专利名称：一种幅度概率分布统计参量测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种幅度概率分布(APD)统计参量测量仪，属于无线电信号 及干扰测量技术领域。
技术背景电磁骚扰测量(以下简称EMI测量)是研究电气电子系统、设备的干扰与 抗干扰或者电磁兼容性(EMC)问题的主要技术手段之一。EMI测量接收机是 实施EMI测量的专用测量设备。从EMI测量接收机的组成来看，基本上就是一部含高频选频放大的超外差 接收机，其灵敏度可通过输入回路的可调射频(RF)衰减器来调变，预选滤波 器配合前置预放用以提高带外抑制度并为混频级提供合适的输入信号电平，信 号通过混频器(通常由两级以上组成)后被变频到固定的中频频率，中频滤波器 用来确定仪器的分辨率带宽，并由中频放大器将信号功率放大到适当的水平。传统的EMI测量的主要目标参量是接收机检波器的输出。国际无线电干扰 特别委员会(CISPR)规定测量接收机须具备四种基本的检波方式，即准峰值 (QP)、峰值(PK)、平均值(AV)和均方根值(RMS)，它们分别被用于对不同 性质的电磁骚扰进行测量。在大多数的民用标准中，电磁骚扰的限值电平一般 以准峰值给出，军标测试则多以峰值形式给出。准峰值和峰值检波都是针对检 测脉冲型电磁骚扰而设计的准峰值检波器的充放电时间常数以及指示器的机 械阻尼特性模拟了人耳或人眼的生理响应特性，其输出符合人类听觉或视觉的 主观感受，其脉冲响应特性是检波器输出幅度与脉冲的重复频率成正比；峰值 检波则主要是为了检出骚扰电平的最大幅度值，其放电时间常数远远大于充电时间常数。然而，在数字系统占据主流的今天，使用准峰值或者峰值检波器输出来衡 量干扰程度的方法已经难以适用于各种情况。由于广泛采用了编码调制、信道 滤波以及扩频等技术，现有的许多数字系统的抗同频干扰能力远非模拟系统所 能比拟；而特定系统对于特定形式的脉冲骚扰的敏感性要远远大于连续波形式 的骚扰。另一方面，电磁骚扰主要是来自其他系统或设备的人为脉冲噪声，这 些噪声脉冲并非可以用简单的高斯型脉冲骚扰模型来描述，因它们的频谱并不 是平坦的白噪声形式，所以仅用均方根值检波器的输出来衡量也并不充分。综 上可知，传统的准峰值或峰值检波器的充放电时间常数使得检波器的输出根本 无法反映出快速的大动态的骚扰电平的变化，从而失去了准确判别干扰程度的 依据。寻找一种能够克服传统检波测量方法的不足，同时可以反映脉冲性骚扰对数字系统的影响的测量方法，是EMC这门学科领域当前所面对的一个课题。 随着统计通信理论的发展，概率论和数理统计方法己被大量应用到通信系 统的设计和分析以及性能估计等方面。针对噪声的随机性特点，特别是研究同 一骚扰对不同通信系统的影响时，时域统计参量测量有着独特的优势。统计参 量测量不直接测量骚扰对接收者的最终结果，而是首先建立骚扰模型和系统模 型，通过改变系统模型来得到骚扰对不同制式的通信系统的影响，它对模拟通 信系统与数字通信系统都能有效地进行评价。而且通过对统计参量的测量，我 们能够由统计数据计算转换得出相应骚扰电平的峰值、准峰值、有效值、平均 值等特性，从而可以从各个角度去研究骚扰对通信系统的影响。特别是在数字 通信系统中，我们能够将统计参量结果与通信系统的误码率建立相应关系，从 而克服常规方法的不足，有效评价骚扰对数字通信系统的影响。国际无线电干扰特别委员会在2006年通过的新CISPR16-1-1 Ed.2标准中，将幅度概率分布(Amplitude Probability Distribution, APD)统计参量测量方法 列为了一种电磁骚扰的标准测量方法，作为对检波测量方法的补充。虽然目前 各产品委员会对于各类设备的骚扰发射的APD限值还没有具体给出，但这种统 计参量测量方法的实施己是大势所趋。目前，各科研与检测机构所使用的EMI 测量接收机尚不具备APD测量功能，如果为此而购置新的设备，将花费大量的 资金和外汇。本发明的APD测量仪通过连接到传统EMI接收机或频谱仪的末级 中频输出或包络检波输出端口，实现APD统计参量测量。它充分利用了传统接 收机前级射频信号处理电路的功能，并结合了 APD统计参量测量方法的优点， 能够为各科研机构、检测实验室的现有设备扩展APD测量功能而无需重新购置 昂贵的新设备，具有乐观的应用前景和广泛的市场。APD统计参量测量方法统计电磁骚扰的幅度超过某个规定电平的时间概 率。