基于XC2V500-6FG256C和AD9858实现复杂信号模拟的设计

引 言

在1992年5月美国电信系统会议上，JeoMitola首次提出了软件无线电概念，之后迅速引起了人们的关注，并开始对它进行广泛而深入的研究。具体地说，软件无线电是以可编程的DSP或CPU为中心，将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接起来，构成通用的基本硬件平台，并通过软件加载来实现各种无线通信功能的开放式的体系结构。本文以现场可编程逻辑门阵列（FPGA）和高性能直接数字合成（DDS）芯片AD9858构成一个通用的硬件平台，通过更新不同的数据及软件产生复杂调制信号、线性调频信号、背景多路信号、跳频信号、扩频信号等，这些信号用普通信号源难以产生。

1 关键器件

1.1 AD9858简介

AD9858内含10位数摸转换器可工作到1 GSPS，32位可编程频率字寄存器，100 MHz输出频率相噪小于-145 dBc／［email protected］ kHz，具有自动频率扫描能力。

AD9858有3种工作模式：单音频、频率扫描和全睡眠模式。单音频模式下，AD9858产生由内部频率字寄存器（FTW）控制的单频输出信号。AD9858内含4个频率字寄存器（FTW）和4个相位字寄存器（POW），外部的寄存器选择脚PSI和PS0决定选择哪一个频率字寄存器和相位字寄存器，通过选择频率字寄存器改变输出频率，频率跳变的速度与AD9858的参考时钟相关，最快为8 ns。频率扫描模式可以自动完成频率扫描工作，产生线性调频或实现其他频率扫描应用，而且不受I／O口对多寄存器操作时的速度限制。无论AD9858工作于哪种工作模式，分别设定AD9858的FTW寄存器和POW寄存器，通过改变PS1和PS0的值，就可以同时改变信号的频率和相位，而且相位的改变可以是绝对调相或相对调相，这正是AD9858实现混合调制的关键。

1.2 XC2V500-6FG256C简介

FPGA使用XILINX公司的VirtexII系列。本文选用两块门数不同的FPGA，一块为XC2V500-6FG256C，其具有50万门，420 MHz内部时钟速率，172个输入输出脚，96 Kb分布RAM，最大576 Kb块RAM。另一块为XC2V1000-5FG256C，其具有100万门，420 MHz内部时钟速率，172个输入输出脚，160 Kb分布RAM，最大720 Kb块RAM。该系列FPGA含有嵌入式乘法器和分布式存储器，具有DSP设计所需的平台特性，这些特性使得能够以较高的面积利用率实现信号处理功能，为复杂模拟过程的数据实时处理以及DDS的实时控制提供保障。

2 硬件设计

2.1 整体结构

普通调制信号的时域表达式为：

式中：Ω0称为角载频，Ω0=2πf0；α（t）和θ（￡）分别是幅度调制函数和相位调制函数，一般情况下，它们都是相对于cos（Ω0t）的时间慢变函数。

对于一个复杂信号，式中cos（Ω0t）作为高频载波信号，以正弦波为主，其频率相位和幅度应该可以快速跳变。α（t）和θ（t）作为调制函数，其波形、频率、相位和幅度都应该可变，甚至是一个低频的任意波。

如果通过数字直接合成的方式直接生成如S（t）的复杂信号，以1 GHz的采样率、16位的数据宽度为例，如使用实时数据处理，传输带宽需16×1 000 M=16 000 MB-PS，数据存储深度为16×1 000 M=16 GB／S，所以使用直接生成S（t）复杂信号方案，硬件复杂，且成本高。如图1所示，本文对高频的载波信号和低频的调制信号分别模拟后进行叠加，高频的载波信号cos（Ω0t）使用高性能的DDS芯片AD9858和FPGA控制来模拟，α（t）和θ（t）双路低频的调制信号全部在FPGA中实现。模拟出的调制信号相位频率调制函数直接输出数字信号至AD9858的控制FPGA，通过控制AD9858的频率相位字实现调制，幅度脉冲调制函数信号通过数字模拟转换器（ADC）后加至自动增益控制（AGC）电路实现调制，这样大大降低了对硬件的要求，同时也减少了软件的计算量。

