基于FPGA的DDS芯片實(shí)現(xiàn)雷達(dá)線性調(diào)頻信號系統(tǒng)的設(shè)計

線性調(diào)頻信號可以獲得較大的壓縮比，有著良好的距離分辨率和徑向速度分辨率，所以線性調(diào)頻信號作為雷達(dá)系統(tǒng)中一種常用的脈沖壓縮信號，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高分辨率雷達(dá)領(lǐng)域。直接數(shù)字頻率合成(Digital DirectFrequency Synthesis，DDS)技術(shù)是解決這一問題的最好辦法。在雷達(dá)系統(tǒng)中采用DDS技術(shù)可以靈活地產(chǎn)生不同載波頻率、不同脈沖寬度以及不同脈沖重復(fù)頻率等參數(shù)構(gòu)成的信號，為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計者提供了全新的思路。

1設(shè)計思路

利用專用DDS芯片是目前比較流行的信號產(chǎn)生方法。專用DDS芯片把所有功能集中在一塊芯片上，需要設(shè)計者以此為平臺進(jìn)行開發(fā)。而基于FPGA的DDS軟件編程則根據(jù)DDS技術(shù)的基本原理，充分利用了FPGA作為大規(guī)模芯片的資源優(yōu)勢和高速運(yùn)算能力，除了能產(chǎn)生專用DDS芯片所具備的單頻連續(xù)波、非連續(xù)波、各種形式的線性調(diào)頻信號以外，還可以借助FPGA的龐大的資源優(yōu)勢和內(nèi)部存儲器，使非線性調(diào)頻等更復(fù)雜的信號更容易實(shí)現(xiàn)。

2硬件系統(tǒng)的構(gòu)成

在具體實(shí)現(xiàn)過程中主要采用一塊基于FPGA的雷達(dá)信號處理卡，既可以采集來自雷達(dá)接收機(jī)的中頻、視頻信號并對其進(jìn)行數(shù)字信號處理，又可以自身模擬產(chǎn)生雷達(dá)中頻、視頻信號進(jìn)行數(shù)字信號處理或不處理直接送往雷達(dá)信號處理機(jī)。雷達(dá)信號處理卡的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

FPGA采用的是Xilinx公司的10萬門FPGA芯片XC2S100E，其配置芯片為Xilinx公司的1 Mb容量PROM芯片XC18V01，以主動串行方式對FPGA進(jìn)行上電配置。A／D，D／A分別為ADI公司12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9224與14位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD9764。SRAM采用Cypress公司的256k×16 bSRAM芯片CY7C1041。

結(jié)合本處理卡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，硬件上采用FPGA與高速D／A方案產(chǎn)生線性調(diào)頻信號。在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)DDS電路，F(xiàn)PGA輸出全數(shù)字的線性調(diào)頻信號送往高速D／A得到最終的模擬線性調(diào)頻信號。由于本處理卡采用PCI總線結(jié)構(gòu)，因此可通過計算機(jī)實(shí)時修改線性調(diào)頻信號的參數(shù)設(shè)置，改善了人機(jī)接口，提高了系統(tǒng)的靈活性。

3 FPGA軟件編程實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號

DDS芯片電路產(chǎn)生的是固定頻率的正弦波信號，信號頻率受相位增量△Phase控制，若要產(chǎn)生線性調(diào)頻信號，則必須實(shí)時改變△Phase，使△Phase根據(jù)頻率步進(jìn)量fstep而線性變化。因此基于FPGA軟件編程實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號時，需要在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)頻率累加器、相位累加器、正弦波形ROM存儲器等電路，F(xiàn)PGA軟件編程實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號的原理圖如圖2所示。

在產(chǎn)生線性調(diào)頻信號時，每來一個時鐘脈沖，軟件編程控制頻率累加器產(chǎn)生線性增加的瞬時頻率，然后經(jīng)過相位累加器運(yùn)算輸出線性調(diào)頻信號的瞬時相位，以此相位值尋址正弦值存儲表，通過查表得到與相位值對應(yīng)的幅度量化值；在下一個周期來臨時，頻率累加寄存器一方面將在上一時鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的頻率數(shù)據(jù)反饋到頻率加法器的輸入端，以使頻率加法器繼續(xù)累加，頻率累加的瞬時值與上個周期相位累加器反饋到相位加法器輸入端的數(shù)據(jù)累加，然后再依此周期累加的相位值重新尋址正弦值存儲表，得到對應(yīng)的幅度量化值，依此循環(huán)，幅度量化值經(jīng)過累加，并經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器得到連續(xù)的階梯波，經(jīng)低通濾波器濾除其中的高頻分量，最后即可得到所需線性調(diào)頻信號。

已知系統(tǒng)工作時鐘fclk、頻率累加器與相位累加器位數(shù)N，要產(chǎn)生中頻為F0、帶寬為B、時寬為T的線性調(diào)頻信號，其頻率步進(jìn)變化如圖3所示，在FPGA軟件編程時只需計算出起始頻率fstart和頻率步進(jìn)量fstep卸即可。

起始頻率fstart和頻率步進(jìn)量fstep的計算公式如式(1)，式(2)所示，因為在VHDL語言中，數(shù)值的表示方法都是二進(jìn)制的，所以通過式(1)，式(2)計算的結(jié)果都是二進(jìn)制的，是無量綱的。

經(jīng)過頻率累加器輸出的是嚴(yán)格線性增長的瞬時頻率。在實(shí)際過程中相位累加器的輸出是經(jīng)過相位截斷再進(jìn)行尋址，從而引入了一定的相位誤差，雖然這一誤差會影響到線性調(diào)頻信號的線性度，但是調(diào)頻斜率為相位的二次導(dǎo)數(shù)，相位截斷誤差本身已很小，所以對調(diào)頻線性度的影響就更小了。

4 實(shí)驗結(jié)果

基于上述原理，首先對VHDL代碼進(jìn)行了時序仿真，然后將編譯綜合后的BIT文件下載到FPGA芯片中進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。實(shí)驗表明，采用FPGA軟件編程技術(shù)較好地實(shí)現(xiàn)了線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生，而且信號波形比較穩(wěn)定。

圖4為利用Modelsim軟件對本設(shè)計所產(chǎn)生的信號進(jìn)行仿真得到的時序仿真圖，從中可以看出在每個觸發(fā)周期內(nèi)，所產(chǎn)生信號的變化頻率在不斷線性增加，可以較明顯地看出產(chǎn)生的是線性調(diào)頻信號。若要產(chǎn)生更低頻率及更精確的波形，可以提高分辨率并相應(yīng)減小基準(zhǔn)時鐘，這在FPGA中實(shí)現(xiàn)起來相對比較容易。

圖5為在實(shí)際調(diào)試過程中模擬產(chǎn)生一個脈寬7 μs、周期為700 μs、帶寬為5 Mb／s，中頻為7.5 MHz的線性調(diào)頻脈沖信號在示波器上的截圖。從圖中可以看出，本系統(tǒng)所產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號基本達(dá)到了預(yù)定的指標(biāo)，能夠滿足實(shí)際工程中的應(yīng)用，在雷達(dá)系統(tǒng)中有著較好的應(yīng)用前景。本文原理以及本系統(tǒng)亦可用于構(gòu)成產(chǎn)生相位編碼脈沖信號等其他形式的復(fù)雜雷達(dá)信號形式，具有較大的可擴(kuò)展性。