并进行显示和处理的结果。时间和频域的波形视图都显示出这是一个高动态范围的信号。

图1 高速数据采集卡采集高动态范围信号图像举例

射频测量(RF

高速数据采集卡能够测量、处理和分析数据。例子中使用的是用户定制软件,第三方软件,MATLAB LABVIEW也可以使用。同样,可以为特定的测量和分析操作编写定制软件。任何驱动程序软件都能匹配到高速数据采集卡的特定应用程序中。2中,显示了利用高速数据采集卡进行的一些基本射频(RF)测量应用。

图2中,显示了利用高速数据采集卡进行的一些基本射频(RF)测量应用。

如左上角网格所示波形,在雷达应用中常见的1 GHz 脉冲调制正弦波。这个信号可以直接输入到高速数据采集卡,当其频率超出高速数据采集卡的带宽频率时,可以输入下变频器后再输入到高速数据采集卡。左下网格显示获得的频谱波形(FFT)。测量信号的脉冲频率、周期、宽度会在信息面板与脉冲图像相关部位显示。

多通道采集和分析

正交调制信号

射频领域经常会用到多通道采集、分析功能,常见的是正交调制信号的分析。基带的I相和Q相信号集合可以调制射频载波。调制可能简单的相位调制,或相位与幅度调制的结合。图4显示了采集信号的QAMIQ组分。在这个调制方案中,两个串行数据流传输结合传输四个数据状态,使得调制后信号具有十六个传输符号状态。

图3 高速数据采集卡正交调制信号应用举例

两个右手网格显示获得IQ成分。如果这些成分绘制在x - y坐标图,可以辨别出信号编码的的十六个幅度/相位状态。从图中可以看出,有十二个相位状态和45,135225315 °相位状态相同但振幅降低。

频率响应测量

电路或设备的频率响应可以很容易通过使用两个高速数据采集卡通道和宽带信号源进行估算。有三种类型的信号在一定频率范围内,表现出均匀振幅。正弦扫频、脉冲和白噪声都有各自的频谱响应,一定频率范围内是均匀的。正弦扫频提供大的动态范围。脉冲函数通常容易设置和使用。白噪声的动态范围是低的。图5是一个36MHz低通滤波信号的频率响应实例。信号源是由一个带宽为125Mhz的任意波形发生器的脉冲功能产生的。

     图5 利用模块化高速数据采集卡进行频率响应估计的实例


左上网格图中显示了脉冲信号时域信息,左下网格图显示的是输入信号的FFT图像,任意波形发生器的输出响应和脉冲功能的有限过渡时间决定了频谱的形状。注意到信号的频谱在50MHz之前是平坦的,对于本实例来说是满足要求的,右上网格图显示的是滤波器的时域输出信号,右下为其FFT图像,我们可以看到滤波响应形状。用鼠标可以估计 -3dB点并计算带宽。

这是两个基于多高速数据采集卡通道的射频(RF)测量的简单实例,利用了高速数据采集卡的多通道数据采集完全同步的特点。这个优势可以拓展为多个数字转换器通过Star-Hub联系在一起,实现单个系统多8块板卡同步相位稳定工作。例如,在一次工程应用中,北京坤驰科技有限公司利用Star-Hub模块将8高速数据采集卡连接在一起,创建了一个高达32个通道、完全稳定同步工作系统,取得了非常好的测量效果。Star-Hub模块为所有板卡分发触发和时钟信息。使所有连接板的所用通道使用相同的时钟和触发,通道之间没有任何相位延迟。所有触发源可以结合运用一个或逻辑,使得所有板卡的所有通道可同时成为触发源。

多通道功能使得高速数据采集卡能够实现多个通道同时通信或创建天线和电波研究的测量通道阵列。

模块化的高速数据采集卡为射频应用(RF)提供显著的测量能力,其带宽高达1.5 GHz,功能多样,尺寸紧凑,多通道功能可以组合成强大的射频(RF)应用测试系统。