1 背景

 

        信号源作为当代电子产品中的紧张一员，必须餍足高精度、高速率、高辨别率等请求。作为查抄高精度雷达配置的动态信号源更必要餍足这些请求。雷达丈量配置在一样平常维护保养中，由于没有也不大概用跟踪动态目标来完成配置性能的查抄，以是都是用信号源孕育产生信号举行查抄，而信号源无法模仿实际动态信号，因此在多数环境下无法正确地查抄配置的动态性能。本文研究并实现了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的智能动态信号源，采取了DDS(Direct Digital Synthesis)技能。FPGA与DDS相连合的方案表现出很多突出的好处：高频率辨别率；超宽的频率范畴；能实现种种调制波和恣意波形的孕育产生；关键部分易于实现全部字化。

 

        2 DDS原理及理论阐发

 

        2．1 DDS原理

        DDS即"直接数字频率合成"，是一种较新鲜的频率合成技能，颠末几年的生长，如今已经成熟，应用非常遍及。这种技能的基源头根本理是利用高稳固的参考时钟源来量化抽样时间隔断，直接对要孕育产生信号举行抽样、量化和信号映射，然后颠末D／A转换和低通滤波，输出必要的模仿信号。其原理如图1所示。

 

        通常环境下累加器的位数一样平常都比较高，以获取高的频率和相位辨别率，但思量到如下两个缘故起因，一样平常函数产生器只用N位累加器中的高M位，而舍去其低位：一是函数产生器(波形存储器)的RAM的存储容量有限；二是由于数／模转换的精度限定和外界滋扰的影响，随着位数的增长，其输出的幅度值的辨别率无法随之无穷制地增长。

 

        2．2理论阐发

 

        2．2．1 DDS输出频率表达式

 

        fc为参考时钟频率，Tc=1／fc；fo为输出频率，To=1／fo；k为频率控制字，即相位增量。

 

        设累加器的长度为N位，函数产生器孕育产生一个周期正弦波输出是M位(N位中的最高M位，M

360°／2M (1)

 

        同样，N位中的LSB相称于2π／2N弧度。该360°／2N弧度便是最小的相位增量。于是，k值映射的相位增量便是k*2π/2N弧度。如许，完成一个周期的正弦波输出必要颠末2π／(K*2π／2N)个参考时钟周期，即2N／K个周期。因此，可以得到输出频率的周期为：

 

 

        输出频率为：
 

 
        可见，输出频率fo与频率控制字k成正比。要是已知输出频率fo，即可算出频率控制字k。

        2．2．2 体系的频率辨别率

       

         当k=1时，映射输出频率为可输出的最低频率值，也便是频率辨别率：

fo=fc／2N (4)

 

        2．2．3 体系可输出的最高频率

 

        理论上，输出的最高频率重要受奈奎斯特频率的限定。根据采样定理，当k=2N-1时，体系输出到达理论输出的最高频率：fo=fc／2。但在实际计划的DDS体系中，由于以下几个缘故起因，计划的最大输出频率必须小于fc／2：一是输出滤波器的非抱负性，一样平常输出信号的最大频率为参考时钟频率fc的40％左右；二是要是孕育产生的是正弦信号，且输出的频率为采样时钟的一半，同时采样点正长处于零点，则无法孕育产生必要的信号。但是从以上几点阐发，DDS体系可以得到非常宽的频率调理范畴，其相对带宽为：

 

        3 动态信号孕育产生器的计划 
        3．1动态信号孕育产生流程

        体系框图如图2所示。动态信号孕育产生器的内核部分DDS的数字部分用FPGA实现。同时FPGA还吸取外部控制信号和孕育产生用于控制整个电路事变的同步信号，向PC微机发送FPGA事景况态。图2中NCO，D／A转换和滤波电路构成了DDS电路。寄存器用来存放孕育产生动态信号的频控码；时钟处理惩罚电路用来孕育产生采样时钟信号和同步信号；串口电路用来完成与微机接口的任务，吸取来自于微机的控制信号和数据。NCO由锁存器、相位累加器和波形存储器(RAM)构成。锁存器作为相位增量寄存器，相位累加器用于实现地点的累加，用该地点信息从波形存储器中获取相应的波形数据。波形存储器用于存放种种波形数据，可通过谋略机来孕育产生多种信号波形数据，从而实现信号源的多成果化。颠末波形存储器后，将这些数字信号举行数／模转换得到模仿信号。末了再通过运算放大器和滤波整形电路将信号滤波、放大后输出。

 

        由表达式(3)可以看出，只要频控码k变革，则输出频率随之变革，从而实现信号频率的变化。

        图2中虚线内为FPGA部分，虚线外部分重要为FPGA办事。此中存储器完成对FPGA配置的成果；接口电路完成电平转换成果重要是将FPGA输出的TTL电平转换成RS 232标准电平。

