宽带信号采集与处理系统分析

王世伟

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川 绵阳 621000）

宽带信号采集与处理系统分析

王世伟

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川 绵阳 621000）

在宽带信号采集和处理过程中，由于传统宽带信号采样硬件成本昂贵，且数据处理效率低下，多数情况下，宽带信号采集和处理效率相对较低。为突破传统采样定理限制，增强宽带信号采集与处理效率，必须要进一步对宽带信号采集与处理进行分析。

宽带信号采集；处理系统；采集效率；网络信号

1 宽带信号采集处理系统

1.1 系统框架

系统采样的主要对象为宽带信号，也就是信号在一定频谱范围内只采用相对较窄的带宽。其采集基本原理为：将输入信号转变为宽带稀疏信号，让信号进入系统内部进行处理。通道中，信号首先需要与一个模拟信号相乘，之后经过模拟滤波器进行滤波处理，然后合理制定时间间隔频率，让系统根据指令开展采样工作，从而得到采样序列。对于模拟滤波器来说，通常都会采用低通滤波器，如果截止频率为时域波形图时，则可以通过周期信号，并在每个周内将时间段划分，保障每个时间段的取值范围在±1之间。

1.2 时域测试

在时域测试领域，通过波形捕获率来衡量数据采集性能，并将其作为重要指标。波形捕获率是指单位时间内时域数据采集系统所能捕获并显示的波形幅数。通过采用系统中一次触发并完成采集同时显示在屏幕中的采样点，通常采用wfms表示。通过不同单位时间，采集系统所获得的信息，进而显示信息量的大小。通过采用无缝采集技术，显示出时域采集系统在基本边沿触发模式下的采集过程。在检测过程中，被检测的正弦信号与触发电平进行分析比较，从而产生系统触发脉冲，触发脉冲传输到采集系统中控制数据采集。在系统设置过程中，可以通过增加信号采集深度来调节采集系统屏幕的左端。设置完毕后，要根据系统的采集特点，如果出现启动采集信号，触发信号会明命令系统开始进行数据采集工作，直到波形缓冲区存满，这时也就完成一次数据采集工作［1］。

1.3 数据采集

在第一次采集过程中会触发脉冲，从而起到触发并启动的采集功能，这是一次有效脉冲触发，而二次触发脉冲同样是在第一次采集过程中，但无法实现脉冲作用。由此可见，一次数据采集只能触发一次脉冲。待到第一次采集工作完毕之后，即可进行脉冲二次采集，通过第二次采集到脉冲信号触发的过程中，信息采集系统会处于待命阶段，也就是等待脉冲触发阶段，直到第三次采集信号到来，才开始进行第二次采集，以此类推，反复重复这一过程［2］。

1.4 数字示波器时基设置

在数字示波器时基设置过程中，通常都会受到内部因素影响，严重影响波形铺获率，这是由于时基设置往往决定了采集显示时间窗口。提高测量示波器的波形捕获率的操作并不复杂，可以拓宽一部分示波器的信号发送通道，并将其他仪器与示波器同步触发。因此，可以通过示波器提供的出发输出信号特点，使外部计算器测量这个出发信号，检测出平均频率。设定信号发生器输入单次双脉冲测试信号，测试信号通常由窄脉冲和宽脉冲共同组成，脉冲会传输到波形触发位置（两个脉冲触发位置不同），并且保证两个脉冲位置之间保持一段距离，由于两个脉冲相互独立，并且在触发过程中能够实时调节，从而可以实现不同的带宽形式。

2 宽带信号采集与处理系统实践

在采用测试仪器过程中，通常由信号采集、信号分析处理、数据存储等三大部分组成。软件系统包括信号分析、信号处理、回放显示等。通过计算机将信号储存，对信号进行后期处理，从而方便调节、使用，并对所收集的信号进行分析，将最终数据提炼出来，工作人员可以根据自身需求对最终数据进行有效筛选。

2.1 信号采集与存储

在宽带信号采集处理过程中，其核心步骤就是数据采集，如果数据采集环节出现问题，就会严重影响后续系统运作，并且采集环节与信号精准性有直接关系，信号采集需要工作人员设置相应的采集参数，采集频率在一定程度上会对宽带信号造成一定影响，为了能够避免信号频率出现不稳定现象，可以通过奈奎斯特定律进行设置，也就是采用最低采样频率，在采集频率过程中，频率倍率最好为7～10倍。采用高频率采集形式，主要是为了正确还原波形，从而得到最原始的波形。

