摘 要：為了滿足科研與實驗需要，提出并實現(xiàn)了一種以FPGA和高速D／A為核心，其結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，信號質(zhì)量高的多功能信號源生成系統(tǒng)。該信號源生成系統(tǒng)能夠?qū)崟r產(chǎn)生中心頻率在30～130 MHz的各種雷達、通信、導(dǎo)航和白噪聲等信號，且產(chǎn)生的各種信號頻率、幅度、相位和其他參數(shù)均可控。信號源作為基帶信號單元配以混頻模塊，可實現(xiàn)在任意頻段的信號。另外，該信號源還可以作為一個通用平臺，通過FPGA內(nèi)部程序的更新來實現(xiàn)其他復(fù)雜信號。
關(guān)鍵詞：FPGA；信號源；硬件設(shè)計；AD9736

    產(chǎn)品級的信號源往往滿足不了科研和實驗的需要，尤其在復(fù)雜電磁環(huán)境的研究和實驗中，需要的信號樣式多種多樣，而且根據(jù)場景的不同，需要信號樣式、個數(shù)都發(fā)生了改變。
    現(xiàn)場可編程邏輯陣列器件(FPGA)繼承了ASIC中大規(guī)模、高集成度、高可靠性的優(yōu)點，克服了普通ASIC設(shè)計周期長，投資大，靈活性差的缺點，逐步成為復(fù)雜數(shù)字硬件電路設(shè)計的理想首選。為了能滿足科研與實驗的需要，產(chǎn)生一系列需要的信號，設(shè)計了一種以FPGA和高速D／A為核心．能產(chǎn)生中心頻率在30～130 MHz的、各種參數(shù)均可調(diào)的雷達、通信、導(dǎo)航和噪聲信號的多功能信號源生成系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    多功能信號源生成系統(tǒng)在綜合控制器的控制下產(chǎn)生一個或多個中心頻率在30～130 MHz的雷達、通信、導(dǎo)航、噪聲等信號，輸出電平一60～o dBm．步進值為0．06 dB。系統(tǒng)主要由綜合控制器、信號生成器、射頻模塊和天線4個部分構(gòu)成，如圖1所示。綜合控制器實現(xiàn)對系統(tǒng)的整體控制，包括信號路數(shù)及各路信號參數(shù)。信號生成器主要包括控制參數(shù)接口轉(zhuǎn)換模塊和信號生成模塊兩個部分。射頻模塊主要完成兩項功能，即650 MHz時鐘的生成和對輸入的中頻信號變頻，最后經(jīng)天線輸出信號。

2 綜合控制器
    綜合控制器為一臺工控計算機，主要完成控制參數(shù)的輸入和數(shù)字基帶信號生成?？刂迫藛T通過綜合控制器控制界面將控制參數(shù)輸入，這些控制參數(shù)經(jīng)過計算機uSB接口輸入到信號生成器，實現(xiàn)對信號生成器的控制。數(shù)字基帶信號是一定速率的二進制碼流，在該系統(tǒng)中綜合控制器完成將BMP圖片轉(zhuǎn)換成一定速率的二進制數(shù)據(jù)，并通過USB接口輸人到信號生成器中，作為系統(tǒng)的數(shù)字基帶信號。綜合控制器在工作時，負(fù)責(zé)向信號生成器注入控制參數(shù)，如信號路數(shù)和各路信號參數(shù)(信號樣式、工作頻率、功率輸出、調(diào)制指數(shù)、延遲時間、跳頻速率、脈寬、脈沖周期等)，當(dāng)控制參數(shù)輸入完畢后，綜合控制器開始利用USB接口傳輸由BMP圖片轉(zhuǎn)換的二進制數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在工作過程中可實時更改控制參數(shù)，并根據(jù)指令進行刷新，此時數(shù)字基帶信號傳輸將暫停，等待更新完畢后繼續(xù)輸出。

