超宽带亚周期微波脉冲实时时频分析系统

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(浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023)

超宽带(UWB, Ultra-wideband)技术是近年来研究开发的热点。UWB技术通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使得信号具有GHz量级的带宽，进而利用极宽的频谱(GHz)来实现很高的数据传输速率[1]。UWB技术具有速率高、抗干扰能力强、结构简单和系统复杂度低等特点，因此广泛应用于激光技术、工业测量等领域。超宽带脉冲的产生与传输是超宽带的关键技术之一，满足应用要求的超短脉冲也是超宽带技术的基础。此外，通过时频分析手段来利用超短脉冲实现对原子内部量子态的操控等新技术也逐渐成为微波领域的研究重点，这将对微波波段脉冲的传输以及亚周期范围内强场与原子相互作用的研究起到重要作用[2]。

传统的时频分析是利用采样示波器来获取实验过程中所产生的脉冲信号，用数据采集卡或示波器自带的软驱通过磁盘来进行信号波形的数据采集，然后再导入计算机利用软件进行结果的处理与分析。就数据采集卡而言，其价格与性能是成正比的，较为昂贵，后者则操作较为繁琐、效率极低、容易出错，无法满足对仪器的自动化需求。因此，快速、高效地实现实时脉冲时频分析是很有必要的，也就是将瞬态脉冲信号波形的数据采集、数据传输、数据处理与时频分析以及结果的显示集成在一起，将会使得设备的硬件和软件部分得到最大化利用，大大降低成本并增强应用灵活性。主要针对UWB脉冲的脉冲窄、频谱宽等特点并结合超宽带亚周期微波脉冲的时频分析应用需求，提出一种实时时频分析系统，并介绍了该系统的设计方法以及具体的应用。

1 系统设计

1.1 系统整体结构

本系统采用GPIB接口实现计算机与Agilent 8100A型示波器之间的数据通信。目前，工程或科研方面用到的仪器繁多，新型的仪器设备大多配有GPIB(General purpose interface bus)接口，GPIB接口的总线方式是在1978 年提出的，实现了计算机与测量仪器设备的首次结合，抗干扰性能较好，其传输速率可达8 MB/s。可将仪器与计算机连接起来组成一套自动化系统。

系统的硬件由计算机、GPIB接口卡、GPIB电缆线和示波器4 部分组成。由于控制计算机本身并没有GPIB接口，因此要配备GPIB接口控制卡来完成通信[3]。计算机通过GPIB卡、GPIB电缆和示波器的GPIB接口相连。一套完整的分析系统一般是由控制器、测量设备、软件平台以及接口总线所构成[4]。其中，软件是系统的主体，硬件用来实现信号的输入与输出。

分析系统的软件部分是系统的核心部分，Matlab具有强大的计算功能与数据处理能力，是一套高性能的可视化软件，其丰富的工具箱函数被广泛应用[5]，与其他的Visual C++等高级的编程语言相比，其语法简单，使得系统的设计与调试更加便捷高效，通过仪器控制工具箱即可实现与GPIB接口总线的通信，接口编程较为简单，可为系统提供可靠的通信与强大的数据处理功能。因此，信号的实时采集与控制部分将基于计算机的Matlab平台开发。就系统的界面设计而言，Matlab在外观设计方面实现较为繁琐；而LabVIEW作为一种图形化的编程语言，其图形界面丰富实用，可以较容易地实现各种界面的制作。但是，LabVIEW的缺点在于其标准工具箱功能有限，且对于大量数据进行复杂的运算处理时能力较弱。因此，本系统中信号的处理与分析、结果的显示等功能模块采用LabVIEW与Matlab的混合编程来实现，即利用LabVIEW的Matlab Script节点直接进行时频分析的Matlab脚本的编辑，并在LabVIEW的环境中运行，从而实现在LabVIEW的应用程序中使用Matlab编写的算法和相应的工具箱功能。系统的整体架构如图1所示。

图1 系统组成框图Fig.1 The block diagram of the real-time time-analysis system

1.2 系统的GPIB接口通信设计

GPIB接口卡采用USB-GPIB转换接口，可实现从计算机的USB端口到配有GPIB接口的示波器的直接连接，系统构成和操作相对简单[6]。系统使用Matlab平台，通过GPIB总线实现对Agilent 8100A型示波器的控制，实现系统测量、显示灯功能的自动化。

在通过Matlab平台实现对GPIB总线的控制过程中，采用了仪器控制工具箱(Instrument control toolbox)来实现计算机与示波器之间的通信。在利用工具箱实现对GPIB接口的通信时，可用一个对象将GPIB接口封装起来，即创建GPIB对象，在编程过程中直接对GPIB对象操作即可[7]，相比传统仪器控制方法，这一方法具有更高的灵活性。方法的实现包括以下几个步骤：

