【摘 要】为了解决传统的频谱监测设备功能拓展难、能力提升弱、通用性差等瓶颈问题，提出了一种基于PXIe总线的频谱监测设备设计方法。
该方法基于硬件平台模块化及软件功能组件化的设计思想，实现了频谱监测设备硬件可重组、软件可重构、功能可扩展；采用PXIe总线技术，提升了监测数据传输能力。
设备通过在软件上加载信号识别模块，从而实现跳频分析、调制方式识别等功能。

　　【关键词】PXIe总线 频谱监测 模块化 可重构
　　中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2016）18-0088-06
　　1 引言
　　频谱监测设备通过感知空间电磁环境，进行一定的信号处理分析提取无线电信号的主要特征参数，进而全面评估整个电磁环境的频谱特性、频率占用情况，最终给出监测对象在时域、频域、空域的多维分布特性。
传统的频谱监测设备主要实现对常规通信信号在全频段内实现快速循环扫描，实时测量出各信号的电平或场强[1-2]。
随着监测频段不断扩展，监测数据增大，实时监测性能逐渐提高，如对跳频信号捕获、调制方式识别等功能的实现有了更高的要求，然而要实现高性能的监测设备要求有更高的处理速度及更高带宽的数据传输。
广东深圳专业医用设备产品外观工业产品设计医疗器械瞄准民营医院针对此需求，本文提出一种基于PXIe总线的频谱监测设备的设计方法。
该方法基于硬件模块化、软件组件化的设计思想，实现硬件可重组、软件可重构、规模可扩展的频谱监测设备，可解决以往以硬件为核心的装备系统在功能拓展难、能力提升弱、适应能力差的瓶颈问题。

　　2 频谱监测设备的设计
　　2.1 总体设计思想
　　（1）通过利用背板的PCI Express第二代技术，PXIe总线将PXI总线的可用带宽从132 MB/s提升到8 GB/s，带宽提升了60倍以上，同时保留了与PXI模块的软件和硬件的兼容性。

　　（2）PXIe总线提供更高的数据带宽和更低的总线延迟，大大提升了频谱监测设备的数据传输能力，完成各模块的集中承载和数据交互，具有较广东深圳专业达芬奇手术机器人产品设计公司临床医疗器械的管理与维修保养方法分析好的灵活性[3-4]。

　　（3）频谱监测设备的硬件资源均有较大设计裕量，且支持升级扩展，系统功能组件可以根据实际需要进行重构和扩展。

　　2.2 PXIe硬件平台设计
　　（1）频谱监测设备采用标准总线架构的19英寸标准机箱，机箱提供18个槽位，其中1个为系统槽位，用于安装控制器单元，17个为标准3U板卡槽位，如图1所示：
　　（2）机箱配有工业级交流电源，在55℃以下可提供600 W的功率，并且通过机箱背部的3个120 mm风扇提供卓越的冷却能力。
后面板上有2个用于10 MHz时钟输入/输出的BNC（Bayonet Nut Connector，卡扣配合型连接器）接头，提高了机箱的灵活性，使其可与辅助设备之间实现同步。

　　（3）机箱采用智能系统监控，控制器可以监控全部机箱状态（包括风扇转速、系统电压和内部温度等）。

　　（4）控制器基于PXIe的总线，采用Windows操作系统，集成了处理器、硬盘、内存、以太网、视频、串口、USB和其他外设。

　　（5）标准板卡主要包括射频接收模块、中频处理模块、本振模块、参考时钟模块等，这些模块均遵循PXIe规范，具备良好的兼容性。

　　频谱监测设备实现原理图如图2所示：
　　2.3 频谱监测设备模块设计
　　频谱监广东深圳专业医用产品仪器工业产品设计观今日医疗之种种――析医疗体制之改革测设备涵盖了短波监测、广东深圳专业医疗仪器工业产品设计特色医疗超短波监测、微波监测3种频段。
采用可重构的迭代电路架构，射频接收模块分段设计，中频处理模块复用，使设备频段覆盖范广东深圳专业盆底肌肉训练设备产品设计公司医疗器械市场，一场新的搏奕围满足1.6 MHz～18 GHz。
设备各模块按标准化接口进行设计，主要包括控制器模块、射频接收模块、本振模块、参考时钟模块、中频处理模块。

　　（1）射频接收模块
　　射频接收模块主要包括3块标准板卡，分别为短波接收模块、超短波接收模块和微波接收模块。
射频接收模块主要完成天线口信号接收，它包含衰减器、低噪声放大器、射频开关、预选器、混频器、中频放大器等，为中频处理模块提供两个稳定的中频信号，其中70 MHz中频来于短波接收模块，140 MHz中频来于超短波、微波接收模块[5]。
支持频段1.6 MHz～18 GHz，可通过增加接收模块来扩展接收频段范围或接收通道。

　　短波接收模块采用超外差一次变频结构，实现1.6～30 MHz的射频信号到70 MHz高中频信号的频率转换和电平控制，以减少镜像信号干扰[6]。
短波接收模块原理框图如图3所示。

