一種脈沖功率統(tǒng)計測量電路的設(shè)計

李金山　李強(qiáng)　冷朋　蘇發(fā)

【摘 要】本文介紹了一種復(fù)雜脈沖調(diào)制信號功率統(tǒng)計測量電路的設(shè)計。本文實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜脈沖的峰值功率、平均功率等功率參數(shù)在長時間內(nèi)的無遺漏的統(tǒng)計測量，實(shí)現(xiàn)了CCPF等統(tǒng)計參數(shù)測量。

【關(guān)鍵詞】復(fù)雜脈沖;統(tǒng)計測量;CCDF

中圖分類號： TN782 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0076-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.033

0 引言

在通信、雷達(dá)、制導(dǎo)等領(lǐng)域，多采用數(shù)字調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)信息的組合和傳輸，數(shù)字調(diào)制的方法是將幅度調(diào)制和相位調(diào)制整合到一個多電平的組織架構(gòu)中，用來表示一個數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)信息。對于發(fā)射機(jī)或者放大器輸出功率的測試，僅僅根據(jù)脈沖調(diào)制深度和脈沖調(diào)制指數(shù)計算的方法已經(jīng)不能適用，最準(zhǔn)確的方法是對輸出脈沖功率進(jìn)行長時間的統(tǒng)計測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行記錄和分析。

CCDF（補(bǔ)-累積分布函數(shù)圖）是最常用的統(tǒng)計測量手段，CCDF表示特定樣本中功率電平大于或等于某個特定值的采樣點(diǎn)在整個樣本中所占的百分比，通過CCDF統(tǒng)計圖，可以方便的統(tǒng)計得到各個功率點(diǎn)出現(xiàn)的概率，從而從整體上評估發(fā)射機(jī)或者放大器的總體性能。

1 電路設(shè)計

峰值功率計采用寬帶二極管檢波方式，實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜脈沖調(diào)制信號的功率檢波，檢波后的脈沖包絡(luò)信號真是的反應(yīng)了復(fù)雜脈沖調(diào)制信號的幅度參數(shù)和時間參數(shù)。本文設(shè)計的統(tǒng)計測量電路，以10Ms/s的固定速率采樣，并對采樣ADC無遺漏的進(jìn)行計算和統(tǒng)計，從而準(zhǔn)確統(tǒng)計出各個功率點(diǎn)出現(xiàn)的概率。

如圖1所示為高速無縫捕獲測量電路。整個測量電路主要包括檢波及前端處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA、DSP和CPU等單元。

N1為檢波及前端處理電路，其功能是采用二極管檢波方式將復(fù)雜脈沖調(diào)制信號檢波出脈沖包絡(luò)信號，并對脈沖包絡(luò)進(jìn)行低通濾波和對數(shù)放大處理，使得在-40dBm～+20dBm的脈沖調(diào)制信號的脈沖包絡(luò)在A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入范圍之內(nèi)。經(jīng)過放大和濾波后的脈沖包絡(luò)信號送至14位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，本文采用的A/D轉(zhuǎn)換器以100Ms/s的固定速率進(jìn)行采樣，采樣ADC以并行總線方式送至FPGA。

由于DSP處理器是串行處理器件，考慮到DSP的處理速度，需要將處理速度進(jìn)一步降速處理，在FPGA內(nèi)部設(shè)計1：10數(shù)據(jù)抽取單元，將采樣速率降低到10Ms/s，10Ms/s的抽取時鐘和100Ms/s的采樣時鐘為共時基，保證數(shù)據(jù)抽取的同步。為了減小DSP的負(fù)擔(dān)，將功率測量的頻響補(bǔ)償在FPGA內(nèi)部完成。DSP首先將頻響數(shù)據(jù)寫入到頻響數(shù)據(jù)寄存器中，然后通過N8——乘法器，與每一個ADC進(jìn)行乘法運(yùn)算。補(bǔ)償后的ADC數(shù)據(jù)在信號CTL的控制下，分時寫入N9——FIFO1、N10——FIFO2。

N9、N10是位數(shù)為14位、深度為1024的FIFO（先入先出）存儲器。讀寫控制單元（N11）產(chǎn)生操作2片F(xiàn)IFO的控制信號，CTL作為FIFO1的使能信號，控制FIFO1的數(shù)據(jù)寫入和讀出;CTL經(jīng)過反相器后，作為FIFO2的使能信號，控制FIFO2的數(shù)據(jù)寫入和讀出。

