Ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ 基于ＳＴＭ３２和ＦＰＧＡ的可控线性调频信号源的设计 王剑峰，孙晶华 ｆ哈尔滨工程大学理学院，黑龙江哈尔滨１５０００１） 摘要：设计了一种有别于应用直接数字频率合成（ＤＤＳ）产生线性调频信号，并且可对信号的起 止和幅度进行控制的新型线性调频信号源。该设计通过ＳＴＭ３２对由ＭＡＴＬＡＢ根据线性调频公式计算 出数据点后嵌入ＦＰＧＡ中的ＲＯＭ所产生的线性调频信号进行起止以及幅度的控制。仿真和实验结果 表明，该设计具有易于实现，信号参数可时变性高，信号幅度、相位可预失真等特点。 关键词：线性调频信号；信号幅度；ＳＴＭ３２；ＦＰＧＡ 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—７７２Ｏ（２０１０）１０－００６４—０４ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｓｏｕｒｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ａｎｄ ＦＰＧＡ ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ Ｆｅｎｇ，ＳＵＮ Ｊｉｎｇ Ｈｕａ ｆＣｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｎｅｗ ｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｓｏｕｒｃｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ（ＤＤＳ）ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ａ ｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ，ａｎｄ ｃａｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｎｄ ｅｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ａｍｐｌｉ－ ｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａ１．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｎｄ ｅｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｉｎｓｅｒｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄａｔａ ｐｏｉｎｔｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａｔｅ ｗｉｔｈ ＭＡＴＬＡＢ ｉｎ ｔｌｌｅ ＲＯＭ ｏｆ ｔｈｅ ＦＰＧＡ ｔｈｒｏｕｇｈ ＳＴＭ３２．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ，ｔｉｍｅ—ｖａｒｙ。 