基于FPGA與DDS的信號源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前，大多通信設(shè)備都是針對某一種或少量幾種固定的通信體制、信號調(diào)制樣式以及信號特征參數(shù)，例如GSM移動通信信號只有GMSK一種調(diào)制樣式，其調(diào)制速率為22.8 Kbit/s，因此這類通信設(shè)備中的數(shù)字信號激勵(lì)器或數(shù)字波形形成電路大多采用專用集成芯片實(shí)現(xiàn)。而本文設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的數(shù)字信號激勵(lì)器，以產(chǎn)生所需要的各種信號調(diào)制模式的信號波形，且對每一種調(diào)制樣式信號的各種特征參數(shù)能夠靈活控制。

1 數(shù)學(xué)模型

為了保證高性能以及靈活性，現(xiàn)代通信對抗干擾設(shè)備通常采用FPGA+DAC的工作模式,在一些快速復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境下，則可采用高性能的FPGA和DSP協(xié)同工作，作為數(shù)字干擾激勵(lì)器的核心，同時(shí)為保證對跳頻信號或其他快速通信信號的有效干擾，頻綜模塊通常采用DDS的頻率快速合成模式。其干擾信號產(chǎn)生原理可以由式(1)表示：

在FPGA 中利用數(shù)字方式合成數(shù)字激勵(lì)源， 通過一定形式的低通濾波器或脈沖成型濾波器即可得到數(shù)字基帶信號sI (n)、sQ(n)。數(shù)字基帶信號sI (n)、sQ(n)通過DAC變換為模擬基帶信號sI (t)、sQ(t)， 再通過上變頻模塊即可實(shí)現(xiàn)干擾信號的上變頻調(diào)制。在FPGA 中，cos(ωn)、sin(ωn)可由查找表(LUT) 的方式生成， 即DDS 頻率合成方式。在現(xiàn)代FPGA 開發(fā)中， 通常會提供一些較成熟的IP 核， 因此也可以直接調(diào)用IP 核來實(shí)現(xiàn)在FPGA 中正弦信號的產(chǎn)生， 其原理也是通過查找表的方式生成。在產(chǎn)生正弦信號時(shí)， 查找表即為一個(gè)ROM 塊， 通常其中存儲了一個(gè)周期的正弦信號，通過對讀取地址按一定步進(jìn)循環(huán)取值即可產(chǎn)生相應(yīng)的正弦信號。查找表的存儲深度和FPGA 的工作時(shí)鐘決定了可以產(chǎn)生的正弦信號頻率范圍。

(1) 單音信號

單音信號可以按式(2) 產(chǎn)生：

s(t)=cos(ωt)cos(ωct)+sin(ωt)sin(ωct)=cos((ω+ωc)t) (2)

其中，sI (t)=cos(ωt)、sQ(t)=sin(ωt) 分別為I 、Q 路基帶模擬信號， 當(dāng)ω=0 時(shí)，I 、Q 路基帶模擬信號退化為直流， 此時(shí), 干擾信號即為信號載波。FPGA 產(chǎn)生的數(shù)字基帶信號cos(ωn)、sin(ωn) 經(jīng)DAC 變換即為模擬基帶信號cos(ωt)、sin(ωt)。

　　(2)多音信號

多音信號可以在單音信號的基礎(chǔ)上直接生成。一種簡單的方法是使用多個(gè)查找表同時(shí)生成，這種方式控制邏輯簡單，但相對占用更多的FPGA資源。另一種方法是使用一個(gè)查找表采用時(shí)分復(fù)用的方式生成，這種方式可以節(jié)省大量的FPGA資源，但控制邏輯相對復(fù)雜。

在產(chǎn)生多音信號時(shí)，需要注意合成信號的峰值，當(dāng)各單音分量峰值同相疊加時(shí)就可能產(chǎn)生很高的信號峰值。因此可以通過控制各個(gè)單音分量的初始相位，來減小這種極高峰值的產(chǎn)生，即減小信號的峰均比。

(3)幅度調(diào)制信號

幅度調(diào)制信號可以按(3)式產(chǎn)生：

s(t)=mI (t)cos(ωct)+mQ(t)sin(ωct) (3)

