一種基于FPGA的QPSK信號(hào)源的設(shè)計(jì) - 全文

調(diào)相脈沖信號(hào)可以獲得較大的壓縮比，它作為一種常用的脈沖壓縮信號(hào)，在現(xiàn)代雷達(dá)及通信系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。隨著近年來(lái)軟件無(wú)線電技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，DDS(直接數(shù)字頻率合成)用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生的應(yīng)用越來(lái)越廣。DDS技術(shù)從相位的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成，它采用數(shù)字采樣存儲(chǔ)技術(shù)，可以產(chǎn)生點(diǎn)頻、線性調(diào)頻、ASK、PSK及FSK等各種形式的信號(hào)，其幅度和相位一致性好，具有電路控制簡(jiǎn)單、相位精確、頻率分辨率高、頻率切換速度快、輸出信號(hào)相位噪聲低、易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化設(shè)計(jì)等突出優(yōu)點(diǎn)。

目前，DDS的ASIC芯片如AD公司的AD9852、AD9854等，對(duì)于相位調(diào)制信號(hào)，可方便地產(chǎn)生BPSK，但是，對(duì)QPSK或8PSK等則實(shí)現(xiàn)困難，它們對(duì)控制更新脈沖要求極高，一旦偏差超過(guò)DDS內(nèi)極高的系統(tǒng)時(shí)鐘，輸出相位就會(huì)錯(cuò)誤。本文介紹了一種通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)QPSK或更高階PSK信號(hào)的方法，可靈活地通過(guò)上位機(jī)的PCI總線控制參數(shù)，產(chǎn)生不同載波頻率、不同脈沖寬度、不同占空比、不同重復(fù)周期等的QPSK信號(hào)，對(duì)雷達(dá)等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者具有很好的借鑒意義。

QPSK信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案

DDS原理

DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成器，由相位累加器、正弦波形ROM存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成，其基本原理如圖1。

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輸出信號(hào)的頻率為fout=fclk·Δφ/2N，而最小頻率分辨率為Δfo=fomin=fo/2N，可見(jiàn)改變頻率控制字N即可改變輸出信號(hào)的頻率。當(dāng)參考時(shí)鐘頻率給定后，輸出信號(hào)的頻率取決于頻率的控制字，頻率分辨率取決于累加器的位數(shù)，相位分辨率取決于ROM的地址線位數(shù)，幅度量化取決于ROM的數(shù)據(jù)字長(zhǎng)和D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。

為了提高DDS輸出信號(hào)的頻譜指標(biāo)和降低正弦的ROM存儲(chǔ)器，近來(lái)發(fā)展了如在相位截?cái)嗪蠹訑?shù)字反sinc濾波，利用三角函數(shù)對(duì)稱性只存取1/4周期查找表，基于CORDIC、泰勒級(jí)數(shù)加權(quán)的頻率合成方法等技術(shù)。

QPSK信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案

在FPGA中，通過(guò)正弦查找表和相位累加器實(shí)現(xiàn)DDS，通過(guò)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)QPSK信號(hào)的起?？刂?。在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到零時(shí)，設(shè)置標(biāo)志位，讀取寄存器中的QPSK控制碼，從而設(shè)置初始相位。在計(jì)數(shù)到根據(jù)QPSK脈沖寬度設(shè)定的值后，計(jì)數(shù)器置0并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。運(yùn)行完設(shè)置碼元的個(gè)數(shù)及次數(shù)后，使能輸出禁止標(biāo)志位。

QPSK信號(hào)的重復(fù)周期也通過(guò)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。根據(jù)周期的范圍和系統(tǒng)時(shí)鐘，設(shè)置計(jì)數(shù)器的位數(shù)并使其滿足要求。在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到設(shè)定值后，清除輸出禁止的標(biāo)志位。需要注意的是周期計(jì)數(shù)器應(yīng)該與QPSK碼元寬度計(jì)數(shù)器同步。

QPSK信號(hào)參數(shù)控制通過(guò)PCI總線實(shí)現(xiàn)，包括QPSK信號(hào)的開(kāi)始、結(jié)束、碼元個(gè)數(shù)、次數(shù)、碼字以及QPSK信號(hào)重復(fù)周期等。在FPGA內(nèi)通過(guò)寄存器讀取、保存參數(shù)。

硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

FPGA選用XILINX公司Spartan3系列的XC3S1000，為100萬(wàn)門大規(guī)?？?a target="_blank">編程器件。它內(nèi)部具有432kbit的Block Ram和120kbit的Distributed Ram；4個(gè)時(shí)鐘管理單元DCM；24個(gè)乘法器。配置采用XILINX的專用PROM XCF04S，4M位的串行Flash PROM。XC3S1000通過(guò)XCF04S實(shí)現(xiàn)主串配置，M0、M1、M2均置低。系統(tǒng)框圖如圖2。

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高速DAC選用AD公司的AD9767，它是雙通道14位精度的高速CMOS DAC。它內(nèi)部集成1.2V的電壓基準(zhǔn)，SFDR和IMR可達(dá)83dBc，最高轉(zhuǎn)換率為125MSPS，滿量程電流可調(diào)范圍為2mA~20mA，兩路D/A輸出后經(jīng)兩片高速、寬帶放大器AD8047放大，然后經(jīng)濾波器輸出，AD8047增益為1，實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。

