FPGA+DDS在信号源中的应用

 

　　在各行各业的测试应用中，信号源扮演着极为重要的作用。但信号源具有许多不同的类型，不同类型的信号源在功能和特性上各不相同，分别适用于许多不同的应用。信号源是指收音头、高频头、录音卡座、录像卡座等器件。微机及辅助设备完成信号的提取、数模转换、数字信号处理等功能。信号源是雷达系统的重要组成部分。雷达系统常常要求信号源稳定、可靠、易于实现、具有预失真功能，信号的产生及信号参数的改变简单、灵活。信号发生器又称信号源或振荡器，是用来产生各种电子信号的仪器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。本文设计了一个通用的数字信号激励器，以产生所需要的各种信号调制模式的信号波形，且对每一种调制样式信号的各种特征参数能够灵活控制。

　　1 数学模型

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA.因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。

　　为了保证高性能以及灵活性，现代通信对抗干扰设备通常采用FPGA+DAC的工作模式，在一些快速复杂的应用环境下，则可采用高性能的FPGA和DSP协同工作，作为数字干扰激励器的，同时为保证对跳频信号或其他快速通信信号的有效干扰，频综模块通常采用DDS的频率快速合成模式。其干扰信号产生原理[1]可以由式（1）表示：

　　（2）多音信号

　　多音信号可以在单音信号的基础上直接生成。一种简单的方法是使用多个查找表同时生成，这种方式控制逻辑简单，但相对占用更多的FPGA资源。另一种方法是使用一个查找表采用时分复用的方式生成，这种方式可以节省大量的FPGA资源，但控制逻辑相对复杂。

　　在产生多音信号时，需要注意合成信号的峰值，当各单音分量峰值同相叠加时就可能产生很高的信号峰值。因此可以通过控制各个单音分量的初始相位，来减小这种极高峰值的产生，即减小信号的峰均比。

　　（3）幅度调制信号

　　幅度调制信号可以按（3）式产生：

 

　　当s（n）按不同的星座映射方式便可得到不同的数字基带调制信号，如：PSK、QAM信号等。为了降低带外信号，通常对发射信号使用一定形式的脉冲波型，如升余弦波型等。因此，在FPGA中数字基带激励输出后通常使用脉冲成型滤波器。

　　调幅类：M进制的调幅信号MASK,码元ak电平定义

　　2 子模块设计

　　设计采用如图1所示的技术方案，它由全向/定向天线及馈线、20 W宽带功率放大模块、宽带上变频模块、基于DDS+FPGA和高速DAC的数字信号激励模块、整机控制与嵌入式CPU单元模块等部分硬件和一套信号产生与控制软件组成。

　　2.1 电源与主板模块

　　220 V的交流电通过电源管理模块转换到+5 V、-5 V、+12 V和+28 V分别为基带激励板、变频模块和功放模块提供相应的直流电输入。由设备的便携式需求牵引，本设计基于嵌入式PC104 CPU和宽温液晶显示屏为硬件控制平台并外接160 G硬盘，提供设备所需的鼠标、键盘、网口、USB、RS-232等接口，操作系统为WindowsXP,编程环境为Visual C++,通过软件编程实现各种样式信号的数字激励与波形形成，界面友好，操作简便灵活，所有参数和功能均可通过界面窗口和控制按钮实现输入和控制。

　　2.2 基带激励板

　　DDS同 DSP（数字信号处理）一样，是一项关键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。目前，常见的信号源类型包括任意波形发生器，函数发生器，RF信号源，以及基本的模拟输出模块。信号源中采用DDS技术在当前的测试测量行业已经逐渐称为一种主流的做法。

　　本设计采用DDS+FPGA+DAC数字信号激励器硬件电路和数字波形合成软件算法来生成所需要的各种信号，具体方案详见基带激励板电路设计。

　　2.3 变频模块

　　主要包括频综模块、上变频模块，基带信号首先实现单载波（CW）、调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）等调制样式，然后进入晶振+DDS+PLL[5]模块实现混频，产生输入到功放模块的信号。本设计要求输出信号和干扰频率范围为30 MHz~1 000 MHz,达33.3个倍频程，因此要解决宽带上变频[3]这一关键技术。为了实现信号源频率和特征参数的快速改变，采用减少PLL环路、加大中频瞬时带宽直接变频的方法提高换频速度。设计中采用在80 MHz的中频上进行宽带波形合成，然后再进行变频的方案，将80 MHz±5 MHz的中频信号变频至30 MHz~1 000 MHz范围。对于调制信号的特征参数控制，采用了高速接口芯片进行并行控制的方式。

