FPGA在雷达信号模拟器中的应用

摘 要： 基于FPGA的各种雷达信号产生方法,介绍了在FPGA中实现直接数字频率合成器(DDS)以及提高输出信号质量的方法，编程实现了频率捷变、线性调频以及相位编码等雷达信号的产生。仿真结果表明，该方法能灵活地产生多种雷达信号，且质量较好。
关键词： 现场可编程逻辑器阵列； 直接数字频率合成器； 雷达信号产生

雷达信号模拟器需要模拟简单脉冲调制、重频调制(重频参差、重频抖动和重频滑变)、载频调制(线性/非线性调频、频率捷变)和相位调制(相位编码)等样式的雷达信号[1]。传统的实现方法是采用直接数字合成器DDS实现。通过对DDS相关参数产生对应的雷达中频信号，其优点是产生的信号质量比较好,缺点是系统控制繁琐、模拟的雷达信号参数相对固定、缺乏足够的灵活性，对于非线性调频和相位编码信号很难达到令人满意的效果。
　本文基于软件无线电的思想,采用FPGA实现DDS功能，通过控制DDS参数，在1片FPGA中实现了各种雷达信号的模拟。
1 DDS基本原理
　DDS由相位累加器、只读存储器（ROM）、数模转换器（DAC）和低通滤波器（LPF）组成。DDS的关键部分是相幅转换部分，根据相幅转换方式的不同，DDS大致可分为两大类：(1)ROM查询表法。ROM中存储有不同相位对应的幅度值,相位累加器输出对应的幅度序列，实现相幅转换；(2)计算法。对相位累加器输出的相位值通过数学计算的方法得到对应的幅度值,实现相幅转换，这里的计算方法有抛物线近似法、CORDIC法等。
　对于查询表法，ROM里存储了2N个点(一个周期)。工作过程如下：在时钟脉冲fc的作用下，频率控制字K由累加器累加得到相应的相位码，相位码寻址ROM进行相位/幅度变换输出不同的幅度编码，相当于在ROM里每隔K个点取出一个点，再经过数模转换器DAC得到相应的阶梯波，最后经低平滑滤波器对阶梯波进行平滑，即得到由频率控制字K决定的连续变化的模拟输出波形，输出频率fout为:

式中，K为频率控制字，N为相位寄存器字长。输出频率由频率控制字及相位寄存器字长决定。
理想情况下，由于采样的原因，输出信号频谱存在一些杂散，谱线呈辛格函数形状。DDS输出信号杂散分量较大的主要原因有以下几点：一是相位截断效应；二是存放在ROM中的波形幅度存在量化误差；三是DAC的非理想特性。在DDS中，为了得到高的频率分辨率，相位累加器的字长一般较大，而只读存储器ROM的容量有限，通常位输出中只有高A位用来寻址ROM，从而产生相位截断误差，而DAC和ROM正弦波幅度字长也是有限的，同时，在DAC转换过程中总存在如微分线性误差等误差，这样就产生了量化误差和DAC的非理想特性误差。
2 基于FPGA的雷达信号模拟器
　　基于FPGA的雷达信号产生器系统框图如图1所示。系统主要由单片机、FPGA、模数转换器、低通滤波器、自动电平控制、RS-232通信接口、时钟电路以及人机接口等部分组成。单片机完成系统控制、人机交互控制以及与上位计算机的信息交换[2]； FPGA实现DDS的模拟以及其他逻辑的产生[3-4]；模数转换器将数字信号转换成模拟信号，经低通滤波器滤波后获得良好的波形信号；为了提高信号产生器带负载的能力，自动电平控制部分保证输出信号幅度在接入不同负载时变化不致太大。

系统工作时，单片机将由RS-232接口接收到的或由键盘设置的信号参数写入FPGA，在FPGA中实现的DDS内核根据设置的参数产生相应的数字波形，经D/A转换、低通滤波和电平控制后输出。
2.1 完全DDS内核
　完全DDS内核的组成框图如图2所示。完全DDS核包括频率累加器、相位累加器、相位偏移累加器、波形存储器、相位选择开关等部分。频率累加器在产生线性调频信号时控制频率增量的大小；相位累加器和普通的DDS中的相位累加器功能相同，其输入为频率控制字，决定输出信号的频率；相位偏移累加器用于产生相位编码信号，其相位偏移字根据需要可以有多种，但必须有一种相位偏移为0°；正弦表用于存储数字正弦波，为了减小波形存储容量，正弦表中只存储了1/4个周期的正弦波信号，通过逻辑控制实现全周期正弦波信号的产生。

