FPGA技術(shù)在雷達(dá)信號(hào)模擬器中的應(yīng)用

　　摘 要： 基于FPGA的各種雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生方法,介紹了在FPGA中實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器(DDS)以及提高輸出信號(hào)質(zhì)量的方法，編程實(shí)現(xiàn)了頻率捷變、線性調(diào)頻以及相位編碼等雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生。仿真結(jié)果表明，該方法能靈活地產(chǎn)生多種雷達(dá)信號(hào)，且質(zhì)量較好。

　　雷達(dá)信號(hào)模擬器需要模擬簡(jiǎn)單脈沖調(diào)制、重頻調(diào)制(重頻參差、重頻抖動(dòng)和重頻滑變)、載頻調(diào)制(線性/非線性調(diào)頻、頻率捷變)和相位調(diào)制(相位編碼)等樣式的雷達(dá)信號(hào)[1]。傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法是采用直接數(shù)字合成器DDS實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)DDS相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的雷達(dá)中頻信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的信號(hào)質(zhì)量比較好,缺點(diǎn)是系統(tǒng)控制繁瑣、模擬的雷達(dá)信號(hào)參數(shù)相對(duì)固定、缺乏足夠的靈活性，對(duì)于非線性調(diào)頻和相位編碼信號(hào)很難達(dá)到令人滿意的效果。

　　本文基于軟件無(wú)線電的思想,采用FPGA實(shí)現(xiàn)DDS功能，通過(guò)控制DDS參數(shù)，在1片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)了各種雷達(dá)信號(hào)的模擬。

　　1 DDS基本原理

　　DDS由相位累加器、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和低通濾波器（LPF）組成。DDS的關(guān)鍵部分是相幅轉(zhuǎn)換部分，根據(jù)相幅轉(zhuǎn)換方式的不同，DDS大致可分為兩大類(lèi)：(1)ROM查詢表法。ROM中存儲(chǔ)有不同相位對(duì)應(yīng)的幅度值,相位累加器輸出對(duì)應(yīng)的幅度序列，實(shí)現(xiàn)相幅轉(zhuǎn)換；(2)計(jì)算法。對(duì)相位累加器輸出的相位值通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的方法得到對(duì)應(yīng)的幅度值,實(shí)現(xiàn)相幅轉(zhuǎn)換，這里的計(jì)算方法有拋物線近似法、CORDIC法等。

　　對(duì)于查詢表法，ROM里存儲(chǔ)了2N個(gè)點(diǎn)(一個(gè)周期)。工作過(guò)程如下：在時(shí)鐘脈沖fc的作用下，頻率控制字K由累加器累加得到相應(yīng)的相位碼，相位碼尋址ROM進(jìn)行相位/幅度變換輸出不同的幅度編碼，相當(dāng)于在ROM里每隔K個(gè)點(diǎn)取出一個(gè)點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC得到相應(yīng)的階梯波，最后經(jīng)低平滑濾波器對(duì)階梯波進(jìn)行平滑，即得到由頻率控制字K決定的連續(xù)變化的模擬輸出波形，輸出頻率fout為:

　　式中，K為頻率控制字，N為相位寄存器字長(zhǎng)。輸出頻率由頻率控制字及相位寄存器字長(zhǎng)決定。

　　理想情況下，由于采樣的原因，輸出信號(hào)頻譜存在一些雜散，譜線呈辛格函數(shù)形狀。DDS輸出信號(hào)雜散分量較大的主要原因有以下幾點(diǎn)：一是相位截?cái)嘈?yīng)；二是存放在ROM中的波形幅度存在量化誤差；三是DAC的非理想特性。在DDS中，為了得到高的頻率分辨率，相位累加器的字長(zhǎng)一般較大，而只讀存儲(chǔ)器ROM的容量有限，通常位輸出中只有高A位用來(lái)尋址ROM，從而產(chǎn)生相位截?cái)嗾`差，而DAC和ROM正弦波幅度字長(zhǎng)也是有限的，同時(shí)，在DAC轉(zhuǎn)換過(guò)程中總存在如微分線性誤差等誤差，這樣就產(chǎn)生了量化誤差和DAC的非理想特性誤差。

　　2 基于FPGA的雷達(dá)信號(hào)模擬器

　　基于FPGA的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由單片機(jī)、FPGA、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、低通濾波器、自動(dòng)電平控制、RS-232通信接口、時(shí)鐘電路以及人機(jī)接口等部分組成。單片機(jī)完成系統(tǒng)控制、人機(jī)交互控制以及與上位計(jì)算機(jī)的信息交換[2]； FPGA實(shí)現(xiàn)DDS的模擬以及其他邏輯的產(chǎn)生[3-4]；模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)低通濾波器濾波后獲得良好的波形信號(hào)；為了提高信號(hào)產(chǎn)生器帶負(fù)載的能力，自動(dòng)電平控制部分保證輸出信號(hào)幅度在接入不同負(fù)載時(shí)變化不致太大。

　　系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)將由RS-232接口接收到的或由鍵盤(pán)設(shè)置的信號(hào)參數(shù)寫(xiě)入FPGA，在FPGA中實(shí)現(xiàn)的DDS內(nèi)核根據(jù)設(shè)置的參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字波形，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、低通濾波和電平控制后輸出。