尽管APD测量本身并非特定针对接收信号的中频包络而言，但从实现的角 度来看，对高频信号或噪声进行时域的统计参量测量，还必须将此信号或噪声 进行调理，将其变频到适于进行测量的频率，在其中频包络上进行测量和统计。 从某种意义上讲，APD测量也可以被理解为一种特殊的广义检波方式。它所针 对的某个频率的信号或电磁噪声测量结果，不是像传统检波器那样只给出一个 测量值，而是一组列表值，分别对应了信号或噪声电平和信号或噪声幅度超过 此电平的时间概率。APD测量基本可以用以下所述的方法来实现对输入的中频包络电压，采 用一片模/数转换器(采样速率和采样分辨率视具体指标要求决定)进行采样， 转换成数字信号表示。对测量过程中每一个量化电平的采样次数进行累积统计， 最后经过计算就可以得到本次测量的APD分布。具体方法是将采样后的数字 信号作为寻址信息，即每个采样值均对应随机存储器中的一个存储单元，存储单元中存储着对应的累计采样次数的计数值。在每个新采样值到来时，将对应的计数值加一即可。发明内容要解决的技术问题应用本发明的APD统计参量测量仪的输入端连接到传统EMI测量接收机的 末级中频输出或包络检波输出端口，可以完成对无线电信号或电磁骚扰的APD测量过程无中断，测量过程中用户端能够无阻塞地实时获得测量的中间数据；使用标准的串行总线接口输出测量数据；测量过程由计算机控制自动完成。本发明采取的技术方案是本发明的APD统计参量测量仪包括对数压縮电路、模/数采样电路、数字信 号处理电路；数字信号处理电路包含先进先出队列、电平统计模块、双端口随 机存储器、数据接口逻辑、串行外围接口 (SPI)和两线式串行接口 (I2C)总线 仿真模块，数字信号处理电路在一片现场可编程门阵列器件上实现，该测量仪 使用传统电磁骚扰测量接收机的末级中频输出或包络检波输出作为输入信号。使用对数压縮电路扩展测量动态范围，采用逐级检波对数放大器对中频输 入端口的信号进行包络检波和对数转换，将中频信号的包络电压转换到对数域 以分贝单位表示，从而在有限分辨率的模/数转换条件下获得分贝电平的线性分 层。在电平统计模块中将随机存储器的地址端口、读数据端口、写数据端口分 立设计，并在操作时钟的上升沿和下降沿分别完成存储器地址锁存/寻址、读存储器、"+ l"逻辑运算、写存储器四个操作步骤，从而在两个内部时钟周期内完 成APD统计测量的电平统计功能。双端口随机存储器提供两套相互独立的访问端口 其中一套访问端口面向 电平统计模块进行计数统计使用；另一套访问端口面向数据接口逻辑模块，供 用户查询测量结果数据使用。SPI总线仿真模块将面向用户的测量数据输出端口仿真成一个具有标准SPI的电可擦除只读存储器(E2PROM); I2C总线仿真模块将将面向用户的测量数据 输出端口仿真成一个具有标准I2C的E2PROM。本发明的APD统计参量测量仪与现有的超外差EMI测量接收机或频谱分析 仪配合使用将接收机调谐在目标频率上，或频谱仪工作在点频(O扫频范围) 模式，用其末级中频输出或包络检波输出作为本测量仪的输入信号，即可完成 APD统计参量测量。测量过程使用计算机自动控制完成。对于从接收机中频输出的信号，由于具有很大动态范围，故由对数压缩电 路将信号的包络检出，并转换到对数域表示。而对于从接收机包络检波端口输 出的待测信号，由于已经完成了对数转换，故由输入选择开关旁路跨过对数压 縮电路；随即中频包络电压被送入模/数采样电路，转换成数字信号后送入数字信号 处理电路。数字信号处理电路完成APD统计参量测量的核心操作，即电平统计处理。 得到的结果数据经过SPI或I2C总线接口输出。所有的数字信号处理电路功能均 在一片现场可编程门阵列(FPGA)器件上实现。同时，在FPGA上还实现了模 /数采样级的采样时钟发生电路。本发明的有益效果是-本发明的APD统计参量测量仪通过连接到传统EMI接收机或频谱仪的中频 输出或包络检波输出端口，实现了对无线电信号或电磁噪声的APD统计参量测 量，指标满足CISPR所建议的原则要求。在本发明中采用了一系列的独特设计，使得在进行无间断连续测量过程中， 用户可以实时地访问测量结果数据而不需暂停测量过程；用户数据访问端采用 了 SPI和I2C总线仿真接口技术，使得用户可以使用标准的SPI或I2C访问时序 来访问测量结果数据，方便与各种控制器搭建测量系统，提高了使用的灵活性。使用本发明的APD统计参量测量仪可以与传统的EMI测量接收机搭建成 APD统计参量测量系统，它充分借助了传统接收机前级射频信号处理电路的功 能，并结合了 APD统计参量测量方法的优点，能够为各科研机构、检测实验室 的现有设备扩展APD测量功能，而无需重新购置昂贵的新设备，从而节约资金 和外汇。