　　2.4 功放模块

　　宽带功率放大这一关键技术的设计采用三级放大的方案，混频输出信号经各分段滤波器滤除带外信号，进入功放模块实现功率放大，然后接天线输出至空间。为了提高功率输出效率，系统根据频段划分，采用伞状天线和对数周期天线两付输出天线相结合。其中，伞状天线的工作范围为30 MHz~500 MHz,对数周期天线的工作范围为500 MHz~1 000 MHz.

　　3 基带激励板电路设计

　　本设备主要由数字基带激励板控制，FPGA为，所有操作都是在它的控制之下展开的；其次就是一些外围电路，包括电源配置、接口配置等；再有连接激励板与调制模块的数模转换及其滤波电路，为后续处理模块提供感兴趣的频带范围内的模拟信号。

　　3.1 晶振和电源管理

　　利用晶振来产生高稳时钟，通过FPGA内部锁相、分频来实时控制电路的时序，本设计采用15.36 MHz和20 MHz的晶振。根据供电方案，需要将+5 V直流输入电源转换为+1.5 V和+3.3 V,分别供给FPGA的内核和I/O口，选用TPS54613和TPS54615芯片并匹配外围电路来实现电源的转换，并通过磁珠加电容的发放，构成滤波电路来优化电源。

　　3.2 FPGA模块

　　FPGA产生I、Q两路基带数字信号，DAC主要完成数模转换，生成I、Q两路基带模拟输出信号。同时FPGA完成对DDS+PLL的频综控制，实现对基带信号的上变频。通过Verilog HDL编程和调用IP核[5]来实现对RS-232串口、JTAG接口、变频模块和功放模块的时序逻辑控制。基带激励板通过RS-232串口与CPU互联，实现控制指令的传输；通过DB25与变频模块互联，控制DDS的状态；通过DB15与功放模块互联，实现射频波段的选择；变频模块与功放模块通过DB9互联，传输所选择的波段控制信息。

　　3.3 DAC与滤波电路

　　DAC格式是英文Digital Audio Compress的简称，是北京豪杰纵横网络技术有限公司（以超级解霸的成功开发而闻名），凭借自己多年积累的音频编码技术，独创自然声学模型，开发出的级音频压缩格式，超高音质，并且具有很好的定位能力。DAC格式具有以下优势：低码率时DAC压缩的大小与MP3差不多，但声音不发沙，定位感依然存在，与原始无损压缩相比只是会发现截止频率以上的声音有些小差别；中等码率时DAC音质与AC-3差不多，截止频率越过了人耳的范围，从仪器中可以测出；高码率时DAC音质与CD的差别是人耳几乎分辨不出来，只能从仪器中的波形进行比较才能分出差别；DAC的效率不会发沙，因为它不删去频率，它不认为人耳听不到；也不会发闷，因为它不针对低质量的音频进行处理。

　　基带产生的数字信号需要经过数模转换和滤波电路，然后经由调制、混频和功放模块发射至空间。设计中选用DAC2904和LT6600芯片，根据手册配置外围电路，终激励板经两个差分对输出I+、I-、Q+、Q-4路信号[4],然后送入调制模块实现各种调制样式。具体的电路原理图如图2、图3所示。

　　3.4 整机

　　利用Altium Designer软件进行原理图的设计[6],然后生成PCB图，经过综合考虑后手动布局、布线，生成数字基带应用印制电路板。各个模块设计完成、调试通过后，整机组装并进行功能、指标测试，通过频谱仪、功率计检测，证明该设备完够满足实际应用的需求。

　　本文设计并工程实现了综合测试宽带信号源，实验时利用频谱仪测试，信号的各种调制样式完全符合指标要求，同时通过外接天线测试，利用接收机能够检测到各种调制信号。实践证明该设备能够实现大功率宽带综合信号源、无线电监测训练电磁环境模拟源、无线电测向训练电磁环境模拟源、无线电管制（干扰）辐射源等功用。