作为一种基于标准PCI的高性能总线，CompactPCI（以下简称CPCI）总线测量平台技术融合了电脑与工业设备诸多的标准，既吸收了PC机最新的技术成果，又具有满足通信和工业实时应用所必须的更坚固、更可靠、模块化、易使用、易维护的优点。[1]任意波形发生器是CPCI测试系统中一种重要的信号源模块，它不仅可以产生常规波形以及各种调制波形，还可以根据用户的需求生成任意波形。目前，任意波形发生器大都采用直接数字频率合成（DDS）技术，频率分辨率高，切换速度快，在通信、电子对抗、雷达测试中得到广泛应用。[2]本设计目标为CPCI 3U单槽单通道任意波形发生器模块，采样速率40MSPS，支持热插拔。
1 总体硬件方案
CPCI任意波形发生器的总体硬件结构如图1所示，主要由CPCI接口、DDS波形合成单元、模拟通道等组成。
图1 CPCI任意波形发生器硬件框图
DDS波形合成单元是整个系统的核心，分为高速DDS和低速DDS两个部分。高速DDS产生除调幅外的所有波形以及调幅时的载波信号，低速DDS除了在调幅的时候产生调制信号以外，还在扫频，FSK调制，FM调制中产生信号来控制高速DDS；CPCI接口采用PCI 9030，提供CPCI系统总线与本地总线之间的数据交换；FLASH存储器存储各种常规波形以及仪器的初始状态；模拟通道位于信号通道的末端，实现对输出波形参数的控制，包括波器组、调幅电路，加偏电路，线性放大电路等部分。滤波器组根据输出波形的不同对DDS输出的信号进行不同的滤波处理；调幅电路利用乘法器，实现调幅功能；幅度精调电路、加偏电路、线性放大电路对输出波形的幅度、偏移进行控制。
2 功能电路设计与实现
2.1 DDS任意波形合成
DDS的基本原理如图2所示[3]，主要由相位累加器、RAM查找表、D/A变换器（DAC）和低通滤波器（LPF）四部分组成。其基本工作过程为：相位累加器在累加时钟的控制下完成累加操作，产生输出波形的相位信息。RAM查找表完成相位信息与波形幅度之间的转换，产生的波形数据送DAC进行数模转换，再经过低通滤波后产生想要的输出波形。
图2 DDS的基本原理框图
本文所介绍的DDS波形合成单元如图3所示，用于产生频率连续可调的任意波信号。高速DDS用于产生需要输出的波形，低速DDS根据不同的调制方式产生调制信号（数据），根据调制方式的不同控制高速DDS频率控制字的变化规律。例如，扫频时的调制信号为正向/反向锯齿波，使高速DDS的输出信号频率实现线性递增/递减，完成向上/向下扫频。由于创新性的采用双DDS结构，本项目所实现的信号频率调制，调制信号和被调制信号都可以是任意波形，可实现任何常见或特殊的频率调制。[4]
图3 DDS波形合成单元原理框图
2.2 任意波形发生器的滤波处理
2.2.1 DDS的频谱特点
基于DDS的任意波形发生器频率分辨率高、切换速度快，但也具有频谱分量复杂，杂波多的缺点。滤波器起着保持有效分量、抑制杂波的作用，对输出波形质量的好坏至关重要。从DDS的原理可知，在不考虑查找表地址的舍位和波形幅度量化位数的情况下，相位查找表中的内容可以看做是对连续信号的理想抽样，抽样后的信号通过DAC转换后进行滤波处理，图4为DDS信号产生及滤波的信号模型：
图4 DDS信号产生及滤波模型
图中，f(t)为输入信号，p(t)是周期为T的抽样脉冲，h0(t)是DAC信号模型，hr(t)是滤波器信号模型。
抽样信号fs(t)可以表示为：
由频域卷积性质可得抽样信号频谱为：
图5 经D/A转换后的DDS输出频谱
2.2.2 滤波器组的设计与实现
假设被采样信号为正弦信号，由图5所示可以看出，DDS输出信号的频率分量将出现在 (fS是采样时钟的频率，f0是输出信号的频率)。
基于DDS的任意波形发生器输出波形种类丰富，频谱复杂，不能采用单一的滤波器进行滤波，必须根据输出波形的特点选择相应的滤波器：
1.对于输出的正弦信号，理想的频谱为单一谱线，但实际输出信号中必然有杂散存在。为了更好的抑制谐波失真和非谐波失真，选用了过渡特性陡峭，截止频率为17MHz的7阶椭圆滤波器完成正弦信号的滤波。