图1 APD统计参量测量仪原理框图；图2对数压縮电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述 l.幅度概率分布统计参量测量仪如图1所示，该测量仪包括对数压縮电路、模/数采样电路、数字信号处理 电路；测量仪具有"中频信号"和"包络检波"两个输入端口供选择，可使用 传统电磁骚扰测量接收机的末级中频输出或包络检波输出作为输入信号；数字 信号处理电路在一片现场可编程门阵列器件上实现，由先进先出队列(FIFO)、 电平统计模块、双端口随机存储器、数据接口逻辑、SPI和I2C总线仿真模块组成。中频信号经对数压縮电路进行包络检波和对数压縮以扩展测量动态，得到的 包络电压或直接由包络检波端口输入的信号进入模/数采样电路转换成数字信 号，然后送入数字信号处理电路进行处理。数字信号首先进入FIFO进行缓冲，以实现处理数据负荷的平衡。缓冲后的信号随即进入电平统计模块进行相应电平的累加计数统计。统计测量的结果数据暂存在双端口随机存储器中。测量结果通过SPI总线仿真接口或I2C总线仿真接口供用户查询或调用。2.对数压縮电路对数压縮电路对中频信号完成以下运算式中^ ,为输出电压；p;为电压转换斜率或称对数斜率， 一般取以io为底的对数，此情况下^也是每分贝电压；P^,为输入中频信号的包络电压；f^为对数截距电压。如图2所示为对数压缩电路原理图，由一片型号为AD8310的逐级检波对数 放大器完成包络检波和对数转换。来自接收机的中频信号由端口RFIN输入，输 入端通过并联电阻RF1取得与接收机50Q中频输出端口的阻抗匹配。信号经电 容C49交流耦合输入至AD8310的管脚INHI; AD8310按输入单端方式工作，经 过检波和对数转换后的对数包络电压由管脚VOUT输出，经过电阻RF5送往下一 级模/数转换电路的输入端ANAIN。对于某些提供经对数压縮后的包络检波输出端口，也称视频输出端口的EMI 测量接收机或频谱分析仪，在采用这类设备配合APD统计参量测量仪进行检测 时，则可以省略对数压縮电路，将该端口的信号直接送进模/数采样级电路进行处理。3.双倍数据速率(DDR)电平统计模块在电平统计模块中将随机存储器的地址端口、读数据端口、写数据端口分 立设计，并在操作时钟的上升沿和下降沿分别完成存储器地址锁存/寻址、读存 储器、"+l"逻辑运算、写存储器四个操作步骤，从而在两个内部时钟周期内完 成APD统计测量的电平统计功能。在执行APD统计参量测量的过程中，实际上完成的是对模/数采样的各量化 电平的采样点数进行计数统计，在这个电平统计结果上才能进一步完成APD分 布的计算。在一个采样周期内需要完成的操作包括了下面四个步骤 一，将采 样值数据锁存，并作为地址信息对随机存储器寻址；二，将存储器对应地址的 存储单元中的计数数值读出；三，对该数值做"+l"运算；四，将处理后的数 据写回随机存储器的同一地址存储单元。由此可见，常规的设计将使用4个操作时钟周期完成上述的数据处理操作 循环，这就要求APD统计电路以采样时钟的4倍以上的速度运行，限制了测量 装置处理速度。本发明采用了独特的电路结构和时序设计实现了双倍数据速率 (DDR)电平统计模块，使得上述操作可以在两个操作时钟周期内完成，即电平 统计模块电路的操作时钟只需是采样时钟的二倍频即可，提升了器件速度上的 潜力。具体方法参见图1，电平统计模块由框图中的地址锁存、"+l"逻辑运算、 双端口随机存储器以及它们之间的连接端口组成。将双端口随机存储器电平统 计侧(左侧)的地址端口 (图中"地址l")、数据读端口 (图中"数据读l")、 数据写端口 (图中"数据写1")分立设置，并在操作时钟的上升沿和下降沿均进行相应步骤的操作。4.双端口随机存储器(DPRAM)双端口随机存储器提供两套相互独立的访问端口 其中 一套访问端口面向 电平统计模块进行计数统计使用；另一套访问端口面向数据接口逻辑模块，供 用户查询测量结果数据使用。测量过程中的电平统计数据暂存在随机存储器中。按照常规的单端口存储 器设计，如果用户在测量过程中要访问这些数据，必须暂停测量，否则可能导 致存储器访问冲突而造成存储器中的数据被破坏。