作為一種基于標準PCI的高性能總線，CompactPCI（以下簡稱CPCI）總線測量平臺技術融合了電腦與工業設備諸多的標準，既吸收了PC機最新的技術成果，又具有滿足通信和工業實時應用所必須的更堅固、更可靠、模塊化、易使用、易維護的優點。[1]任意波形發生器是CPCI測試系統中一種重要的信號源模塊，它不僅可以產生常規波形以及各種調制波形，還可以根據用戶的需求生成任意波形。目前，任意波形發生器大都采用直接數字頻率合成（DDS）技術，頻率分辨率高，切換速度快，在通信、電子對抗、雷達測試中得到廣泛應用。[2]本設計目標為CPCI 3U單槽單通道任意波形發生器模塊，采樣速率40MSPS，支持熱插拔。
1 總體硬件方案
CPCI任意波形發生器的總體硬件結構如圖1所示，主要由CPCI接口、DDS波形合成單元、模擬通道等組成。
圖1 CPCI任意波形發生器硬件框圖
DDS波形合成單元是整個系統的核心，分為高速DDS和低速DDS兩個部分。高速DDS產生除調幅外的所有波形以及調幅時的載波信號，低速DDS除了在調幅的時候產生調制信號以外，還在掃頻，FSK調制，FM調制中產生信號來控制高速DDS；CPCI接口采用PCI 9030，提供CPCI系統總線與本地總線之間的數據交換；FLASH存儲器存儲各種常規波形以及儀器的初始狀態；模擬通道位于信號通道的末端，實現對輸出波形參數的控制，包括波器組、調幅電路，加偏電路，線性放大電路等部分。濾波器組根據輸出波形的不同對DDS輸出的信號進行不同的濾波處理；調幅電路利用乘法器，實現調幅功能；幅度精調電路、加偏電路、線性放大電路對輸出波形的幅度、偏移進行控制。
2 功能電路設計與實現
2.1 DDS任意波形合成
DDS的基本原理如圖2所示[3]，主要由相位累加器、RAM查找表、D/A變換器（DAC）和低通濾波器（LPF）四部分組成。其基本工作過程為：相位累加器在累加時鐘的控制下完成累加操作，產生輸出波形的相位信息。RAM查找表完成相位信息與波形幅度之間的轉換，產生的波形數據送DAC進行數模轉換，再經過低通濾波后產生想要的輸出波形。
圖2 DDS的基本原理框圖
本文所介紹的DDS波形合成單元如圖3所示，用于產生頻率連續可調的任意波信號。高速DDS用于產生需要輸出的波形，低速DDS根據不同的調制方式產生調制信號（數據），根據調制方式的不同控制高速DDS頻率控制字的變化規律。例如，掃頻時的調制信號為正向/反向鋸齒波，使高速DDS的輸出信號頻率實現線性遞增/遞減，完成向上/向下掃頻。由于創新性的采用雙DDS結構，本項目所實現的信號頻率調制，調制信號和被調制信號都可以是任意波形，可實現任何常見或特殊的頻率調制。[4]
圖3 DDS波形合成單元原理框圖
2.2 任意波形發生器的濾波處理
2.2.1 DDS的頻譜特點
基于DDS的任意波形發生器頻率分辨率高、切換速度快，但也具有頻譜分量復雜，雜波多的缺點。濾波器起著保持有效分量、抑制雜波的作用，對輸出波形質量的好壞至關重要。從DDS的原理可知，在不考慮查找表地址的舍位和波形幅度量化位數的情況下，相位查找表中的內容可以看做是對連續信號的理想抽樣，抽樣后的信號通過DAC轉換后進行濾波處理，圖4為DDS信號產生及濾波的信號模型：
圖4 DDS信號產生及濾波模型
圖中，f(t)為輸入信號，p(t)是周期為T的抽樣脈沖，h0(t)是DAC信號模型，hr(t)是濾波器信號模型。
抽樣信號fs(t)可以表示為：
由頻域卷積性質可得抽樣信號頻譜為：
圖5 經D/A轉換后的DDS輸出頻譜
2.2.2 濾波器組的設計與實現
假設被采樣信號為正弦信號，由圖5所示可以看出，DDS輸出信號的頻率分量將出現在 (fS是采樣時鐘的頻率，f0是輸出信號的頻率)。
基于DDS的任意波形發生器輸出波形種類豐富，頻譜復雜，不能采用單一的濾波器進行濾波，必須根據輸出波形的特點選擇相應的濾波器：
1.對于輸出的正弦信號，理想的頻譜為單一譜線，但實際輸出信號中必然有雜散存在。為了更好的抑制諧波失真和非諧波失真，選用了過渡特性陡峭，截止頻率為17MHz的7階橢圓濾波器完成正弦信號的濾波。
2.對于鋸齒波、三角波、指數波和任意波等，信號本身的諧波成分復雜，為了正確地復現波形，不僅要求濾波器的通帶包含十次以上的諧波分量，同時通帶內不同頻率分量的延遲應盡可能保持一致，即濾波器相位和群延遲特性必須良好。綜合以上原因選用相移為0.05o,截止頻率42MHz的7階線性相位濾波器完成復雜波形的濾波。