2.2 高频载波发生

本设计AD9858参考时钟使用1 GHz，使用并口方式读写数据，即设置AD9858外部串并选择信号（SPSE-LECT）=1。最高输出频率达到350 MHz，对于350 MHz以上可以通过混频方式上变频。

频率控制通过FPGA及中央处理单元实现。连续波可以直接对AD9858的频率字寄存器写入32位FTW，该频率控制字可以通过式（2）得到：

式中：SYSCLK为参考时钟。

高频载波不只是单纯连续波输出，还要利用AD9858实现频率捷变、频率相位调制和频率扫描功能，才能实现复杂信号的模拟。

频率捷变和频率相位涮制通过快速改变AD9858频率相位字实现，AD9858每个频率字为32 b，相偏字为14 b，采用并口方式送数，每改变频率相位需要对AD9858操作6次。每个送数周期最短为12 ns，送数时间最少为72 nS。到频率改变，需要经过83个系统参考时钟周期（1 ns），因此需要时间为83 ns。这样从频率触发到频率输出需要的时间为送数时间和芯片内部转换需要时间的总和，即155 ns。本文需要控制频率转换时间在100 ns以内，所以使用AD9858内部的2个频率字寄存器，先对第1个频率字寄存器送数，当第一个频率触发信号到来时送PS0、PS1信号，选择第一个频率字寄存器数据，同时对第2个频率字寄存器送数；第2个频率触发信号到来时送PS0、PS1信号，选择第2个频率字寄存器数据，同时对第1个频率字寄存器送数，依次循环。频率触发信号经过处理后控制AGC电路，可以控制每个频率点的驻留时间。由于对AD9858写数据的速度快，且时序要求高，不能通过中央处理单元直接送数，因此采用外接RAM的方式，中央处理单元根据设置的频率点计算出各点的频率字，生成一个序列表存入与AD9858控制FPGA连接的RAM，然后由高速FPGA从RAM中自动读数并自动写入AD9858。

频率扫描功能直接使用AD9858的扫描功能，置AD9858控制功能寄存器的频率扫描使能（FreqSweepEn-able）控制位为1，并使用AD9858的扫描自动清除频率累加功能，置AD9858控制功能寄存器的自动清除频率累加（AutoClrFreqAccum）控制位为1，再对AD9858送频率扫描数据。当第1个FUD上升沿到来时，开始从起始频率扫描，同时送第2个扫描周期的数据；当第2个FUD到来时，先清除上次的频率累加寄存器，再按第2次设置的扫描数据扫描。

2.3 调制波形发生

双调制函数也使用数字频率直接合成，中央处理单元把输出波形的波形频率幅度相位等数据锁存至FPGA，FPGA根据锁存的数据生成波形的数字幅相信号，如：正弦、方波、三角、锯齿、脉冲、噪声、复杂脉冲等。另外在生成以上波形的基础上，还可以对其进行调幅、调频、调相、脉调以及波形叠加输出，实现复杂调制函数模拟。对于任意波形、参差脉冲、脉冲抖动等非周期信号也通过波形存储的方式实现。如图1中，调制函数直接合成FPGA的外接RAM的大小决定了存储非周期波形信号的长度。

2.4 复杂信号模拟发生

如果要对载波进行频率相位调制，调制波形数字信号直接输入至AD9858控制FPGA，AD9858控制FPGA把调制信号数据和原载波频率或相位数据进行实时运算，数据实时送给AD9858，产生调频或调相信号输出。如果对载波进行幅度脉冲调制，则要通过DAC把数字信号转换为模拟信号再输入至AGC电路，完成幅度脉冲调制。

