Просмотр исходного текста страницы Blog:Korogodin/28.11.2013 Формирование произвольных сигналов с помощью Waveform

<summary [ hidden ]>В векторных генераторах Rohde&Schwarz для задания низкочастотного эквивалента сигнала используются Waveform-файлы (расширение .wv). До настоящего времени их формат оставался нам неизвестным, отсутствовала программа формирования. Эта заметка должна исправить сложившуюся ситуацию.
[[file:RTOScreenshot_2013-11-28_1_152254.png|center|400px]]
</summary>

Радиосигналы можно рассматривать как произведения двух процессов: низкочастотного эквивалента (''baseband signal'') и несущей гармоники (''radio frequency''). На этом принципе основаны векторные генераторы сигналов. Они умножают квадратуры <math>I</math> и <math>Q</math>, задающие комплексный низкочастотный сигнал, и гармоническое колебание несущей частоты.

[[file:Smbv20131115013.png|center]]

Полоса сигнала редко превышает десятки мегагерц, а значит и спектр низкочастотного эквивалента относительно узок. Узок настолько, что квадратуры <math>I</math> и <math>Q</math> могут воспроизводится цифровыми устройствами, т.к. современные ЦАП обладают полосой в сотни мегагерц. 

Векторные генераторы могут использовать произвольные последовательности квадратур, а значит и формировать произвольные сигналы. Остается ограничение в ''полосе сигналов'' и их ''длительности (периоде)''. Так, например, генератор [[R%26S_SMBV100A_S/N_257721_(прибор)|R&S SMBV100A 257721]] может создавать сигналы с полосой до 120 МГц и длительностью (периодом) до 256 миллионов отсчетов квадратур.

В векторных генераторах Rohde&Schwarz для задания низкочастотного эквивалента сигнала используются Waveform-файлы (расширение .wv). До настоящего времени их формат оставался нам неизвестным, отсутствовала программа формирования. Эта заметка должна исправить сложившуюся ситуацию. 


== Формат Waveform-файла ==

Формат был восстановлен по образцу Waveform'а, поставляемого с программой WinIQSim. Файл называется <code>ArbMccwDummy.wv</code>, содержит 100 точек одного периода комплексной гармоники частоты 1 кГц. Проиллюстрируем формат на примере этого файла. 

Файл в HEX'редакторе:
[[file:2013_MccwHex.png|center]]

Файл состоит из нескольких полей, ограниченных фигурными скобками. Каждый файл должен начинаться с поля TYPE. Порядок остальных полей произвольный. Поля, неизвестные прибору, в процессе чтения файла будут им игнорироваться, но не будут изменены - можно оставлять в файле разного рода комментарии. Значение полей:
* Тип (обязательное поле)

Формат: <code>{TYPE:SMU-WV}</code>

Есть предположение, что исторически Waveform-файлы создавались для векторных генераторов серии SMU, отсюда и такое значение поля. Waveform-файлы с другими полями пока не наблюдались. В operating manual к SMBV указаны следующие возможные типы файла: SMU-WV (одна огибающая), SMU-MWV (файл, содержащий несколько огибающих), SMU-DL (data-list), SMU-CL (control list).

* Копирайт (необязательное поле)

Формат: <code>{COPYRIGHT:2003 Rohde&Schwarz SMU}</code>

* Дата создания файла (необязательное поле)

Формат: <code>{DATE:2008-10-21;16:08:33}</code>

* Смещения среднеквадратического и пикового значений (необязательное поле)

Формат: <code>{LEVEL OFFS:RMSOffset_dB,PeakOffset_dB}</code>

Оба значения имеют тип float. RMSOffset_dB определяет смещение среднеквадратического уровня сигнала по отношению к полному размаху сигнала. Полный размах сигнала определяется как максимальная амплитуда вектора I/Q <math>max(|S_{IQ}|) = max(\sqrt{I^2+Q^2}) = 0 dB</math>. PeakOffset_dB определяет смещение пикового уровня сигнала относительно полного размаха. <math>full scale = 2^{15}-1 = 32767</math>

* Число отсчетов низкочастотного эквивалента сигнала (обязательное поле)

Формат: <code>{SAMPLES:100}</code>

Число отсчетов сигнала, записанных в данном файле. 

