基于相位分解宽带信号产生技术

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1、基于相位分解宽带信号产生技术　　【摘要】本文描述了一种以FPGA和高速DAC器件为开发平台的宽带信号产生技术，该技术以多路并行相位分解为核心进行设计，灵活运用FPGA内DDSIP核，最后工程实现了各种参数（中心频率、带宽、周期等）均可调节的宽带信号产生系统，该信号产生系统所产生的波形频率分辨率高、带宽宽、且波形变换方便灵活。【关键词】相位分解；IP核；宽带信号产生1.引言数字技术的飞速发展为采用数字方法实现线性调频信号的产生提供了可能性，与以往的各种方法（如采用声表面波（SAW）器件的无源方法和采用压控振荡器（VCO）等模拟器件的有源方法）相比，数字方法具有灵活性好、可靠性高、幅相

2、补偿方便等明显优越性，是一种具有重要应用价值的新方法。本文介绍了一种采用相位分解技术实现波形产生系统的设计与实现。传统实现高速数字信号产生多采用波形存储的方式，在FPGA内部或者外部的存储器中存储波形数据，然后通过地址读取的方式实现。在波形存储量比较大的情况下，所需存储器的容量也就较大，结构和电路设计起来也就变得比较复杂。文中介绍的方式则是用FPGA6+高速DAC实现波形产生，结合相位分解、DDS核等信号处理技术，实现了一种参数灵活可变的宽带线性调频信号的波形产生系统。2.工作原理连续波及线性调频信号可以表示成如下形式：（1）只要能描述出幅度、频率和相位信息，就能完整的模拟出信号。

3、由于信号带宽的提升，系统工作频率也将随之提升，当信号带宽达到百兆级时，采样时钟通常要到达GHz级。而目前FPGA无法在如此高的频率上工作，所以需要利用FPGA并行运算的特点，以面积换速度，通过将一路相位信息拆解为多路相位信息同时计算；同时利用FPGA提供的高达GHz的高速串行解串端口，将多路数据合并为一路输出至高速DAC，从而完成宽带信号的产生。2.1点频信号相位分解当系统需要产生点频信号的时候，点频信号的表达式为：（2）其中m=0，1，……Ts：DAC采样时钟周期。将该点频信号拆分成八路后，第0路至第7路产生的信号分别为：（3）6由表达式可以看出，每路通道的频率一致，相位累加值都

4、是（），区别在于初始相位的不同。根据表达式，针对不同的波形要求（例如不同频率），通过对每路通道计算相应的频率控制字和相位控制字，来控制该路DDS核产生所需要的波形，而不需要事先存储波形数据。根据多相分解后每一路信号表达式，计算相应频率控制字和相位控制字，按照时序写入相应的DDScore中。在点频模式下，改变输入参数中的中心频率即可实现跳频，跳频时间可控制在ns级。2.2线性调频信号相位分解当系统需要产生线性调频信号的时候，中心频率，带宽B和频率步进K作为外部输入参数，并由外部提供脉宽为的波形产生脉冲信号。线性调频信号公式为（脉内公式）：（4）波形产生脉冲信号为高时，第0路至第7路分

5、别产生以下列公式为标准的信号（脉冲信号为低时，输出0）：（5）其中n=0，1，……Ts：DAC采样时钟周期。在线性调频状态下，8路DDScore的初始相位各不相同，初始频率也不相同，只有频率累加值一致。3.设计实现6数字信号产生软件主要包括了频率控制字计算模块、相位控制字计算模块、DDSIPCore、幅度控制模块、OSERDES模块。其中频率控制字计算模块、相位控制字计算模块、DDSIPCore和幅度控制模块的设计在SystemGenerator中进行仿真设计，产生8路相位分解后的数字信号，然后在系统顶层采用8路（每路速率为fs/8）并转串的信号拼接方式（利用FPGA的OSERDE

6、S模块实现8路的并串转换），最后得到基于fs采样率的雷达信号。数字信号产生结构如图3.1所示。图3.2数字信号产生系统SystemGenerator硬件模型从信号产生结构可以看出该算法模型的输入量为起始频率FB、频率斜率FK及波形产生脉冲。起始频率FB计算方法：：信号中频；Fs：DAC时钟频率；BW：信号带宽（连续波状态：BW置为0）；信号斜率FK计算方法：：波形产生脉冲有效脉宽；Fs：DAC时钟频率；BW：信号带宽（连续波状态：BW置为0）；6由相位分解公式（3）、（5）可知，每个通道的信号可由初始相位和频率控制字共同决定，各路的初始相位在波形产生脉冲的低电平时刻写入，而各路的频

7、率控制字（瞬时频率字）则在波形产生脉冲的高电平时刻写入，且按频率累加值随时间变化，选通控制模块根据波形产生脉冲进行DDS控制字的切换，从而实现宽带信号相位多通道分解。DDSIPCore为XILINX公司免费提供的IP核，可通过设置工作时钟、输出频率、相位偏移、无杂散动态范围、频率分辨率、相位抖动等参数进行灵活的设计，能高效便捷的实现工程应用。幅度控制：通过对DDS核输出值与幅度系数做乘法运算，从而实现对信号输出幅度的参数控制。DSPIP核和CMULTIP核可以完成系数