雷達(dá)線性調(diào)頻信號(hào)在FPGA上的實(shí)現(xiàn)

線性調(diào)頻信號(hào)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(hào)作為雷達(dá)系統(tǒng)中一種常用的脈沖壓縮信號(hào)，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(wèn)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(hào)，為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供了全新的思路。

1設(shè)計(jì)思路

利用專(zhuān)用DDS芯片是目前比較流行的信號(hào)產(chǎn)生方法。專(zhuān)用DDS芯片把所有功能集中在一塊芯片上，需要設(shè)計(jì)者以此為平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)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(shì)和高速運(yùn)算能力，除了能產(chǎn)生專(zhuān)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(hào)以外，還可以借助FPGA的龐大的資源優(yōu)勢(shì)和內(nèi)部存儲(chǔ)器，使非線性調(diào)頻等更復(fù)雜的信號(hào)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(guò)程中主要采用一塊基于FPGA的雷達(dá)信號(hào)處理卡，既可以采集來(lái)自雷達(dá)接收機(jī)的中頻、視頻信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，又可以自身模擬產(chǎn)生雷達(dá)中頻、視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理或不處理直接送往雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)。雷達(dá)信號(hào)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(wàn)門(mén)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(dòng)串行方式對(duì)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(hào)。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(hào)送往高速D／A得到最終的模擬線性調(diào)頻信號(hào)。由于本處理卡采用PCI總線結(jié)構(gòu)，因此可通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)修改線性調(diào)頻信號(hào)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(hào)

DDS芯片電路產(chǎn)生的是固定頻率的正弦波信號(hào)，信號(hào)頻率受相位增量△Phase控制，若要產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)，則必須實(shí)時(shí)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(hào)時(shí)，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(chǔ)器等電路，F(xiàn)PGA軟件編程實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)的原理圖如圖2所示。

在產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，軟件編程控制頻率累加器產(chǎn)生線性增加的瞬時(shí)頻率，然后經(jīng)過(guò)相位累加器運(yùn)算輸出線性調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)相位，以此相位值尋址正弦值存儲(chǔ)表，通過(guò)查表得到與相位值對(duì)應(yīng)的幅度量化值；在下一個(gè)周期來(lái)臨時(shí)，頻率累加寄存器一方面將在上一時(shí)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(shí)值與上個(gè)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(chǔ)表，得到對(duì)應(yīng)的幅度量化值，依此循環(huán)，幅度量化值經(jīng)過(guò)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(hào)。

已知系統(tǒng)工作時(shí)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(shí)寬為T(mén)的線性調(diào)頻信號(hào)，其頻率步進(jìn)變化如圖3所示，在FPGA軟件編程時(shí)只需計(jì)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(jì)算公式如式(1)，式(2)所示，因?yàn)樵赩HDL語(yǔ)言中，數(shù)值的表示方法都是二進(jìn)制的，所以通過(guò)式(1)，式(2)計(jì)算的結(jié)果都是二進(jìn)制的，是無(wú)量綱的。

經(jīng)過(guò)頻率累加器輸出的是嚴(yán)格線性增長(zhǎng)的瞬時(shí)頻率。在實(shí)際過(guò)程中相位累加器的輸出是經(jīng)過(guò)相位截?cái)嘣龠M(jìn)行尋址，從而引入了一定的相位誤差，雖然這一誤差會(huì)影響到線性調(diào)頻信號(hào)的線性度，但是調(diào)頻斜率為相位的二次導(dǎo)數(shù)，相位截?cái)嗾`差本身已很小，所以對(duì)調(diào)頻線性度的影響就更小了。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述原理，首先對(duì)VHDL代碼進(jìn)行了時(shí)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(yàn)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(hào)的產(chǎn)生，而且信號(hào)波形比較穩(wěn)定。

圖4為利用Modelsim軟件對(duì)本設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行仿真得到的時(shí)序仿真圖，從中可以看出在每個(gè)觸發(fā)周期內(nèi)，所產(chǎn)生信號(hào)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(hào)。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(shí)鐘，這在FPGA中實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)比較容易。

圖5為在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中模擬產(chǎn)生一個(gè)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(hào)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(hào)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(hào)等其他形式的復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)形式，具有較大的可擴(kuò)展性。