* Частота дискретизации низкочастотного эквивалента сигнала, Гц (обязательное поле)

Формат: <code>{CLOCK:100000}</code>

Максимальная частота, предположительно, ограничена генератором (полосой). Есть и ограничение снизу. Например, файл со 100 отсчетами на генераторе серии SMBV не удалось запустить с частотой дискретизации меньше 400 Гц. 

* Последовательность квадратур (обязательное поле)

Формат: <code>{WAVEFORM-401:#<math>I_0Q_0I_1Q_1...I_{N-1}Q_{N-1}</math>}</code>, где <math>I_n</math> и т.д. - отсчет квадратурной компоненты в формате <code>little endian int16</code>, а 401 - это количество байт Length, вычисляемое по следующей формуле <math>Length = N*4 + 1</math>. Т.е. по 2 байта на каждый отсчет квадратуры и 1 байт на символ #.

Приведенный файл можно прочитать с помощью matlab-скрипта:
<source lang=matlab>
filename = 'ArbMccwDummy.wv';
fid = fopen(filename, 'r+');

for i = 1:135
    ch(i) = fread(fid, 1, 'char');
end

for i = 1:100
%     I2(i) = fread(fid, 1, 'uint8');
%     I1(i) = fread(fid, 1, 'int8');
%     I(i) = I1(i)*2^8 + I2(i) + sign(I1(i));   
%  
%     Q2(i) = fread(fid, 1, 'ubit8');
%     Q1(i) = fread(fid, 1, 'int8');
%     Q(i) = Q1(i)*2^8 + Q2(i) + sign(Q1(i));
I(i) = fread(fid, 1, 'int16', 'ieee-le');
Q(i) = fread(fid, 1, 'int16', 'ieee-le');
end

ch(i+1) = fread(fid, 1, 'char');
fclose(fid);

figure(1)
cost = 2^15*cos(2*pi*(0:(length(I)-1)) / 100);
sint = 2^15*sin(2*pi*(0:(length(I)-1)) / 100);
plot(1:length(I), [I; Q; cost; sint]);
xlabel('n')
ylabel('I, Q')


figure(2)
plot(1:length(I), Q - cost);
xlabel('n')
ylabel('Q_{file} - Q_{theor}');
</source>

Скрипт строит графики квадратурных компонент (считанных из файла и ожидаемых, сформированных теоретически):
[[file:2013_IQ_waveform.png|center]]

и разницы между ожидаемой и полученной квадратурой:
[[file:2013_QQ_waveform.png|center]]

В целом, ожидания совпадают с полученными результатами, за исключением величины ошибки. Она превышает младший разряд (единицу) при отрицательных значениях квадратуры. Есть предположение, что немного некорректно происходит интерпретация доп.кода.

== Формирование Waveform-файла ==

Сформируем экзотический сигнал - радиопилу. Код скрипта:
<source lang=matlab>
filename = 'wave.wv';
fid = fopen(filename, 'w+');

fprintf(fid, '{TYPE:SMU-WV}{COPYRIGHT:2003 Rohde&Schwarz SMU}{DATE:2008-10-21;16:08:33}{LEVEL OFFS:0.0,0.0}{SAMPLES:100}{CLOCK:100000}{WAVEFORM-401:#');

for i = 1:100
    I = i/100 * 2^15;
    Q = 0;
    fwrite(fid, I, 'int16', 'ieee-le');
    fwrite(fid, Q, 'int16', 'ieee-le');
end

fprintf(fid, '}');

fclose(fid);
</source>

HEX-полученного файла:
[[file:2013_WaveHex.png|center]]

WinIQSim принимает файл без возражений:
[[file:2013_WinIQSimPila.png|center]]

Есть некоторое недопонимание почему встроенный вьювер считает, что нельзя засемплировать выборку более 6 раз. Но так он себя ведет и с файлом-примером. Вероятно, ограничение в ПО.