在保证无间断连续测量的前 提条件下，常规设计将会出现测量过程中的盲等待现象，即不到一个测量周期 结束(CISPR规定为2分钟)，用户就无法访问测量数据。在本发明中采用了双端口随机存储器(DPRAM)技术，有效地解决了无间断 测量和测量盲等待之间的矛盾。执行测量任务的"电平统计模块"和负责向用 户输出数据的"数据接口逻辑"模块分别对DPRAM的不同端口进行访问，避免 了同时操作可能引起的访问冲突。利用本设计，实现了无间断测量过程中测量 结果数据的实时输出。5.SPI总线仿真为使本测量仪能够方便灵活地与各类控制器搭配使用，用户数据访问端提 供了 SPI总线仿真接口，具体方法是在数字信号处理电路中实现了一个SPI 总线仿真接口模块，参见图1中的"SPI总线仿真"模块，通过它将测量仪仿真成一个具有标准SPI总线电路接口的E2PROM存储器。用户可以使用标准的SPI 总线访问时序来访问测量结果数据。 6. I2C总线仿真用户数据访问端还提供了I2C总线仿真接口，具体方法是在数字信号处理电路中实现了一个12C从机接口模块，参见图1中的"12(:总线仿真"模块，通过它将测量仪仿真成一个具有标准I2C总线电路接口的E2PROM存储器。用户可 以使用标准的i2c总线访问时序来访问测量结果数据。SPI或I2C总线仿真模块的功能都是将IP核仿真成一片可以使用标准访问 时序进行串行访问的存储器，用户可以通过一个控制电平信号来选择使用SPI 或lt总线。
权利要求
1.一种幅度概率分布统计参量测量仪，其特征是该测量仪包括对数压缩电路、模/数采样电路、数字信号处理电路；数字信号处理电路包含先进先出队列、电平统计模块、双端口随机存储器、数据接口逻辑、串行外围接口和两线式串行接口总线仿真模块；数字信号处理电路在一片现场可编程门阵列器件上实现，该测量仪使用传统电磁骚扰测量接收机的末级中频输出或包络检波输出作为输入信号。
2. 根据权利要求1所述的一种幅度概率分布统计参量测量仪，其特征是使 用对数压縮电路扩展测量动态范围，采用逐级检波对数放大器对中频输入端口 的信号进行包络检波和对数转换，将中频信号的包络电压转换到对数域以分贝 单位表示，从而在有限分辨率的模/数转换条件下获得分贝电平的线性分层。
3. 根据权利要求1所述的一种幅度概率分布统计参量测量仪，其特征是在 电平统计模块中将随机存储器的地址端口、读数据端口、写数据端口分立设计， 并在操作时钟的上升沿和下降沿分别完成存储器地址锁存/寻址、读存储器、"+ l" 逻辑运算、写存储器四个操作步骤，从而在两个内部时钟周期内完成幅度概率 分布统计测量的电平统计功能。
4. 根据权利要求1所述的一种幅度概率分布统计参量测量仪，其特征是双 端口随机存储器提供两套相互独立的访问端口 其中 一套访问端口面向电平统 计模块进行计数统计使用；另一套访问端口面向数据接口逻辑模块，供用户査 询测量结果数据使用。
5. 根据权利要求1所述的一种幅度概率分布统计参量测量仪，其特征是串 行外围接口总线仿真模块面向用户的测量数据输出端口仿真成一个具有标准串 行外围接口的电可擦除只读存储器；
6. 根据权利要求1所述的一种幅度概率分布统计参量测量仪，其特征是两线式串行接口总线仿真模块面向用户的测量两线式串行接口的电可擦除只读存储器。
全文摘要
本发明涉及一种幅度概率分布(APD)统计参量测量仪，属于无线电信号及干扰测量技术领域。测量仪由对数压缩电路、模/数采样电路、数字信号处理(DSP)电路构成。DSP部分含采样时钟发生电路，在一片现场可编程门阵列器件上实现。采用了双端口随机存储器设计实现了连续无间断测量过程中的实时结果输出；采用存储器地址总线、数据读总线、数据写总线分立设计和时钟双边沿处理技术实现了高效率实时数据处理；采用SPI和I<sup>2</sup>C总线仿真技术提供了两种工业标准接口，为连接各类控制器提供了灵活友好的界面。应用本发明，将输入端连接到传统电磁骚扰测量接收机的末级中频输出或包络检波输出端口，可以完成对无线电信号或电磁骚扰的APD统计参量测量。
文档编号G01R29/08GK101324646SQ20081011720
公开日2008年12月17日 申请日期2008年7月25日 优先权日2008年7月25日
发明者宋起柱, 尹纪新, 飞 杨, 斐 沙, 王俊峰, 王国栋, 王文俭, 阚润田, 嵩 陈 申请人:北京交通大学