        滤波器计划采取了晶体滤波器，以滤除所孕育产生动态信号的相位噪声，餍足雷达配置应用。 
        3．2关键参数计划

       

         3．2．1 参考时钟选择

       

        由于要孕育产生的信号频率为5 MHz，由上述阐发可知，参考时钟必须大于：
 

        在此选择了fc=25 MHz。

       

        3．2．2 累加器位数选择

       

        累加器位数的选择重要决定于5 MHz信号的频率辨别率，本动态5 MHz信号孕育产生器必要的辨别率为δ=8×10-5Hz，根据表达式(4)，可谋略出累加器的位数N。

        此中，fc=25 MHz为时钟频率，δ为辨别率，则相位累加器的位数为：
 

        取NCO相位累加器的位数为N=40。
       

         3．2．3 函数产生器位数选择

       

        函数产生器位数的选择重要决定于输出5 MHz信号的相位辨别率，本动态5 MHz信号孕育产生器必要的辨别率为a=0．034°，则根据表达式(1)，可谋略出函数产生器位数为：
 

        取M=14。

       

        3．3重要芯片选择

       

        3．3．1 FPGA芯片的选择

       

         由于频控码在孕育产生动态信号前，必要全部装入FPGA的RAM中，以是FPGA的RAM必须餍足肯定请求。谋略进程如下：

       

         孕育产生动态信号时间长度设置为500 s，每秒频控码为80个，以是，共有：500×80=40 000帧数据。每帧数据为16位，共需寄存器的位数为：40 000×16=640 000。在NCO中还需实现函数产生器，函数产生器的地点宽度为14位，数据宽度也为14位，则必要的寄存器位数为：214×14=229 367。以是终极必要的寄存器位数为：640 000+229 376=869 376。

 

        其次，FPGA中必须有专用时钟处理惩罚电路，最少要有2个PLL。NCO必要的时钟较多，且时钟之间有严格的时序干系。时钟的范例重要有：数／模转换必要的时钟；串口时钟；参考时钟；80 Hz信号。

       

        Altera公司的Stratix芯片可以餍足必要。该芯片的内核电压为1．5 V，采取O．13 μm，全铜技能制造，最大寄存器容看锏? Mb。

       

         3．3．2 数字模仿转换芯片的选择

       

         相位累加器的位数为14位，以是D／A转换器件的位数也必须是14位的。颠末选择比对，AD公司的AD9754数／模转换器件可以餍足请求。该数／模转换用具有14位精度，最大调解率为125 MSPS，片上集成了两级输入寄存器和参考电流源，以是计划电路大略，操纵机动，只必要较少的外部元器件就可以完成数／模转换成果。

 

        AD9754为电流型输出器件，必要举行电流电压转换。拟用AD公司AD9631运算放大器完成电流电压转换成果，该运放的单位增益带宽在大信号环境下为175 MHz，在小信号环境下更宽。供电电压为±5 V，输出摆率为1 300 V／μs。

 

        3．4算法计划

 

        软件计划重要包括配置FPGA、谋略波形数据和频控码数据。同时软件还要完成监控表现任务。软件开辟用VC++，操纵体系用Windows NT。由软件谋略频控码并通过串口发送到FPGA的RAM中。波形数据可以以初始化文件情势写入FPGA的RAM中，可写入正弦波、三角波、方波等波形，还可写入种种调制波形。差别的波形数据用函数产生器地点加以区分，如许可随时变化输出信号的波形。体系控制下令发出后便可脱机事变。

 

        3．4．1 频控码算法

 

        根据表达式(3)，可以得出谋略频控码的表达式如下：

        k=(fo×2N)／fc

 

        3．4．2波形数据算法

        表达式如下：

 
        此中，M为函数产生器数据宽度，在此为14，t为时间单位，在此为整数，取值范畴为：0，1，…，2M-1，实际上t便是函数产生的输入地点值。

 

        4 孕育产生信号波形图

 

        在调试阶段，利用FPGA开辟板对计划举行了验证，事变正常，波形如图3所示。

 

        从图3中可以看出，输出为5 MHz数字信号，该信号是在牢固频控码增量条件下孕育产生的。颠末多次采样和波形比对，其频率是变革的。由于一个周期只有5个采样点，以是信号波形看起来不是很腻滑。通过8566A频谱阐发仪观察频谱，孕育产生的5 MHz信号的频谱特性非常好，杂波克制在70 dB以上，谐波克制在45 dB以上。

 

        5 结语

 

        通过孕育产生的动态5 MHz信号对高精度雷达配置举行查抄，证明白本方案是可行的，可以或许完成对配置动态性能的查抄，使配置的维护保养更具有针对性。