PCI接口芯片采用PCI9054，是PlX公司應(yīng)用廣泛的32位、33MHz的PCI橋芯片，實(shí)現(xiàn)PCI總線和本地總線的轉(zhuǎn)換。PCI9054可工作在主、從模式，支持DMA，支持猝發(fā)操作。PCI9054的上電通過(guò)2k位的EEPROM NM93CS56配置，包括PCI9054的本地總線控制、PCI配置空間寄存器的配置等。PCI9054在PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)注意PCI總線和時(shí)鐘的長(zhǎng)度約束。

為了提高板上的存儲(chǔ)容量，F(xiàn)PGA通過(guò)CYPRESS的CY7C1372C-200擴(kuò)展了(512k×36)/1M×18位的ZBT SRAM。以零等待狀態(tài)讀寫速率可達(dá)200MHz，最大訪問(wèn)時(shí)間為3ns，支持Burst操作，適用高速的數(shù)據(jù)讀寫。

系統(tǒng)通過(guò)SMA外接時(shí)鐘，同時(shí)內(nèi)部50MHz晶振經(jīng)時(shí)鐘緩沖芯片CY2308輸出，分別作為PCI9054和FPGA的本地時(shí)鐘。外接時(shí)鐘的輸入阻抗為50Ω，注意通過(guò)信號(hào)源提供時(shí)鐘時(shí)應(yīng)使其峰峰值在2V以上。

復(fù)位電路采用MAXIM的看門狗及電壓監(jiān)控芯片MAX708實(shí)現(xiàn)。

電源由PCI總線提供，3.3V電壓直接從PCI總線的3.3V引出，通過(guò)凌特公司的LT1764實(shí)現(xiàn)2.5V電壓，采用TI公司的TPS54612實(shí)現(xiàn)1.2V電壓，分別作為FPGA的輔助電壓Vccaux和核電壓Vccint。TPS54612輸入電壓為3-6V，在3.3V、5V均可使用，輸出可高達(dá)6A，且開(kāi)關(guān)控制器內(nèi)部集成FET場(chǎng)效應(yīng)管，方便應(yīng)用。AD8047的正負(fù)電壓輸入分別為+5V和-5V，分別由從PCI總線接入的+12V和-12V電壓經(jīng)穩(wěn)壓器7805和7905提供。

軟件設(shè)計(jì)

QPSK信號(hào)的生成

QPSK信號(hào)產(chǎn)生的原理在前面已作詳述，F(xiàn)PGA的外接60MHz時(shí)鐘通過(guò)內(nèi)部的時(shí)鐘管理器倍頻實(shí)現(xiàn)120MHz時(shí)鐘，通過(guò)Block RAM資源實(shí)現(xiàn)只讀ROM，然后通過(guò)累加器進(jìn)程、讀QPSK碼字進(jìn)程、重復(fù)周期計(jì)數(shù)進(jìn)程等實(shí)現(xiàn)DDS功能，通過(guò)乘法器還可實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的幅度控制。以下是部分源程序，采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫。

時(shí)鐘管理單元，使用XILINX的DCM實(shí)現(xiàn)倍頻，由60MHz變?yōu)?20MHz。

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單口只讀ROM，使用IP核，實(shí)現(xiàn)正弦查找表，數(shù)據(jù)寬度為14位，深度為16384字(14地址位)。ROM核接收的數(shù)據(jù)文件為COE文件，然后轉(zhuǎn)換為mif二進(jìn)制文件格式，COE文件可通過(guò)C語(yǔ)言或MATLAB生成。ROM核的實(shí)現(xiàn)如下：

相位累加器位數(shù)設(shè)置為32位，系統(tǒng)時(shí)鐘120MHz，這樣可實(shí)現(xiàn)小于0.03Hz的頻率分辨率，查找表相位截取低14位。累加器進(jìn)程如下：

DDS信號(hào)的控制實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)通過(guò)PCI總線實(shí)現(xiàn)信號(hào)參數(shù)的讀寫控制。因本系統(tǒng)中只需PCI實(shí)現(xiàn)信號(hào)參數(shù)的控制，數(shù)據(jù)量不大，故配置PCI9054為PCI的從目標(biāo)(Slave)，C模式。

在FPGA中實(shí)現(xiàn)參數(shù)寄存器，實(shí)時(shí)讀取PCI總線的數(shù)據(jù)并更新。FPGA本地總線的讀寫通過(guò)三態(tài)門控制。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

讀寫實(shí)現(xiàn)通過(guò)狀態(tài)機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，讀寫狀態(tài)流程圖如圖3。

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上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)安裝Windows系統(tǒng)，傳統(tǒng)上，PCI的驅(qū)動(dòng)通過(guò)微軟的DDK實(shí)現(xiàn)WDM驅(qū)動(dòng)程序，本信號(hào)源設(shè)計(jì)中采用Windriver軟件，可方便地讀寫主機(jī)給PCI9054系統(tǒng)板分配的內(nèi)存及I/O資源，并可生成inf文件和基于VC等開(kāi)發(fā)環(huán)境的程序文件。

結(jié)論

試驗(yàn)表明，以本文所介紹的方法產(chǎn)生的信號(hào)源具有很好的性能，5MHz時(shí)連續(xù)波點(diǎn)頻的雜散SFDR達(dá)到70dB以上，輸出信號(hào)的頻率覆蓋短波波段，可達(dá)30MHz以上。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以加上線性調(diào)頻等其他信號(hào)形式。若信號(hào)頻段在超短波以上，可用DDS產(chǎn)生固定中頻，經(jīng)數(shù)字上變頻和DAC芯片(如AD公司的AD9857)上變頻后輸出，該方法具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。