其中，sI (t) =mI (t)、sQ (t) =mQ (t) 分別為I 、Q 路基帶模擬信號。當(dāng)mI (t)=mQ(t)=m(t)且無直流分量時(shí)， 則可得到無載波分量的雙邊帶(DSB) 調(diào)制信號，m(t) 為基帶模擬信號；當(dāng)mI (t)=mQ(t)=m(t)且有直流分量時(shí)， 則可得到有載波分量的雙邊帶調(diào)制信號， 此時(shí)m(t) 可以表示為m(t) =m0+m′(t)， 其中，m0是基帶信號m(t) 的直流分量，m′ (t) 為交流分量， 如果滿足m0>max (|m′ (t) | ) ， 則可得到調(diào)幅(AM)信號。

(4) 角度調(diào)制信號

角度調(diào)制信號可以按式(4) 產(chǎn)生：

　　(5) 數(shù)字調(diào)制信號

數(shù)字調(diào)制信號可以按式(5) 產(chǎn)生：

當(dāng)s(n)按不同的星座映射方式便可得到不同的數(shù)字基帶調(diào)制信號，如：PSK、QAM信號等。為了降低帶外信號，通常對發(fā)射信號使用一定形式的脈沖波型，如升余弦波型等。因此，在FPGA中數(shù)字基帶激勵(lì)輸出后通常使用脈沖成型濾波器。

調(diào)幅類：M進(jìn)制的調(diào)幅信號MASK,碼元ak電平定義

2 子模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用如圖1所示的技術(shù)方案，它由全向/定向天線及饋線、20 W寬帶功率放大模塊、寬帶上變頻模塊、基于DDS+FPGA和高速DAC的數(shù)字信號激勵(lì)模塊、整機(jī)控制與嵌入式CPU單元模塊等部分硬件和一套信號產(chǎn)生與控制軟件組成。

　　2.1 電源與主板模塊

220 V的交流電通過電源管理模塊轉(zhuǎn)換到+5 V、-5 V、+12 V和+28 V分別為基帶激勵(lì)板、變頻模塊和功放模塊提供相應(yīng)的直流電輸入。由設(shè)備的便攜式需求牽引，本設(shè)計(jì)基于嵌入式PC104 CPU和寬溫液晶顯示屏為硬件控制平臺并外接160 G硬盤，提供設(shè)備所需的鼠標(biāo)、鍵盤、網(wǎng)口、USB、RS-232等接口，操作系統(tǒng)為WindowsXP，編程環(huán)境為Visual C++，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)各種樣式信號的數(shù)字激勵(lì)與波形形成，界面友好，操作簡便靈活，所有參數(shù)和功能均可通過界面窗口和控制按鈕實(shí)現(xiàn)輸入和控制。

　　2.2 基帶激勵(lì)板

本設(shè)計(jì)采用DDS+FPGA+DAC數(shù)字信號激勵(lì)器硬件電路和數(shù)字波形合成軟件算法來生成所需要的各種信號，具體方案詳見基帶激勵(lì)板電路設(shè)計(jì)。

　　2.3 變頻模塊

主要包括頻綜模塊、上變頻模塊，基帶信號首先實(shí)現(xiàn)單載波(CW)、調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)等調(diào)制樣式，然后進(jìn)入晶振+DDS+PLL模塊實(shí)現(xiàn)混頻，產(chǎn)生輸入到功放模塊的信號。本設(shè)計(jì)要求輸出信號和干擾頻率范圍為30 MHz~1 000 MHz，達(dá)33.3個(gè)倍頻程，因此要解決寬帶上變頻這一關(guān)鍵技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)信號源頻率和特征參數(shù)的快速改變，采用減少PLL環(huán)路、加大中頻瞬時(shí)帶寬直接變頻的方法提高換頻速度。設(shè)計(jì)中采用在80 MHz的中頻上進(jìn)行寬帶波形合成，然后再進(jìn)行變頻的方案,將80 MHz±5 MHz的中頻信號變頻至30 MHz~1 000 MHz范圍。對于調(diào)制信號的特征參數(shù)控制，采用了高速接口芯片進(jìn)行并行控制的方式。