3 信號生成器
    信號生成器由兩部分構(gòu)成，即控制參數(shù)接口轉(zhuǎn)換模塊和信號生成模塊?？刂茀?shù)接口轉(zhuǎn)換模塊完成將綜合控制器通過USB傳輸線傳輸?shù)目刂茀?shù)和數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換為總線數(shù)據(jù)送入總線中，由信號生成模塊產(chǎn)生特定控制參數(shù)的信號。
3．1 控制參數(shù)接口轉(zhuǎn)換模塊
    控制參數(shù)接口轉(zhuǎn)換模塊完成從USB接口中收到的數(shù)據(jù)接收，并將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為總線數(shù)據(jù)送入背板總線?？刂茀?shù)接口轉(zhuǎn)換模塊主要包括兩個部分：USB控制芯片和1片F(xiàn)PGA，如圖2所示。在這個模塊內(nèi)完成數(shù)據(jù)包的獲取和拆分兩個操作。數(shù)據(jù)包的獲取就是USB控制芯片將USB傳輸線中的1位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位的FD信號，送到FPGA中。FPGA再將接收到的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)包拆分協(xié)議分成16位控制參數(shù)信號DATA與160 kHz的數(shù)字基帶信號DATAl60K送到背板總線，同時通過總線進行傳輸?shù)倪€有兩個時鐘信號AIOW和CLKl60K。其中AIOW是與控制參數(shù)信號DATA相匹配的時鐘，是由FPGA送入總線中的，而CLKl60K是與數(shù)字基帶信號DATAl60K相匹配的時鐘，是由信號生成器通過總線送入FPGA中的。數(shù)據(jù)包的拆分主要由1片Spartan3 FPGA(XC3S200)來實現(xiàn)。

3．2 信號生成模塊
    信號生成模塊采取FPGA和高速D／A相結(jié)合的方法，在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生高速采樣數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)送人高速D／A中還原出信號。在該系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA芯片選用Xilinx公司Virtex－4系列的XC4VLXl00，而高速D／A選用AD公司的AD9736。如圖1所示，信號生成模塊包括2塊信號生成電路板，每塊電路板上有2塊FPGA和4塊高速D／A，每塊FPGA與2個D／A相連，即1個FPGA內(nèi)部需要同時產(chǎn)生2路信號采樣數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)能產(chǎn)生8路信號。
    FPGA的工作時鐘是射頻模塊生成的時鐘在高速D／A內(nèi)完成二分頻后送給FPGA的。由于每塊FPGA與2個D／A相連，因此它也有2個時鐘輸入。為了保持時鐘與數(shù)據(jù)的同源特性，在FPGA內(nèi)部電路設(shè)計中采取了并行設(shè)計的方法，即送給高速D／A的高速采樣數(shù)據(jù)與其匹配的時鐘完全是由其送入的時鐘來產(chǎn)生的，而與另一個D／A送入的時鐘完全無關(guān)，保持了各路信號之間的獨立性。同時，射頻模塊可以產(chǎn)生相參和非相參的時鐘，從而使得系統(tǒng)能產(chǎn)生相參和非相參信號。另外，送入D／A的時鐘也可由外部送入，大大增加了系統(tǒng)的靈活性。
    FPGA內(nèi)部采取了模塊化設(shè)計方法，包括參數(shù)分配模塊、各種信號采樣數(shù)據(jù)生成模塊和信號求各種信號采樣數(shù)據(jù)生成模塊和信號求和模塊，其設(shè)計框圖如圖3所示。參數(shù)分配模塊主要將總線接收到的各路信號中控制參數(shù)信號DATA分配到各信號采樣數(shù)據(jù)生成模塊中，其內(nèi)部控制示意圖如圖4所示。參數(shù)分配模塊在時鐘AIOW的上升沿時刻，按照控制參數(shù)信號DATA的高位情況，識別DATA低15位為地址還是數(shù)據(jù)，如果為地址則送往地址鎖存器鎖存；如果為數(shù)據(jù)則送往地址譯碼器，由地址譯碼器根據(jù)譯碼協(xié)議判定數(shù)據(jù)為特定信號采樣數(shù)據(jù)生成模塊的特定控制參數(shù)。信號采樣數(shù)據(jù)生成模塊則根據(jù)所分配的參數(shù)生成所需信號采樣數(shù)據(jù)送往求和模塊。為了減少信號經(jīng)過求和模塊帶來信號能量的損失，設(shè)計中不是采用傳統(tǒng)截取高位輸出的方式，而是采取了截取低位輸出的方式，這種方式保證了求和器在沒有溢出的情況下，能維持系統(tǒng)指定參數(shù)的信號輸出，而不損失信號能量。為了防止求和器溢出，產(chǎn)生失真信號，在綜合控制器中做相應(yīng)處理，使得控制人員輸入的控制參數(shù)在合適的范圍之內(nèi)。