2.2.3 幅頻特性的濾波校正
由于DAC的保持特性，D/A轉換后輸出的信號頻譜是以Sa函數（sinx/x）為包絡的。假設輸出頻率f0=1KHz時，幅度A=1，通過計算得知：當 f0=15MHz時，A=0.7568，即隨著信號頻率的增加，輸出幅度逐漸下降。高性能的任意波形發生器要求信號在整個帶寬范圍有較平坦的幅度曲線，本設計中采用LC諧振電路來對幅頻特性進行校正。
LC諧振電路如圖6(a)所示，傳遞函數為：
LC諧振電路實質是一種帶通濾波器，在諧振點附近對信號進行放大，而在其它頻率點對信號抑制，如圖6(b)所示。利用這一特性，在7階橢圓濾波器的輸入端并聯一個LC諧振電路來進行正弦信號幅頻特性的校正。通過計算，本項目選擇L＝180nH，C＝620pF，諧振頻率f＝15.06MHz。
圖6 LC諧振電路及其傳遞特性
實際調試中，采用ROHDE&SCHWARZ公司的手持頻譜儀FSH3對校正前后的波形數據進行了測試，結果如表1所示，可以看出，經過校正后幅度的平坦性得到明顯提高。
表1 幅頻校正對比數據
2.3 支持熱插拔的CPCI接口
隨著軍用電子、電信與數據通訊產業的迅猛發展，要求系統本身具備很高的可靠性，一旦出現問題時，必須在很短的時間內恢復正常運行，同時保持操作系統的正常運行，這就需要各功能模塊具有熱插拔功能，在更換模塊的同時不影響其它設備的正常運行。支持熱插拔功能的CPCI接口利用PCI9030、LTC1644和IRF7413實現。其總體結構如圖7所示：
圖7 CPCI接口結構框圖
PCI 9030是PLX公司推出的一款PCI接口芯片，可實現CPCI接口功能，提供CPCI總線與本地數據總線之間的數據轉換。它采用了PLX先進的SMARTarget技術，具有業界最活的局部總線，為各種存儲器和I/O設備提供了可選用的接口。EEPROM根據用戶選擇工作模式和資源的不同對PCI 9030進行初始化。熱插拔功能的關鍵是總線隔離方法和供電管理功能的實現，LTC 1644與IRF 7413配合使用，控制3.3V、5V、12V、-12V電源的上電順序。其中，PCI 9030的早期電源由CPCI接口的長針直接供電，同時禁止用戶的功能模塊在CPCI總線上直接取電，功能模塊所需要的3.3V和5V由相應的輸出場效應管IRF7413供給，12V和-12V電源由LTC 1644供給。另外PCI 9030和LTC 1644還提供對總線的預充電功能，減小拔插模塊過程中對總線的沖擊。[5]
3 實驗與結論
實驗中，采用Tektronix公司的示波器TDS3052B與ROHDE&SCHWARZ公司的手持頻譜儀FSH3對所設計的CPCI任意波形發生模塊進行了測試，圖8是輸出頻率為15MHz，的正弦信號頻譜，頻譜儀設置的起始頻率為0Hz，截止頻率為75MHz。從圖中可以看出，該信號的諧波失真優于45dB，非諧波失真優于55dB。圖9是使用該任意波形發生器模塊產生的頻率為1MHz的任意波形。
圖8 CPCI任意波形發生模塊產生的正弦波頻譜
圖9 CPCI任意波形發生模塊產生的任意波形
本文所述任意波形發生模塊于2005年12月通過驗收，通過虛擬控制軟面板或儀器驅動器，能方便的產生多種常規波形、任意波形以及數字調制波形。目前該模塊運用在電子科技大學和XXX廠合作的某自動測試系統中，實現雷達特征信號的模擬與再現。
參考文獻
[1]凌華科技集團,新一代的總線標準-CPCI[C].中國數據通信2003,7:92-94
[2]王永,劉志強,劉碩.DDS在任意波形發生器中的應用[J].儀表技術，2001,4:22-23
[3]田書林,劉科,周鵬,基于雙DDS的高速任意波發生器實現技術[J].儀器儀表學報. 2004,4:557-560
[4]Analog Devices Inc, A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis[EB/OL]. www.analog.com. 1999
[5]PLX Technology Inc, PCI 9030 Data book.[EB/OL] http://www.plxtech.com. 2002.