用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)模擬雷達(dá)信號

前言

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是由掩膜可編程門陣列和PLD（可編程邏輯器件）演變而來的，并將二者的特性結(jié)合在一起，使FPGA既有掩膜可編程門陣列的高邏輯密度和通用性，又有PLD的可編程特性。FPAG技術(shù)的發(fā)展使得單個芯片上集成的邏輯門數(shù)越來越多，能實(shí)現(xiàn)的功能越來越復(fù)雜。它以編程方便、集成度高、速度快等特點(diǎn)受到電子設(shè)計人員的青睞。人們可以通過硬件編程的方法設(shè)計和開發(fā)ASIC（專用集成電路）芯片，極大地提高芯片的研制效率、降低開發(fā)費(fèi)用。

通過應(yīng)用FPGA技術(shù)，較好地為“某型雷達(dá)告警設(shè)備”的配套檢測儀器實(shí)現(xiàn)了模擬雷達(dá)信號發(fā)生器ASIC芯片的設(shè)計，該芯片能夠提供“某型雷達(dá)告警設(shè)備”測試過程中所需的多種典型的重頻脈沖及制導(dǎo)信號等，其中包括SA-6重頻信號、SA-2重頻脈沖及制導(dǎo)信號、SA-3重頻脈沖及制導(dǎo)信號、雷達(dá)脈沖視頻等。所設(shè)計的ASIC芯片的性能較為理想。

模擬雷達(dá)信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)

模擬雷達(dá)信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。可以看到，模擬雷達(dá)信號發(fā)生器由連續(xù)波雷達(dá)模擬信號CW開關(guān)、制導(dǎo)信號SA-2開關(guān)、制導(dǎo)信號SA-3開關(guān)、時鐘脈沖產(chǎn)生器、輸出1、輸出2和產(chǎn)生模擬雷達(dá)信號的控制芯片組成。上述開關(guān)都是高電平有效，開關(guān)的消抖動電路放在控制芯片部分考慮。時鐘脈沖產(chǎn)生器由外部的晶體振蕩器產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定的1MHz時鐘脈沖，用來滿足信號脈沖寬度的要求?！癈W開關(guān)”有效時，“輸出2”輸出連續(xù)波雷達(dá)達(dá)模擬信號；“SA-2開關(guān)”有效時，“輸出2”輸出SA-2的重頻脈沖，“頻脈沖，“輸出1”輸出SA-2的指令信號組；“SA-3開關(guān)”有效時，“輸出2”輸出SA-3的重頻脈沖，“輸出1”輸出SA-3的指令信號。

ASIC芯片的設(shè)計

1芯片主要性能指標(biāo)

（1）產(chǎn)生連續(xù)波雷達(dá)模擬信號：重頻3012Hz，脈寬1μs±0.1μs；

（2）產(chǎn)生制導(dǎo)信號SA-2重頻脈沖：重頻2463Hz，脈寬0.5μs±0.1μs；SA-2指令信號組：重頻2463Hz，每秒132個單指令，44個指令組，指令脈寬1μs±0.1μs；

（3）產(chǎn)生制導(dǎo)信號SA-3重頻脈沖：重頻3497Hz，脈寬0.5μs±0.1μs；SA-3指令信號同SA-3重頻脈沖等。

芯片的輸出和輸出信號定義如下：

輸入信號：連續(xù)波雷達(dá)模擬信號輸入；制導(dǎo)SA-2輸入；制導(dǎo)SA-3輸入；時鐘脈沖輸入等。

輸出信號：輸出1；輸出2。

2芯片結(jié)構(gòu)

該芯片分為10個子模塊，如圖2所示。各子模塊的作用如下：

二分頻電路

時鐘脈沖輸入CLK頻率為1MHz，一方面為203分頻及脈寬整形電路、143分頻及脈寬整形電路提供1μs的方波，使二個脈寬整形電路產(chǎn)生0.5μs脈寬信號；另一方面CLK經(jīng)二分頻電路產(chǎn)生500kHz信號，提供給203分頻及脈寬整形電路、143分頻及脈寬整形電路、166分頻及脈寬整形電路作為分頻電路的輸入信號，同時提供給消抖動電路及編碼器、166分頻及脈寬整形電路、18.5分頻及脈寬整形電路用來產(chǎn)生1μs脈寬信號。

消抖動電路及編碼器

消抖動電路能消除開關(guān)的（文內(nèi)未見有提及機(jī)械開關(guān)，如電路開關(guān)應(yīng)是上升、下降邊沿抖動對輸出的影響，它分別將開關(guān)的輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)?μs脈寬的輸出信號。CW開關(guān)、SA-2開關(guān)、SA-3開關(guān)信號經(jīng)編碼后產(chǎn)生對應(yīng)的碼元00、01、10信號，控制選擇器工作。

各分頻及脈寬整形電路

5個分頻電路按功能的要求產(chǎn)生各自的重頻頻率，再經(jīng)脈寬整形電路產(chǎn)生出符號各信號脈沖寬度（1μs或0.5μs）的脈沖。如：203分頻及脈寬整形電路產(chǎn)生2463Hz、0.5μs脈寬的信號；166分頻及脈寬整形電路產(chǎn)生3012Hz、1μs脈寬的信號；143分頻及脈寬整形電路產(chǎn)生3097Hz、0.5μs脈寬的信號；18.5分頻及脈寬整形電路產(chǎn)生132Hz、1μs脈寬的信號；3分頻電路產(chǎn)生44Hz方波信號。

SA-2指令組形成電路

將2463Hz、132Hz與44Hz信號一起加到SA-2指令組成電路，產(chǎn)生一組脈沖序列，構(gòu)成每秒132個單指令、44個指令組。在560μs內(nèi)只有一個脈沖，稱為單指令，有2個或更多脈沖，稱為指令組。

選擇器

依據(jù)編碼器輸送來的碼元，選擇器輸出對應(yīng)的工作狀態(tài)。當(dāng)碼元為“00”時，“OUT2”輸出連續(xù)波雷達(dá)模擬信號；碼元為“01”時，“OUT2”輸出SA-2的重頻脈沖，“OUT1”輸出SA-2的指令信號組；當(dāng)碼元為“10”時，“OUT2”輸出SA-3的重頻脈沖，“OUT1”輸出SA-3的指令信號。

3控制芯片VHDL語言描述

由芯片的結(jié)構(gòu)可以看出，6個分頻器電路除了它們的分頻系數(shù)不同外，VHDL（甚高速集成電路描述語言）的結(jié)構(gòu)是類似的，稍加改變便可設(shè)計成各自獨(dú)立的元件單元。脈寬整形電路可設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)的基本單元，以元件形成供4個脈寬整形電路和消抖動電路調(diào)用。SA-2指令組形成電路、編碼器和選擇器分別設(shè)計成獨(dú)立的元件單元。將上述各單元按它們的信號關(guān)系連接起來，便構(gòu)成了芯片構(gòu)造體描述。該設(shè)計直接采用VHDL的RTL（寄存器傳輸描述）方式，來簡化設(shè)計步驟和縮短設(shè)計時間。其VHDL硬件描述語言主程序流程圖如圖3所示。

結(jié)束語

我們采用VHDL硬件描述語言，通過MAX+PLUS Ⅱ開發(fā)平臺，經(jīng)編譯、仿真無誤后，寫入Altera公司EPM7064S器件中，經(jīng)調(diào)試，其性能完全達(dá)到設(shè)計要求。