Файл был применен на [[R&S SMBV100A S/N 256433 (прибор)|SMBV100A 256433]] ''(Baseband -> ARB -> Waveform file)''.

Выход I генератора (заодно узнали, что выход I с чертой - инвертированный I):
[[file:RTOScreenshot_2013-11-28_0_150909.png|center]]

Радиосигнал:
[[file:RTOScreenshot_2013-11-28_1_152254.png|center]]

Интересны переходные процессы, которые начинаются ''до'' резкого изменения сигнала. Мысли движутся в сторону интересного проявления эффекта Гиббса. 

== Оставшиеся вопросы ==
[[File:20131130 Resample.PNG|frame|right|300x200px|К вопросу об интерполяции]]
* Как ведет себя ведут I,Q квадратуры на модуляторе в промежутках между отсчетами - линейно интерполируются или остаются на постоянном уровне. Иначе говоря, для задания BPSK модуляции потребуется 2 отсчета на символ или 1?
Согласно документации, в состав ARB Waveform Generator входит ресемплер который интерполирует входные отсчеты для получения требуемой частоты дискретизации на входе ЦАП. Входная частота дискретизации <math>f_{input}</math> получается либо из файла (поле CLOCK), либо устанавливается в настройках прибора. Согласно той же документации, ФНЧ на стадии ресемплирования является неискажающим для модулирующих сигналов с максимальной полосой <math>BaseBandwidth_{max} MHz = 0.31*f_{input}</math>.
* Какова реальная максимальная длина выборки?
Из документации на SMBV получена некоторая информация. ARB может воспроизводить waveform двумя способами:
#Напрямую из внутренней памяти. По-умолчанию (опция SMBV-B10) прибор имеет память (для целей ARB?) 128MB. 1 комплексный отсчет (1 пара I,Q) занимает 4 байта. Значит, waveform файл может содержать до 32M комплексных отсчетов (без маркеров). К отсчетам можно добавлять маркеры. Каждый маркер занимает 1 бит памяти - в памяти будет меньше комплексных отсчетов сигнала. Комплексные отсчеты из waveform файла считываются в память целиком и потом воспроизводятся. Минимальное количество отсчетов - 512. Если предоставить waveform с меньшим числом отсчетов, она будет повторяться пока не получится 512 отсчетов. 
#Streaming from HDD. В данном режиме модулирующие данные считываются прибором с внутреннего жесткого диска. Данный режим ограничивает частоту дискретизации до 1 МГц.
* Каковы реальные ограничения на минимальную и максимальную частоту дискретизации, чем они обусловлены?
В разделе 5.9 мануала к прибору, посвященному модуляции с использованием внешних источников квадратур (непонятно, насколько это относится к ARB), написаны следующие требования к сигналам:
# Частота дискретизации. Внешние входные сигналы с частотой дискретизации, отличающейся от системной тактовой частоты (system clock) ресемплируются. SMBV может обрабатывать цифровые сигналы с частотой дискретизации от 400 Гц до 100 МГц, при этом внутренняя обработка основана на частоте дискретизации 200 МГц (может не совсем точно перевел). 
* В WinIQSim есть возможность собирать сценарий из нескольких Waveform-файлов. Есть ли возможность применить сценарий в приборе?
* Можно ли создать сценарий из нескольких файлов, а затем динамически (по сети) подкачивать эти файлы? Тем самым динамически в ПК формировать произвольный сигнал и скармливать его генератору. 

[[Категория:HOWTO]]
{{wl-publish: 2013-11-29 10:06:19 +0400 | Korogodin }}