ｉｎｇ ｏｆ ｓｉｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｇｅｒｓ ｃａｎ ｂｅ ｈｉｇｈ，ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅ—ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｉｎｅａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ；ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ；ＳＴＭ３２；ＦＰＧＡ 线性调频信号是一种瞬时频率随时间呈线性变化 的信号，不仅可以获得较大的压缩比，而且有着良好的 低通滤波电路和信号幅度控制电路组成。可控线性调频 信号源的设计框图如图ｌ所示。 距离分辨率和径向速度分辨率。线 一性调频信号最突出的优点是匹配滤 波器对回波信号的多普勒频移不敏 感，即使回波信号有较大的多普勒 频移，原来的匹配滤波器仍能起到 ＳＴＭ３２ Ｆ１０３ＲＥ 一 ＳＴＭ３２ ｌ ＦＰＧＡ Ｉ配置电路ｌ ；配置电路 ＦＰＧＡ Ｄ／Ａ 脉冲压缩的作用，从而大大简化信 号处理系统。因此它在雷达对抗领 域，作为一种成熟的低截获概率雷 Ｈ嚣 Ｈ Ｉ 电压控制Ｉ 控制芯片Ｉ 达信号，被广泛应用于各种的 雷达中。 ＳｌＴＭ３２输出 １可控线性调频信号源的设计 本设计方案由ＳＴＭ３２、ＦＰＧＡ配 置电路、Ｄ／Ａ转换电路、一阶ＲＣ有 ８分路压Ｌ电——阻路——ｌＩ 一——堕—皇—— 入———＋ 鞴ｌＩ —＾毒Ｈ ｌ 片 ｌ皇电基 压输 Ｔｑ 信号增益Ｉ可控线性调频信号输出 ； 厂———＿。’ ＣＬＣ５５２３ ｌ 源低通滤波电路、二阶压控电压源 ６４ 图１可控线性调频信号源设计框图 《微型机与应用》２０１０年第１Ｏ期 ；ｌｌｉｉｉＩＩ言Ｎｅ ｗ。 ｋ ａｎｄ ｃ。ｍｍｕｎ ｃａ 。ｎ 利用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＥ（内部具有ＡＲＭ公司的Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３ 内核的高性能微控制器）在控制方面的强大能力和ＦＰ— 发送回复脉冲，表示“握手”成功。与此同时，ＦＰＧＡ开始 启动内部的高速存储器ＲＯＭ，ＲＯＭ依据地址发生器的 时钟频率以此按顺序将预先存储在其内部的线性调频 信号数据点发送出去，信号的持续时间由ＲＯＭ中的数 据点总量和地址发生器时钟频率共同确定。当ＲＯＭ中 的数据点全部发送完毕后，ＲＯＭ随即停止工作，ＦＰＧＡ 继续等待下一个ＳＴＭ３２发出的响应脉冲。至此，一次线 性调频信号的起止控制过程完毕。用ＳＴＭ３２控制ＦＰＧＡ ＧＡ—ＥＰ３Ｃ１０（现场可编程门阵列）在数据传送速度方面 的巨大优势以及丰富的Ｉ／Ｏ资源来提升系统整体的工 作效率。ＳＴＭ３２首先控制ＩＳＬ４３６８１选择线性调频信号的 幅度增益，然后在通过触发ＦＰＧＡ进行信号的产生和发 送。信号经过一阶、二阶低通滤波后，最后由ＣＬＣ５５２３根 据预先选定的幅度增益完成信号的幅度调整。 １．１线性调频信号的产生 使得信号收发自如，也加强了信号的隐蔽性和抗干扰 性。这里需要注意的是ＳＴＭ３２发送响应脉冲的间隔一 个 个 线性调频信号的数学表达式可写表示为…： ｕ（ｔ）＝ａ（ｔ）ｃｏｓ［２＂ｒ（ｆ；ｔ＋等ｔ２）］，ｔ∈【一｝，｝］ 二 二 ‘ （１） 定要大于线性调频信号的总体发送时间，否则将出现 信号波形混叠。这部分控制程序由Ｃ语言和ＶＨＤＬ语言 相结合编写，图３为线性调频信号的起止控制流程图， 图４为ＳＴＭ３２触发ＦＰＧＡ产生中心频率为５０ ｋＨｚ、带宽 其中 为中心频率；Ｋ＝Ｂ／Ｔ为调频斜率；Ｂ为频率变化 范围；Ｔ为脉冲宽度；ａ（ｔ）为线性调频矩形脉冲的包络。 式（１）中信号的最高频率为 ＋Ｂ／２，根据采样定理， 为３０ ｋＨｚ、脉宽为０．００１ Ｓ、采样率为５００ ｋＨｚ的线性调 频信号时序仿真图。 ＳＴＭ３２发送响应脉冲 直接对其采样所需的采样频率． 