此外，在信号采集过程中，需要系统分析之后才能够开始下一轮采集工作，从而影响数据采集效率。因此，在宽带信号采集与处理系统中，可以将单线程模式转变为多线程模式，采用队列状态的形式实现信号采集，状态机由一个while和case系统组成。while系统主要负责对完结信号进行连续采集，case系统则是在不同的操作状态下实现不同的操作，并将case结构的分支与状态一一对应，其内部程序主要为状态行为，对垒状态机即是将所需要的状态进行排队，并将状态序列存在的队列中，通过调动队列转台序列从而实现跳转，如果某个数据被应用完毕之后，即可采用Dequeue Element VI程序将其从队列中删除，根据实际需求对状态序列进行分析，从而制造一个循环系统，不断对信号数据进行采集，并将采集到的信息放入队列中，而另外一个循环系统，则可以不断地从队列中读取数据信息进行处理，实现两个系统通信互动，二者相互没有影响。

2.2 信号分析与处理系统

信号分析与处理是宽带信号采集中不可或缺的一个环节，主要目的是将被检测信息进行系统分析处理，进而提供强大的处理包，如时频分析、小波分析、时间顺序分析等，从而极大地提高测试人员的工作效率，提高宽带信号质量。在频谱分析中，主要将信号频率加以分析，分析不同频率信号的特征，从而抓住有效的信息。通过频谱分析程序，根据不同的宽带信号在频域中分析，其中，Lab-VIEW接收信号非常强大，外部程序结构相对较多，可以有效利用该软件的变化优势，如MATLAB接口，本系统利用MATLAB接口进行编程对信号进行功率谱分析。MATLAB编程如下所示：

fs=1000000;nfft=10240;figure(1);Y=abs(fft(x,nfft));plot ((0:nfft/2-1)/nfft*fs,Y(1:nfft/2));xlabel(‘频率 f/Hz’);ylabel (‘功率谱P/W’)

周边环境中会存在不同频率的电磁波，会在一定程度上影响信号采集，从而影响信号采集频率或精准度，系统无法找出信号源的具体位置与特征。而小波分析就是一种有效的除噪方法，主要原理是通过一种小波，对信号的各个层级小波进行分析，之后在各个层级中选择一个阀值，并对细节系统数据进行软阀值处理，降噪之后可以通过处理系数小波重建恢复信号。小波基的选择转换为正交镜像滤波器的选择，从而保障系统的对称性与精准性。

2.3 无缝采集示波器设计

通过在每道采用2片采样率为3GSPS的ADC构成并行交替采集系统来实提高6GSPS的采样率，并通过高性能FPGA作为核心逻辑控制单元，从而发挥系统的重塑性与灵活性特点，在FPGA中采用的高速采样数据流，通过非均衡实时矫正、无缝采集体系结构、触发同步、高速大容量数据的特征检测功能模块，采用DPS作为系统的核心处理器，是实现宽带信号采集与处理系统控制的人机交互功能，实践展宽电路辅助触发同步模块，将微小的时间间隔放大，并将信号传送回FPGA中进行检测，从而实现一个系统轮回，提高宽带信号质量。

3 结语

在宽带信号采集与处理系统中，要重点减少外部、内部因素的影响，通过时间间隔、数据排列等方法，最大程度降低影响，从而保障宽带信号质量。

［1］方玮.宽带无缝采集示波器的设计与应用［J］.制造业自动化，2011（4）：57-59.

［2］马永辉，刘康，杨大志.基于LabVIEW的声发射信号采集分析与处理系统［J］.煤矿机械，2011（2）：258-261.

Analysis of Wideband Signal Acquisition and Processing System

Wang Shiwei（Sichuan Jiuzhou Electrical Refco Group Ltd.，Mianyang Sichuan 621000）

Through the use of ultra wideband communication,ultra wideband signal processing,the traditional broadband signal sampling hardware is expensive,and the data processing efficiency is low,a lot of broadband signal take efficiency is relatively low.In order to break through the limitation of traditional sampling theorem,some theoretical knowledge is developed to enhance the efficiency of wideband signal acquisition.

wideband signal acquisition；processing system；acquisition efficiency；network signal

TN957.51

A

1003-5168（2017）07-0034-02

2017-06-02

王世伟（1982-），男，工程师，研究方向：高速信号处理系统。