如圖2所示為兩片F(xiàn)IFO實(shí)現(xiàn)無縫捕獲統(tǒng)計采樣的時序圖，具體操作時序如下：

（1）在CTL為高電平時，10Ms/s的時鐘將頻響補(bǔ)償過的ADC數(shù)據(jù)持續(xù)寫入FIFO1中，一次操作固定寫入1000個ADC數(shù)據(jù);在CTL為高電平的同時，DSP通過EDMA（增強(qiáng)型存儲器直接存?。┙涌?，將FIFO2中寫入的數(shù)據(jù)讀取到DSP內(nèi)部RAM中。

（2）當(dāng)CTL變?yōu)榈碗娖胶?，?001個數(shù)據(jù)無縫隙的寫入到FIFO2中，一次操作也是固定寫入1000個ADC數(shù)據(jù);在CTL為低電平同事，DSP通過EDMA接口，將FIFO1中寫入的數(shù)據(jù)讀取到DSP內(nèi)部RAM中。

采用2片F(xiàn)IFO循環(huán)寫入和讀取的方式，只要保證“讀FIFO、DSP計算、傳輸至CPU”總的時間小于1000個ADC存儲時間，則可以保證統(tǒng)計過程中不會丟失任何一個ADC。

2 DSP高效處理

為保證DSP從FIFO中讀取數(shù)據(jù)速率足夠快，采用了DSP專用EDMA（增強(qiáng)型存儲器直接存取）接口，EDMA讀取速率為210Ms/s，在5us時間內(nèi)將1000個ADC數(shù)據(jù)讀取到DSP內(nèi)部，可保證在下一次ADC數(shù)據(jù)寫入FIFO之前，將FIFO讀空，不丟失任何數(shù)據(jù)。

而將結(jié)果從DSP傳到CPU，采用的是DSP的EDMA接口和CPU的PCIe接口，速率同樣達(dá)到210MHz，可在5us時間內(nèi)將1000個計算結(jié)果從DSP傳送至CPU。CPU僅僅是完成測量結(jié)果的顯示，無需實(shí)時響應(yīng)。

1000個ADC采樣時間為100us，而數(shù)據(jù)讀取時間占用了10us，留給DSP的計算時間僅為90us。DSP需要將ADC轉(zhuǎn)換為功率值mW或者dBm，相對于復(fù)雜的乘除、取對數(shù)運(yùn)算，查表算法的速度更快。CCDF功能核心是統(tǒng)計各個功率點(diǎn)相對于所有采樣點(diǎn)出現(xiàn)的概率。如圖1所示，在DSP內(nèi)部設(shè)有2個表格，N13——ADC統(tǒng)計表格，N15——ADC-功率轉(zhuǎn)換表格。N13是以ADC為索引，構(gòu)建一個ADC出現(xiàn)概率的表格。例如本文A/D轉(zhuǎn)換器為14位，則表格長度為16384。在統(tǒng)計測量過程中，如果某一ADC值出現(xiàn)一次，就將索引為ADC的表格中數(shù)據(jù)加1。例如，從開始統(tǒng)計測量后，ADC值為1000的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了100次，則N13中第1000表格中存儲的數(shù)據(jù)為100。N14——ADC數(shù)量統(tǒng)計寄存器存儲總共捕獲的ADC數(shù)據(jù)，每得到一個ADC值，N14寄存器的值將+1。將N13表格中值除以N14寄存器的值，就是每個ADC出現(xiàn)的概率。

ADC轉(zhuǎn)換為功率數(shù)據(jù)是通過N15——ADC-功率轉(zhuǎn)換表格完成的。N15是通過功率校準(zhǔn)，以ADC為索引，建立ADC與功率值之間對應(yīng)的表格。ADC數(shù)據(jù)在N15中查表轉(zhuǎn)換為功率數(shù)據(jù)。

根據(jù)統(tǒng)計的ADC值，DSP可以統(tǒng)計得到復(fù)雜脈沖調(diào)制信號的峰值功率、平均功率以及每個功率點(diǎn)出現(xiàn)的概率。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的N13——ADC統(tǒng)計表格的位數(shù)是48位。當(dāng)某一個ADC值統(tǒng)計出現(xiàn)的次數(shù)超過248次，則會出現(xiàn)統(tǒng)計錯誤，最差的情況是一個ADC值連續(xù)出現(xiàn)248次，而其他ADC值不出現(xiàn)，這樣統(tǒng)計時間為248×100ns≈7818h，約為325天，基本能夠滿足對發(fā)射機(jī)或者放大器進(jìn)行長時間的試驗(yàn)或者檢測分析。

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