调制域分析仪关键技术—瞬时测频组件研究

论文摘要

调制域是由信号的时间和频率两个轴构成的平面域,它反应了信号频率与时间的关系,是对信号进行三维（时域、频域、调制域）测量不可缺少的一个测量域。调制域分析技术是近几年发展起来的一项全新的复杂信号分析技术。调制域脉冲分析仪用于测量信号的频率、相位、时间间隔随时间的变化特性,在抗干扰通信、捷变频雷达、电子战系统、机电系统中有重要应用,是研制、生产、维护现代军事及民用电子系统的必备仪器。本文从系统设计的角度对调制域分析的核心模块——瞬时测频组件进行了详尽的介绍。先对测量原理和关键技术（零空闲时间计数技术、相关计数器技术、双相时基计数技术）进行了说明。然后,对软硬件方案和各个软件、硬件模块的具体实现进行了阐述。最后对系统的误差进行了理论分析。文中还展示出了本系统的部分测量结果。本文提出了由高集成度FPGA、高性能CPLD以及DB25并行接口组成的瞬时测频组件的设计方案及实现方法。其中FPGA作为本系统的控制核心和传输桥梁,发挥了极其重要的作用。通过Altera FPGA不仅完成了系统中绝大数字电路部分的设计,并且使系统具有了较高的可适应性、可扩展性和可调试性。在时序数字逻辑设计上,充分利用FPGA中丰富的时序资源,如锁相环PLL、触发器,计数器等,能够方便的完成对系统输入输出时钟的精确控制以及根据系统需要对各处时序延时进行修正。在存储器设计上,采用FPGA片内存储器。可根据系统需要随时进行设置,并且能够方便的完成数据格式的合并、拆分以及数据传输率的调整。在系统工作过程控制上,通过Visual C++ 6.0 SP6程序编写了应用于PC端的上层控制软件。并通过并行接口实现了PC和FPGA之间的交互,从而能够方便的在PC机上完成对系统工作的控制和测量参数的选择。文中对FPGA中各个核心功能模块的逻辑设计进行了详细分析,并给出了仿真结果。同时,还在其它章节介绍了系统的硬件电路设计、并行接口设计和PC端控制软件设计。最后附上了系统的PCB版图、FPGA逻辑设计图、实物图以及与之相关的部分源程序清单。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 调制域的概念
• 1.2 调制域分析仪的应用领域及其重要性
• 1.3 国内外技术发展动态
• 1.4 本文完成的主要工作和结构安排
• 第二章 瞬时测频的测量原理和关键技术
• 2.1 瞬时测频组件的测量功能
• 2.2 瞬时测频组件的测量原理
• 2.2.1 频率——时间特性的测量
• 2.2.2 普通计数器的测频原理
• 2.2.3 关联计数法测频原理
• 2.2.4 时间间隔——时间特性的测量
• 2.2.5 脉冲信号包络参数的测量
• 2.3 瞬时测频组件的关键技术
• 2.3.1 零空闲时间计数技术
• 2.3.2 正反双相时基计数
• 2.3.3 相关计数器技术
• 2.3.4 其它关键技术
• 第三章 瞬时测频组件系统方案
• 3.1 瞬时测频组件的主要功能和技术指标
• 3.2 系统指标论证
• 3.2.1 时间测量分辨率
• 3.2.2 频率测量分辨率
• 3.2.3 系统连续测量时间
• 3.2.4 系统测量范围
• 3.2.5 系统最大连续采样速率
• 3.3 瞬时测频组件系统硬件设计
• 3.4 FPGA 及其配置芯片
• 3.4.1 Altera FPGA 的器件编号说明
• 3.4.2 Cyclone II 系列FPGA 的主要特性
• 3.4.3 Cyclone II 系列FPGA 的配置方式
• 3.4.4 Cyclone II 的配置芯片
• 3.5 瞬时测频组件系统软件设计
• 第四章 瞬时测频组件的硬件实现
• 4.1 FPGA 简介及其开发流程
• 4.1.1 FPGA 技术简介
• 4.1.2 FPGA 的常用开发工具
• 4.1.3 FPGA 的设计流程
• 4.2 数字电路部分系统结构
• 4.3 核心模块的逻辑实现
• 4.3.1 时钟管理模块（PLL）
• 4.3.2 数据存储模块（RAM）
• 4.3.3 地址计数器模块
• 4.3.4 计数器模块
• 4.3.5 采样信号同步模块
• 4.3.6 其它关键模块
• 4.4 传输线的几种类型
• 4.5 DB25 并行接口
• 第五章 系统调试和测量结果
• 5.1 调试方案
• 5.2 调试中遇到的问题及解决
• 5.3 测量结果
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的成果
• 附录一 PCB 图3D
• 附录二 PCB 图（Top Layer）
• 附录三 PCB 图（Bottom Layer）
• 附录四 实物图