应满足． ≥２（ ＋Ｂ／２）。 系统线性调频信号产生结构由五部分组成：计数器 或地址发生器、线性调频信号数据存储ＲＯＭ、ＦＰＧＡ的 标准化硬件描述语言——ＶＨＤＬ顶层设计［２ｊ、Ｄ／Ａ转换 和低通滤波。信号产生结构图如图２所示。 Ｊ ＦＰＧＡ接收响应脉冲并发送回复脉冲 Ｊ 『 ｌ ＦＰＧＡ启动内部地址发生器 』 寻址ＦＰＧＡ内部存储器ＲＯＭ Ｊ 图２线性调频信号产生结构图 ｌ ＲＯＭ将其内储存的线性调频数据点发出 Ｉ 图３线性调频信 的起止控制流程图 实际操作流程是根据预先设定的采样频率以及所 ｒ数据点发送完毕后ＲＯＭ停止工作等待下一次响应脉冲 需信号的带宽、时宽等参数，将线性调频信号的数学表 达式用ＭＡＴＬＡＢ语言描述，然后计算出构成线性调频信 号的数据点，并按采样顺序将ＭＡＴＬＡＢ所生成的数据点 存储在ＦＰＧＡ内的高速存储器ＲＯＭ中。信号产生期间， 以地址发生器时钟作为时间基准高速寻址存储器 １．３ Ｄ／Ａ转换电路 ＦＰＧＡ输出的是数字量，需要Ｄ／Ａ转换电路将其变成 模拟量才可进行滤波放太等处理。系统选择的ＤＡＣ９０８ 是一款电流型高速Ｄ／Ａ芯片，具有８位并行数据输入， 转换速率１６５ ＭＳ／ｓ，数据建立时间仅需２ ｎｓ。由于其输 ＲＯＭ，从中依次读出线性调频信号数据点后进行Ｄ／Ａ 转换，再经过后续一系列低通滤波得到所需的线性调频 信号。 １．２线性调频信号的起止控制 出为电流量，需要转换成电压量才能输出给滤波器使 用。Ｄ／Ａ转换电路如图５所示。 １．４低通滤波电路 线性调频信号的起始由ＳＴＭ３２控制，ＳＴＭ３２向ＦＰＧＡ 发送响应脉冲，当ＦＰＧＡ接收到响应脉冲后，ＦＰＧＡ随即 Ｍ，ｓ￣ｅｒＴｉｍｅＢｅｔ：．｝ Ａ 并一● 线性调频信号由ＦＰＧＡ产生，ＦＰＧＡ是数字器件，由 …０ ２Ｉ７６．，１６ｎｔ ＴＢ８．Ｐ Ｏｐｓ ｙ．１ｕ●‘ ０ ｐｓ ）ｐ‘ Ｊ Ｐｏｋ＇￣ｃ ２ ． ｎ－ ２７￣４６ ｌｅｋｅ￣ Ｓｔａｒｔ：．１ １． １ｌｌ １一 聃 Ｅｎｄ：Ｉ １．５ ’ｌ１ ）ＰＩ ５１２．ｐ ｎ ０ ｄｋ ＾０ 啊＿●¨Ｉ＿■■■■啊ｌ啊哪一舶Ⅲ■＿■■■■瞳一ｉＮ■■■●哪■■■●＿＿●啊＿■■■■—Ⅲ啊■■■Ⅱｍ■■■＿■■啊日 寻ｌ 固・ｄ ｌ ● ｏ１１ ・ ｌ２ Ｕ ０ ［垃工二＝）（二＝ ＝）（ ［＝＝艇＾０ 一Ｊ一 ｒ．１ ｉ广．１ ＬＪ．．．．－．．．． ． ＝）．（二．；互：Ⅸ．坚＿－：咒§＝题Ｌ＿一：Ｘ． 生 天》 ； 娶Ｘ ｉ §．） Ｌ—・一 ｔｏ．ｅｌｋ ｆｌ－‘ 广－弋 广＿１ 门０—。Ｊ １ Ｌ－．．－Ｊ １：：Ｉ＿ １ 广＿１ 广．１ 『 Ｌ． ． Ｊ １． ＿一Ｌ．．・．Ｊ ＾０ ＾ａ ｎ 屯 口１３ ．●ｎｄ 一曩“ 瞳加ｔｆｒｉ Ｕ ０ ：０ Ｘ：１２＂Ｔ Ｌ２。ｚ： ｛ｌ ２４８ ； Ｘ ｌｉ Ｘ；１２ Ｅ，ｌ；５ｌ Ｘ ８ ；Ｘ ｉ帛 Ｘ ｌ聋 】ｃ ２０６・】＝： ５０ ’ Ｉ眈 ｉ．＿∞ ２‘ ｅｏ￣ｔｌ ＾１ Ｕ ＾０ １３ ；。 ； ： ｉ ！图４ ＳＴＭ３２触发ＦＰＧＡ产生中心频率为５０ ｋＨｚ、带宽为３０ ｋＨｚ、脉宽为０．００１ ｓ、采样率为５００ ｋＨｚ的线性调频信号时序仿真图 《微型机与应用》２０１０年第１Ｏ期 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ ６５ ， ４０２ ｎ 一 ＝ －＝． 图５ Ｄ／Ａ转换电路图 于数字量化存在量化误差，会产生很多杂波分量，加之 电路中会不可避免地存在各种形式的噪声。所以，需要 经过低通滤波电路处理使输出的信号纯和、平滑。系统 低通滤波电路主要分为两部分：一阶ＲＣ有源低通滤波 电路和二阶压控电压源低通滤波电路（简称二阶压控电 压源ＬＰＦ）。