USB接插件接口功率任意波发生器设计意义

USB接插件接口功率任意波发生器设计意义

USB接插件接口功率任意波发生器设计是USB接口的重要组成部分，主要是方便在特殊环境下的作业能确保使用正常，比如井下平台，为了缩短井下短距离无线传输发射机的研发时间，没有采用常规的使用商用任意波发生器的技术路线；专门设计了一种功率任意波发生器，上位机通过USB接口下载波形数据文件，信号发生器可以输出高达6W的信号；为了实现该设计，采用专用USB-SPI桥接芯片完成上位机与高集成度模拟前端芯片的USB接口通讯；由于上位机的非实时操作系统不能产生高速、稳定的发送指令，使用同步FIFO来存储并回放SPI总线上的信号，解决了SPI通讯速率的匹配问题，增强了输出更新频率的稳定性；该功率任意波发生器可以输出6W、10位精度，500kSa/s采样频率的任意波形，具有512k采样深度，满足井下SDR发射机设计需求；其模拟前端电路与井下发射机完全相同，实现了一次性硬件开发验证，缩短了研发时间。

在石油钻井领域，井下信号的短距离无线传输技术不仅有利于在高频磁耦合信道中使用常规钻具代替造价昂贵的特殊有缆钻具，也有利于实现跨越螺杆钻具的近钻头参数测量。井下无线信道由钻井液、钻柱、地层等共同组成。与水声信道类似，该信道也具有时间变化大、衰减大、频率低、传播路径丰富等特性。不同信道条件需要不同通讯方式，软件无线电适合在同一硬件平台实现不同频段、不同调制方式的通讯。对于井下无线通讯SDR发射机研制而言，需要尽可能地通过软件方式实现除模拟前端和数模转换器外的所有功能。

井下SDR发射机研制的常规技术路线是利用上位机设计信号调制等算法，然后将算法移植到微控制器、现场可编程逻辑阵列、数字信号处理器等嵌入式硬件中，随后通过高集成度发射机输出功率信号。使用任意波信号发生器可以验证算法，如Keysight 81150A脉冲函数任意噪声发生器可以输出14位、512k采样深度、2GSa/s采样率的任意波形信号。由于输出功率限制，该信号发生器即便在增加高电压选件后输出功率也仅有0.25W，不能满足井下SDR发射机的功率需求；使用附加的独立放大器又无法满足高集成度一次性硬件开发验证的需求。

所以设计的USB插件接口功率任意波发生器的核心硬件与井下SDR发射机完全相同，避免了硬件的二次开发验证。上位机通过USB接口写入设计好的波形数据，功率任意波发生器通过单个高集成度芯片实现DAC、功率放大器、滤波器等功能，输出功率高达6W。使用该功率任意波发生器能够缩短井下SDR发射机的研制周期。