　完全DDS内核的工作原理与普通DDS芯片的工作原理大致相同，只不过在产生不同调制样式信号时取舍不同。由于相位/ 幅度转换表中存放的是正弦信号，因此模块只输出受到不同调制的正弦信号。如果将相位/ 幅度转换表做成内容可修改的双端口RAM结构，则该模块也能产生特殊样式的周期信号。基于完全DDS核的信号产生方法其优点是预存波形的点数不变，输出信号的频率仅由频率控制字和系统时钟决定，三者之间的关系如上节DDS基本原理描述的关系。
　如前所述，DDS输出信号存在杂散频谱。引起杂散频谱的原因主要有相位截断效应、波形幅度量化误差和DAC的非理想特性。由于本系统采用单独的DAC芯片，这里只讨论前两种因素对信号质量的影响。
　为了得到高的频率分辨率，相位累加器位数一般较大，而在DDS设计中，为了节省波形存储器的容量，人们希望在不引入过多干扰的情况下尽可能多地截去相位累加器的低有效位B。故相位累加器的N位输出中只有高A位去寻址只读存储器，从而产生了相位截断误差。根据相关分析，相位截断将引起周期性非谐波杂散，其谱曲线“成对”出现，“成对”谱线出现的间隔为fc/2B。通常采用Wheatley相位抖动注入法消除这种杂散，在每次相位累加器溢出之时，高频脉冲产生一个0~(K-1)的随机数Kn，加到相位累加器的寄存器值上，使相位累加器的溢出不总是比理想的溢出推后，而是随机地提前，从而打破了周期性。这种方法对去除杂散非常有效，但所付出的代价是产生了宽频带相位噪声，但这种宽频带相位噪声比杂散更容易滤除。
　由于ROM存储的波形样点的幅度编码由有限位二进制数表示,这样DDS的输出波形就存在幅度量化误差，仅从量化观点看，设正弦波的样点值用D位二进制码来表示,则信号功率与量化噪声总功率之比为6D dB。可见，幅度量化的信噪比随着D的增加而提高。为了在低比特DAC情况下能够采用随机化幅度抖动注入法获得更高的信号质量，在DAC的输入数据被截断成M bit之前，给正弦查询表输出的D bit数据加上一个随机数,这个随机数的范围是0~(2^D-M-1),如图3所示。

通过对一个有5 bit DAC的随机化幅度抖动注入DDS的频谱和两个分别有5 bit和11 bit DAC的普通正弦输出DDS的频谱的比较，随机化幅度抖动注入DDS杂散的电平比起带有相同分辨力DAC的普通DDS杂散的电平至少低10 dB，而与有11 bit DAC的普通正弦输出DDS的杂散的电平差不多。尤其值得注意的是，一直出现在正弦输出DDS载波附近的杂散谱线在随机化幅度抖动注入DDS输出频谱中被消除掉了[5]。
2.2 各种体制雷达信号的实现方法
　简单脉冲调制和重频调制雷达信号的实现方法比较简单，这里只描述频率捷变雷达信号、线性调频雷达信号和相位编码雷达信号的实现方法，并给出相应的QUARTUS仿真结果。
(1)频率捷变雷达信号
　频率捷变信号与常规雷达信号相比，只是频率发生了变化，而其他参数不变，其既可以实现脉间捷变，也可以实现脉组捷变。当脉间捷变时，只需要在每个调制脉冲期间设置不同的频率控制字即可；脉组捷变是在一组脉冲周期内为一个频率控制字，而在另一组脉冲周期内为另一个频率控制字，根据频率捷变数量循环使用频率控制字。图4所示是只有2个频率的脉间捷变信号的相位累加器输出的仿真结果，为了便于观察，2个频率对应的频率控制字分别定为240和15。

(2)线性调频雷达信号
　　产生线性调频是在普通的DDS核前面增加了一级频率累加器，定期改变频率控制字，从而改变输出信号的频率。如果频率增量字是一个恒定的值，则输出信号为线性调频信号；如果频率增量字是一个变化的值，则输出信号为非线性调频信号。图5所示为线性调频信号的仿真结果。
(3)相位编码雷达信号
　　图6所示为5位二相编码信号的仿真结果，其编码顺序是“+ + + - +”，其相位分别在“+ → -”和“-→ +”时发生180°的相位跳变。

本文基于软件无线电的思想，通过在FPGA中实现一个完全的DDS内核，实现多种雷达信号的产生，产生的雷达信号完全能够满足各种雷达信号处理实验的要求。文中讨论了各种信号独立产生的方法，如果将DDS内核中的正弦表设计成双端口存储器，还可以实现任意波形和多种组合波形的产生。
参考文献
[1] 徐袆，姜晖，崔琛.通信电子技术[M].西安:西安电子科技大学出版社，2002.
[2] 何立民.单片机应用系统设计[M]，北京:北京航空航天大学出版社，2002.
[3] 宋万杰,罗杰，吴顺君.CPLD技术及其应用[M].西安: 西安电子科技大学出版社，2000.
[4] 王诚，吴继华，范丽珍，等. Altera FPGA/CPLD 设计[M]. 北京：人民邮电出版社，2005.
[5] 奥本海姆 A V, 谢弗R W. 离散时间信号处理[M]. 西安:西安交通大学出版社，2001.