2.4 功放模塊

寬帶功率放大這一關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)采用三級放大的方案，混頻輸出信號經(jīng)各分段濾波器濾除帶外信號，進(jìn)入功放模塊實(shí)現(xiàn)功率放大，然后接天線輸出至空間。為了提高功率輸出效率，系統(tǒng)根據(jù)頻段劃分，采用傘狀天線和對數(shù)周期天線兩付輸出天線相結(jié)合。其中，傘狀天線的工作范圍為30 MHz~500 MHz，對數(shù)周期天線的工作范圍為500 MHz~1 000 MHz。

　　3 基帶激勵(lì)板電路設(shè)計(jì)

本設(shè)備主要由數(shù)字基帶激勵(lì)板控制，F(xiàn)PGA為核心,所有操作都是在它的控制之下展開的；其次就是一些外圍電路，包括電源配置、接口配置等；再有連接激勵(lì)板與調(diào)制模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換及其濾波電路，為后續(xù)處理模塊提供感興趣的頻帶范圍內(nèi)的模擬信號。

3.1 晶振和電源管理

利用晶振來產(chǎn)生高穩(wěn)時(shí)鐘，通過FPGA內(nèi)部鎖相、分頻來實(shí)時(shí)控制電路的時(shí)序，本設(shè)計(jì)采用15.36 MHz和20 MHz的晶振。根據(jù)供電方案，需要將+5 V直流輸入電源轉(zhuǎn)換為+1.5 V和+3.3 V,分別供給FPGA的內(nèi)核和I/O口，選用TPS54613和TPS54615芯片并匹配外圍電路來實(shí)現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換，并通過磁珠加電容的發(fā)放,構(gòu)成濾波電路來優(yōu)化電源。

　　3.2 FPGA模塊

FPGA產(chǎn)生I、Q兩路基帶數(shù)字信號，DAC主要完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，生成I、Q兩路基帶模擬輸出信號。同時(shí)FPGA完成對DDS+PLL的頻綜控制，實(shí)現(xiàn)對基帶信號的上變頻。通過Verilog HDL編程和調(diào)用IP核[5]來實(shí)現(xiàn)對RS-232串口、JTAG接口、變頻模塊和功放模塊的時(shí)序邏輯控制?；鶐Ъ?lì)板通過RS-232串口與CPU互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)控制指令的傳輸；通過DB25與變頻模塊互聯(lián)，控制DDS的狀態(tài)；通過DB15與功放模塊互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)射頻波段的選擇；變頻模塊與功放模塊通過DB9互聯(lián)，傳輸所選擇的波段控制信息。

3.3 DAC與濾波電路

基帶產(chǎn)生的數(shù)字信號需要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和濾波電路，然后經(jīng)由調(diào)制、混頻和功放模塊發(fā)射至空間。設(shè)計(jì)中選用DAC2904和LT6600芯片，根據(jù)手冊配置外圍電路，最終激勵(lì)板經(jīng)兩個(gè)差分對輸出I+、I-、Q+、Q-4路信號，然后送入調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制樣式。具體的電路原理圖如圖2、圖3所示。

3.4 整機(jī)

利用Altium Designer軟件進(jìn)行原理圖的設(shè)計(jì)，然后生成PCB圖，經(jīng)過綜合考慮后手動布局、布線，最后生成數(shù)字基帶應(yīng)用印制電路板。各個(gè)模塊設(shè)計(jì)完成、調(diào)試通過后，整機(jī)組裝并進(jìn)行功能、指標(biāo)測試，通過頻譜儀、功率計(jì)檢測,證明該設(shè)備完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

本文設(shè)計(jì)并工程實(shí)現(xiàn)了綜合測試寬帶信號源，實(shí)驗(yàn)時(shí)利用頻譜儀測試，信號的各種調(diào)制樣式完全符合指標(biāo)要求，同時(shí)通過外接天線測試，利用接收機(jī)能夠檢測到各種調(diào)制信號。實(shí)踐證明該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)大功率寬帶綜合信號源、無線電監(jiān)測訓(xùn)練電磁環(huán)境模擬源、無線電測向訓(xùn)練電磁環(huán)境模擬源、無線電管制(干擾)輻射源等功用。

[1].ROM datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ROM+_1188413.html.
[2].RS-232datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS-232_584855.html.
[3].TPS54613datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TPS54613_1116268.html.
[4].TPS54615datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TPS54615_1116261.html.
[5].DB25datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/DB25_2528709.html.
[6].DAC2904datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/DAC2904_253510.html.
[7].PCBdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.