    信號采樣數(shù)據(jù)生成模塊可將生成在這種模式下的一個或多個信號組合，而且可以根據(jù)需要．通過輸入控制參數(shù)，實時改變組合的模式。圖3中只表示了一種模塊的組合關(guān)系，如果在這種組合下還不能滿足實驗和科研需要，系統(tǒng)可以通過重新進行軟件編程，下載到FPGA中，從而得到所需信號采樣。

4 AD9736簡介
    AD9736是由AD公司．生產(chǎn)的一種14 b高速DAC，其采樣時鐘速率突破了1 GSPS，達到1．2 GSPS，且功耗極低。AD9736的輸出電流在10～30 mA范圍內(nèi)可編程，并且很容易配置單端或差分輸出電路結(jié)構(gòu)。AD9736采用LVDS數(shù)據(jù)接口，可以有效保證高速數(shù)據(jù)的傳輸。AD9736內(nèi)部支持兩倍插值，且內(nèi)嵌了一個55階的對稱FIR插值濾波器，該濾波器通帶內(nèi)平整度為O．001 dB，阻帶衰減達到90 dB，過渡帶為20％～30％，從而大大降低采樣數(shù)據(jù)速度。文獻[2]列出了AD9736在800 MSPS，1 GSPS和1．2 GSPS采樣率下無雜散動態(tài)范圍(SFDR)和互調(diào)失真(IMD)情況，如圖5，圖6所示。該器件在1．2 GSPS采樣速率下，255 MHz輸出頻率時互調(diào)失真(IMD)為74 dBc，并且在600 MHz輸出頻率時IMD優(yōu)于60 dBc，sFDR在300 MHz輸出頻率時為62 dBc。

5 系統(tǒng)性能
    該信號生成系統(tǒng)能夠?qū)崟r產(chǎn)生單個或多個中心頻率在30～130 MHz的各種信號，如單音、調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻、ASK、FSK、BPSK、QPSK、跳頻、直擴、白噪聲等，還可以模擬各種雷達發(fā)射脈沖和回波信號。另外，還可以通過ISE編程和重新下載程序到FPGA中實現(xiàn)更復(fù)雜的信號。
    該系統(tǒng)產(chǎn)生的信號在頻率、幅度和其他各種參數(shù)均實現(xiàn)可調(diào)，頻率分辨率達到0．35 Hz，輸出電平為-60～O dBm，步進值為0．06 dB時，SFDR優(yōu)于60 dB。由于該系統(tǒng)能同時發(fā)射多路信號，并且有多個天線，因而可用于模擬從不同方向上發(fā)射多路信號復(fù)雜的模擬電磁環(huán)境。同樣，該系統(tǒng)還可以作為干擾源和信號源用于各種干擾與抗干擾的試驗研究。圖7和圖8分別為系統(tǒng)產(chǎn)生的FSK信號波形和頻譜圖；圖9和圖10分別為系統(tǒng)模擬FSK信號經(jīng)過多路徑傳輸?shù)牟ㄐ魏皖l譜圖。

6 結(jié) 語
    利用FPGA和高速D／A相結(jié)合實現(xiàn)的信號源，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，性能優(yōu)越，還可以根據(jù)需要在這個平臺上，重新下載程序到FPGA中，更改其內(nèi)部電路，而不用另外制板，這樣既節(jié)省時間，也減少開銷，還有利于信號源的改進。另外，系統(tǒng)還可以作為基帶信號單元，結(jié)合混頻電路在任意要求的頻段上實現(xiàn)多種樣式的信號。