1) 创建GPIB对象。通过创建GPIB对象来建立Matlab与USB-GPIB接口卡之间的通信,可使用GPIB函数实现。

2) GPIB对象的连接。可以用fopen函数建立连接，即打开GPIB接口，在连接示波器之后进行实时波形数据的传输。

3) 属性设置。通过set函数来进行输入设置、输出缓冲器等设置。可以通过定义GPIB对象的属性来定义GPIB的通信模式，同时也能了解其状态。

4) 实时采样的波形数据的读写。写入数据时，应使用fprintf，fwrite等函数，读出数据时，使用fgetl，fgets，fread等函数。

5) 断开并清除连接。可使用fclose函数断开GPIB接口；使用delete函数将GPIB接口对象从内存中删除，使用clear函数来清除Matlab的工作空间。

1.3 系统软件设计

1.3.1 系统对示波器的控制

Agilent 8100A型示波器是一款高采样率数字示波器，其带宽为20 GHz，可实现多通道的数据采集。计算机与示波器之间采用主从式的通信方式，计算机处于主动地位，数字示波器处于被动地位，计算机向示波器发出各种查询命令，示波器向计算机作出回应，并返回查询结果。同时，还可以通过计算机发出的命令设置示波器状态以及数据采集参数。命令和查询两种方式均可看作是计算机发给示波器的指令[8]。Agilent 8100A型示波器的指令系统较为完整，表1给出了系统中所涉及到的主要指令以及其相应的功能。

表1 系统中用到的指令Table 1 Instructions used in the system

1.3.2 系统对示波器的控制

在Matlab平台上利用其仪器控制工具箱(Instrument control toolbox)初始化Agilent 8100A型示波器之前，可搜寻到示波器的GPIB地址为GPIB0::7:INSTR，表示所创建GPIB对象的地址为7[8]。在实现GPIB对象的正确寻址后，计算机可以对该地址的仪器设备发送设置和命令。在寻址结束后，要进行示波器的初始化，其功能相当于示波器面板的AutoSet设置，使其能够完成波形的自动检测与显示。

1.3.3 系统软件模块设计

亚周期微波脉冲实时分析系统以USB-GPIB接口作为计算机与Agilent 8100A型示波器之间的硬件接口，Matlab平台通过GPIB接口卡来创建GPIB对象，直接对GPIB对象进行处理。在创建GPIB对象后，对该对象进行操作即可完成对硬件设备的控制，无需对示波器硬件进行直接操作。软件的设计主要是由信号的实时采集与控制、信号处理与分析以及结果的显示与保存等3 个大模块构成。计算机Matlab平台是软件的核心部分，充当系统的控制模块；信号的实时采集与控制部分，主要实现计算机与示波器之间的通信和控制示波器的各项操作，并完成波形数据的采集与传输，此部分功能主要由GPIB通信控制模块来完成[9]；信号的处理与分析、结果的显示与数据的保存可在LabVIEW平台下通过LabVIEW与Matlab的混合编程来实现，即在LabVIEW中利用Matlab Script节点直接进行时频分析的Matlab脚本编辑，或在LabVIEW的环境中直接调用已经编译好的时频分析链接库[10]。其中，第2 种方法可节省调试时间，提高效率。软件系统各个模块的连接框图如图2所示。

图2 系统软件模块Fig.2 The software module of the real-time time-analysis system

2 系统应用

2.1 实时信号波形数据的采集和显示

系统连接完毕后，经过设备调试和系统整体调试，确保系统正常通信，可以通过系统的控制模块，即计算机的Matlab平台实现示波器的控制与波形数据的采集。在每次波形数据采集结束后，通过关闭接口和删除GPIB对象完全终止数据采集，否则会导致示波器继续处在查询状态，影响后续波形数据采样。信号的处理与分析、结果的显示与保存在LabVIEW平台上实现。图3为LabVIEW的前面板界面设计及结果显示。

图3 LabVIEW平台前面板设计与结果显示Fig.3 Front panel design and display of LabVIEW platform

图3(a,b)分别显示亚周期微波脉冲发生器产生电压信号E0(t)的波形和脉冲信号经过自由空间传输后接收信号E(t)的相应波形。E0(t)是脉冲发生装置在100 MHz的正弦波激励下CH1通道所产生的时域波形，其采样时间长度为3 ns，采样点数为1 350，采样率为135 GHz。实验中所产生的脉冲实测半高宽约为140 ps，为典型的亚周期UWB微波脉冲。E(t)为示波器通道CH3采集到的天线接收实时信号，该波形是由脉冲原信号经过自由空间传输后，由半波偶极子天线接收的电信号。在这一过程中，微波信号中无法在自由空间中传播的直流成分被滤除，转变为可在自由空间传播的UWB微波脉冲。