2.对于锯齿波、三角波、指数波和任意波等，信号本身的谐波成分复杂，为了正确地复现波形，不仅要求滤波器的通带包含十次以上的谐波分量，同时通带内不同频率分量的延迟应尽可能保持一致，即滤波器相位和群延迟特性必须良好。综合以上原因选用相移为0.05o,截止频率42MHz的7阶线性相位滤波器完成复杂波形的滤波。
2.2.3 幅频特性的滤波校正
由于DAC的保持特性，D/A转换后输出的信号频谱是以Sa函数（sinx/x）为包络的。假设输出频率f0=1KHz时，幅度A=1，通过计算得知：当 f0=15MHz时，A=0.7568，即随着信号频率的增加，输出幅度逐渐下降。高性能的任意波形发生器要求信号在整个带宽范围有较平坦的幅度曲线，本设计中采用LC谐振电路来对幅频特性进行校正。
LC谐振电路如图6(a)所示，传递函数为：
LC谐振电路实质是一种带通滤波器，在谐振点附近对信号进行放大，而在其它频率点对信号抑制，如图6(b)所示。利用这一特性，在7阶椭圆滤波器的输入端并联一个LC谐振电路来进行正弦信号幅频特性的校正。通过计算，本项目选择L＝180nH，C＝620pF，谐振频率f＝15.06MHz。
图6 LC谐振电路及其传递特性
实际调试中，采用ROHDE&SCHWARZ公司的手持频谱仪FSH3对校正前后的波形数据进行了测试，结果如表1所示，可以看出，经过校正后幅度的平坦性得到明显提高。
表1 幅频校正对比数据
2.3 支持热插拔的CPCI接口
随着军用电子、电信与数据通讯产业的迅猛发展，要求系统本身具备很高的可靠性，一旦出现问题时，必须在很短的时间内恢复正常运行，同时保持操作系统的正常运行，这就需要各功能模块具有热插拔功能，在更换模块的同时不影响其它设备的正常运行。支持热插拔功能的CPCI接口利用PCI9030、LTC1644和IRF7413实现。其总体结构如图7所示：
图7 CPCI接口结构框图
PCI 9030是PLX公司推出的一款PCI接口芯片，可实现CPCI接口功能，提供CPCI总线与本地数据总线之间的数据转换。它采用了PLX先进的SMARTarget技术，具有业界最活的局部总线，为各种存储器和I/O设备提供了可选用的接口。EEPROM根据用户选择工作模式和资源的不同对PCI 9030进行初始化。热插拔功能的关键是总线隔离方法和供电管理功能的实现，LTC 1644与IRF 7413配合使用，控制3.3V、5V、12V、-12V电源的上电顺序。其中，PCI 9030的早期电源由CPCI接口的长针直接供电，同时禁止用户的功能模块在CPCI总线上直接取电，功能模块所需要的3.3V和5V由相应的输出场效应管IRF7413供给，12V和-12V电源由LTC 1644供给。另外PCI 9030和LTC 1644还提供对总线的预充电功能，减小拔插模块过程中对总线的冲击。[5]
3 实验与结论
实验中，采用Tektronix公司的示波器TDS3052B与ROHDE&SCHWARZ公司的手持频谱仪FSH3对所设计的CPCI任意波形发生模块进行了测试，图8是输出频率为15MHz，的正弦信号频谱，频谱仪设置的起始频率为0Hz，截止频率为75MHz。从图中可以看出，该信号的谐波失真优于45dB，非谐波失真优于55dB。图9是使用该任意波形发生器模块产生的频率为1MHz的任意波形。
图8 CPCI任意波形发生模块产生的正弦波频谱
图9 CPCI任意波形发生模块产生的任意波形
本文所述任意波形发生模块于2005年12月通过验收，通过虚拟控制软面板或仪器驱动器，能方便的产生多种常规波形、任意波形以及数字调制波形。目前该模块运用在电子科技大学和XXX厂合作的某自动测试系统中，实现雷达特征信号的模拟与再现。
参考文献
[1]凌华科技集团,新一代的总线标准-CPCI[C].中国数据通信2003,7:92-94
[2]王永,刘志强,刘硕.DDS在任意波形发生器中的应用[J].仪表技术，2001,4:22-23
[3]田书林,刘科,周鹏,基于双DDS的高速任意波发生器实现技术[J].仪器仪表学报. 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.