　　超短波接收模块采用二次变频结构，以降低一本振的频率输出范围，提高相位噪声性能。
频率分段取在1800 MHz，30～1800 MHz采用高中频方案，将信号上变频至2350 MHz中频；1800～3000 MHz频段将信号下变频至1210 MHz。

　　二中频采用下变频方式，选择较低的频率140 MHz作为第二中频[7]。
超短波接收模块原理框图如图4所示。

　　微波接收模块接收频段为3～18 GHz，采用分频段、超外差二次下变频的方案，如图5所示。
微波接收模块的一中频（1210 MHz）及二中频（140 MHz）同超短波接收模块一致，可共用中频处理电路，同样避免中频信号等落入通带内造成干扰，这将提高电路的简洁性及可靠性[8]。

　　（2）本振、参考时钟模块
　　本振模块主要包括3块标准板卡，分别为短波接收模块、超短波接收模块和微波接收模块提供本振源。

　　短波频段一本振采用单环+DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器）的结构输出71.6～100 MHz本振信号，它具有频率步进细、相位噪声低和体积小的优点。

　　超短波频段一本振采用DDS+PLL方案（DDS用作锁相环合成器中的频率参考源）输出2380～4210 MHz本振信号。
二本振采用集成VCO的低噪声锁相环芯片实现固定频点2210 MHz、1070广东深圳专业医疗器材结构工业产品设计研发动态 MHz输出。
　　微波频段一本振实现下变频所需的本地信号（4210～19 210 MHz），该模块采用DDS+PLL方案将锁相式频率合成以及直接式频率合成的优点集成起来。
由于此方案采用了DDS小数分频（DDS分辨率高的特点），鉴相频率不受射频输出信道间隔的限制，解决了PLL的频率分辨率和换频时间之间的矛盾[9]，原理框图如图6所示；二本振仅固定输出1070 MHz频率信号，因此只采用单片锁相环芯片就可以达到要求。

　　参考时钟模块主要实现为整机其他模块提供基准时钟信号，它由10 MHz恒温晶振、100 MHz锁相环路、100 MHz时钟分路器组成。

　　（3）中频处理模块
　　中频信号处理模块是频谱监测设备实现中频信号数据采集和数字信号处理的核心单元。
中频信号处理模块包括2通道16 bit高速ADC、高性能数字信号处理器件和总线接口，实现中频信号采样和信号处理。
中频信号处理模块的组成原理如图7所示。

　　板载的FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）和DSP，完成信号捕获、数据存储、数据传输、DDC（Digital Down Converter，数字下变频）、FFT、数字解调、模拟解调、参数测量、信号识别和分选及其他的一些信号处理算法。

　　FPGA主要用于信号处理及接口控制，DSP完成信号的测量等功能。
ADC采样的外时钟可作为内部VCO的参考时钟，或者直接作为ADC的采样时钟。
ISL5216芯片为扩展窄带DDC芯片，可完成任意通道DDC带宽内多个窄带DDC功能。
FPGA外接的DDR2存储器可用于数据缓存，对要求大容量数据存储、大带宽连续FFT等信号处理带来好处[10]。

　　（4）控制器模块
　　控制器模块为频谱监测设备提供稳固的操作环境，用于连接并控制各模块。
控制器模块内部集成了CPU、硬盘、内存、以太网、VGA、USB等芯片，并配置操作系统，安装数据库和频谱监测设备软件，可实现频谱监测终端功能。
外接显示器、键盘和鼠标，即可在本地实现人机交互。
也可以通过其他计算机控制，实现远程控制。
控制器模块的配置如下：
　　◆CPU：Intel i5双核2.4 GHz；
　　◆内存：DDR3 8 GB；
　　◆硬盘：不低于320 G，并可扩展；
　　◆网口：双千兆以太网；
　　◆操作系统：Windows 7。

　　频谱监测设备软件主要功能模块包括：拓扑态势模块、任务管理模块、频谱扫描模块、信号分析模块、数据处理模块、辅助功能模块、数据访问模块。

　　3 设备应用实例
　　3.1 跳频信号分析
　　频谱监测设备瞬时分析带宽可以达到40 MHz，经实际验证扫描速率不小于3 GHz/s（步进10 kHz），跳频信号侦测能力：1.6～30 MHz（不小于100跳/秒），30 MHz以上（不小于1000跳/秒）。
设备软件可对跳频信号如驻留时间、换频时间、出现频率及次数等主要跳频参数进行分析，并给出分析结果。
超短波电台跳频信号分析结果如图8所示。

　　3.2 信号识别与分析
　　频谱监测设备可以通过电磁频谱终端软件进行指定信号分析，该功能是指对通用信号进行分析识别，可解调AM、FM、CW等模拟信号，可识别ASK、FSK、BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等数字信号。
QPSK信号识别测试实例如图9所示。

　　4 结束语
　　本文提出了一种基于PXIe总线的频谱监测设备设计方法，该方法可提供更高的数据带宽、更低的总线延迟，使得频谱监测性能显著提高，解决了传统接收机数据处理及传输慢的瓶颈问题，并采用模块化设计理念，提升了设备可重构性及扩展性。
监测设备通过在软件上加载信号识别功能模块，实现了对跳频信号捕获、调制方式识别等功能。

　　参考文献：
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