图3中的谱分析部分是通过快速傅里叶变换方法对实测的时域信号和天线接收后的信号进行实时处理，将时域信号转换到频域的分析结果。其中图3 (c,d)分别为脉冲信号E0(t)与E(t)的频谱分析结果，横轴为微波频率，纵轴表示该频率成分所对应的幅值大小，直观地反映了信号中各个频率成分的强度及频谱分布范围。由图3(c)可以看出：E0(t)脉冲在零频处有较大分量，即脉冲包含直流成分，且该微波脉冲的-10 dB带宽约为2.8 GHz。由图3(d)中可以看出：E(t)的零频分量为零，即无直流量，因此可在自由空间传输；从频谱分布情况可计算得出该脉冲信号的中心频率为2.2 GHz，其-10 dB带宽为1.8 GHz。系统可对天线接收到的无直流量信号进行进一步处理与分析。

2.2 时频分析

在本系统中，使用Wigner-Ville(W—V)时频分析方法来处理实测信号E(t)，对其进行时频分析。信号E(t)的W—V分布W(ω,t)定义为

(1)

式中：τ为时间积分变量；t为时移；E(t)为解析信号，可为实信号或复值信号；E*(t)为E(t)的共轭信号表达式。式(1)实质上是E(t)的瞬时自相关函数E*(t-τ/2)E(t) (t+τ/2)关于时延τ的傅里叶变换，即实时信号E(t)在t时刻的W—V分布。在各种时频分布计算方法中，W—V分布具有最简单的形式，是描述信号时频分布的一个有力工具。与其他的时频分析方法，如Gabor变换、短时傅里叶变换等相比，W—V分布的方法可以同时获得较高的时间和频率分辨率。从其函数表达式(1)中可以看出：由于在积分中E(t)出现了2 次，所以它可以看作是将信号的能量分布于时频平面内的一种双线性表示形式[11]。

由W—V分布的性质可知：信号的瞬时频率ωi(t)与其W—V分布关系式为

(2)

式中：ω为信号E(t)在t时刻的W—V分布频率值；W(ω,t)为信号在t时刻的W—V分布；ωi(t)为E(t)在t时刻的瞬时频率。从式(2)可以看出：

瞬时频率是对某一时刻的所有频率分量进行加权平均的运算[12]。这种将时间固定来求取该时刻的瞬时频率的方法，被称为W—V分布的一阶矩，即给出了求取信号瞬时频率的方法。利用W—V分布W(ω,t)的一阶矩即可求得信号E(t)的瞬时频率随时间的变化情况。信号E(t)的时频分析结果如图4所示。

图4 CH3通道信号E(t)的实时W—V时频分布及其瞬时频率变化Fig.4 The W-V distribution of signal E(t) and instantaneous frequency for each sampling time

图4(a，b)分别为脉冲信号E(t)的W—V二维分布以及瞬时频率的变化曲线，直观地反映了频率随时间变化的特性。从时频特性分析结果中，不但可以获得UWB微波脉冲随时间变化的信息，也能得到其频谱分布信息，最重要的是能够实时获取频率随时间变化的信息。如系统测试结果所示，从信号的时间演化和频率分布看出：典型的UWB微波脉冲的持续时间为0.8～1.7 ns，频率分布在1.7～2.5 GHz内。根据结果中的瞬时频率变化曲线，可直观地判断出该脉冲信号存在啁啾[13]。在时频分析结果中，若所得到的时频演化轨迹与时间轴平行，则可以判断该脉冲是不存在啁啾的。在系统的测试结果中，瞬时频率的变化曲线与时间轴不平行的，可以判断出该脉冲存在啁啾，且啁啾率随时间发生演变。

3 结 论

利用Matlab与LabVIEW的混合编程，通过GPIB接口连接控制计算机和高速示波器，实现了一种UWB亚周期微波脉冲实时时频分析系统的设计与应用。这种设计可以实现UWB亚周期微波脉冲的实时采样、波形显示、频谱分析和时频分析，直观、迅速地提供超短脉冲的频率特性信息。分析所得的亚周期微波脉冲的时频特性即啁啾效应可应用于微波波段超短超快脉冲领域，特别是对阈上电离、超短脉冲下的电离效应，如亚周期脉冲高次谐波的产生、成丝效应以及电荷的相对论加速等过程的基础研究起到一定的借鉴作用。本设计充分发挥了GPIB接口的高速传输性能、Matlab平台强大的数据处理以及仪器控制功能，系统实时性好、成本低、使用和维护简单以及在UWB脉冲的诸多应用领域具有广泛的实用前景。