3 应用脉冲压缩雷达信号模拟实例

3.1 脉冲压缩雷达

现代雷达中，具有大时宽带宽积的脉冲压缩（PC）体制能够较好地解决探测能力与距离测量精度（分辨力）之间的矛盾，并且具有潜在的抗干扰能力。已经得到应用的特殊波形有：线性调频信号（LFM）、非线性调频信号（NLFM）、相位编码信号（PSK）和频率编码信号（FSK）等，LFM信号处理简单、多普勒特性好。本文着重介绍LFM脉冲压缩雷达信号的模拟。

3.2 线性调频脉冲信号模拟

LFM脉冲信号如图2所示，在时域对连续波进行调幅和调频产生。调幅信号如图3所示，就是LFM脉冲信号的包络波形。调频信号如图4所示，是包络内连续波的线性调频。要产生LFM脉冲信号，一般要生成连续波信号，线性调频三角波信号和包络信号，包络信号是宽度为τ的脉冲信号。本没计使用AD9858的线性扫描功能，直接生成线性调频的载波信号。复包络脉冲信号，使用FPGA直接生成。

脉冲序列表达式：

式中：rect（x）为矩形函数；Tr为脉冲重复周期；N为脉冲的个数。

脉冲序列在FPGA中生成的原理如图5所示。每个脉冲的周期和脉冲的宽度可控，脉冲的个数可控。根据脉冲序列的要求，在RAM中存人每个序列的频率字（周期）、脉冲的宽度以及脉冲的个数。在模拟脉冲时FPGA自动从RAM中调用数据至各寄存器，如频率字寄存器、脉冲宽度寄存器、计数初始值寄存器。累加器溢出一次为一个周期，控制输出值翻转，并控制RAM地址加1，读取下个脉冲的参数值。脉冲宽度计数器溢出输出值也会翻转一次，这样就实现可编程控制的脉冲输出。

线性调频功能不需要先模拟三角波再进行调频，而是使用AD9858的内部线性扫描功能直接生成调频信号。AD9858内部有一个频率步进字寄存器（DFTW），一个频率步进斜坡字寄存器（DFRRW），DFTW寄存器存储扫描时每2个频率点的频率间隔，DFRRW寄存器存储每个频率点驻留的时间。线性调频的起始频率由FTW寄存器控制，起始频率fs计算如式（4）所示：

AD9858线性调频的控制也不能通过中央处理单元直接完成。中央处理单元直接送数要达到信号模拟送数速度要求，因此在AD9858的控制FPGA中完成AD9858的FTW寄存器、DFTW寄存器、DFRRW寄存器等的送数，如图6所示。

图6中点划线框内为AD9858控制FPGA中的设计框图，中央处理单元把AD9858线性调频参数存入FPGA的寄存器中；图5中生成的脉冲包络信号按一定的时序把寄存器中的数据处理后送至AD9858中，同时输出同步脉冲信号。至此完成整个线性调频脉冲信号的模拟。

3.3 实验结果

在电路设计和调试完成后，还进行了多个实际信号的模拟。下面是脉冲压缩雷达信号的模拟结果，采用中国电子科技集团公司第41研究所的AV4033频谱分析仪进行测试。测试前的参数设置如图7所示，测试结果如图8所示。

4 结论

该设计方案主要以数字方式完成复杂信号的模拟，可以编程模拟各种复杂波形。性价比高、容易开发、实现的成品性能较好。特别是使用分步模拟的方式，提高了电路的柔性，降低了电路硬件要求。已经使用在我们研制的某多制式信号源中，完全满足设计输入要求。

限于DDS的上限频率不够高，本文的输出中频最高为350MHz，如果需要模拟更高频，可以使用上混频滤波实现。但随GaAs（砷化镓）材料在集成电路中的应用，使得DDS上限频率不够高的缺陷正在不断地被克服。

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