其核心二阶压控电压源ＬＰＦ由两节ＲＣ滤波 器和同相放大电路组成，其中同相放大电路实际上就是 所谓的压控电压源。二阶电路使输出电压在高频段以更 快的速率下降，相比一阶电路大大改善了滤波效果，二 阶压控电压源ＬＰＦ的电路如图６所示，幅频特性曲线如 图７所示。． Ｒ， 图６二阶压控电压源ＬＰＦ ２０ｌｇＩｌ Ａ砷 ０．１ Ｏ－２ ０．５ １ ２ ３ ５ １０ ｆ［ｆｎ 图７二阶压控电压源ＬＰＦ幅频特性曲线 （１）二阶压控电压源ＬＰＦ通带增益 当 ０时，各电容器可视为开路，通带内的增益为 鲁 ６６ （２）－阶压控电压源ＬＰＦ传递函数 Ｖ。（ｓ）＝Ａ （＋）（ｓ） （３） （＋】（ｓ）＝ （ｓ） （４） 一ｉｖ （ｓ）一 。（ｓ）】ｓｃ一 ＝０（５） 联立以上三式， 求解可得二阶压控电压源ＬＰＦ的传 递函数： ＝ ｈ ｖｐ （６） 上式表明，该滤波器的通带增益小于３，才能保障电路 稳定工作。 （３）频率特性 由传递函数可以写出频率响应的表达式： Ａ ＝ 砉 ｊ（３ ）砉 当ｆ＝ｆｏ时，上式可以化简为： ｌ Ｉ Ａ （８） 定义有源滤波器的品质因数Ｑ值为 时的电压 放大倍数的模与通带增益之比： １ ｌ ｌＱ （ｆ＝ｆｏ） ＱＡ （９） 根据以上两式得出两点结论： （１）当Ｑ＝１时，在 的情况下，Ｉ ｌ（，＝ ）＝Ａ ，即维 持了通带内的电压增益，故滤波效果最佳。这时，３一Ａ ＝ １，Ａ ＝２，Ｒｆ： １； （２）当Ａ ＝３时，Ｑ将趋于无穷大，意味着该ＬＰＦ将 产生自激现象。因此，电路参数必须满足Ａ ＜３，Ｒｆ＜２Ｒｌ， 且要求元器件参数性能稳定； 系统设定电路参数时使Ｑ＝１，Ａ ＝２，Ｒｆ＝ ，这时滤 波效果最佳，信号波形最理想。 １．５线性调频信号的幅度控制 线性调频信号幅度控制电路主要由三部分组成：８ 路电阻分压电路、８路电压选通电路和信号增益控制电 路。线性调频信号幅度控制电路的核心是信号增益控制 电路，ＣＬＣ５５２３是核心电路的主控芯片，具有带宽较宽 （２５０ ＭＨｚ）、响应速度快（２ ｎｓ）等特点，是一款电压控制 的线性增益芯片。芯片的增益控制端电压正常工作在 ０～２ Ｖ时，ＣＬＣ５５２３可将输入信号线性地放大２—１００倍。 为使线性调频信号幅度增益可选性丰富，采用ＩＳＬ４３６８ｌ 作为８路电压选通电路的主控芯片。ＩＳＬ４３６８１是一款 ８路输入ｌ路输出的、由外部信号控制的高性能电压选 通芯片，在使用时芯片前端必须要有可供选择的８路 电压输入网络。所以，在线性调频信号幅度控制电路 中还要有电压输入网络，这部分较易实现，用最简单直 接的电阻串联分压即可，但要注意的是分得的电压要在 《微型机与应用》２０１０年第１０期 Ｉ１屠Ｎｅｌｗ０ｒｋ ａｎｄ ｃ。ｍｍ ｃａ№ｎ ０～２ Ｖ，且８组电压各不相同。线性调频信号幅度控制电 路工作原理：由８路电阻分压电路产生８组电压，在由 （１）电路布局时，将模拟电路和数字电路合理地分开， 电源和地线单独引出，电源供给处汇集到一点。ＰＣＢ布 ＳＴＭ３２控制ＩＳＩＡ３６８１选择其中某１路电压输出， ＣＬＣ５５２３根据输入电压的大小将由ＦＰＧＡ产生的线性调 线时，高频数字信号线采用短线。主要信号线最好集中 在ＰＣＢ板中心，同时电源线尽可能远离高频数字信号线 或用地线隔开。其次，可以根据耦合系数来布线，尽量减 少干扰耦合； （２）电路的电源线和地线应尽可能宽，以减小线阻抗， 频信号按线性比例进行幅度放大，信号可有８种不同的 幅度选择。 ２线性调频信号的测试结果 为了验证实际得到的线性调频信号的准确性，首 从而减小公共阻抗引起的干扰噪声； 先，对所要的信号进行ＭＡＴＬＡＢ仿真。例如，产生中心频 率为１８０ ｋＨｚ、带宽为２０ ｋＨｚ、脉宽为０．０００ ２ Ｓ、采样率 为４ ０００ ｋＨｚ的线性调频信号。根据公式，可由ＭＡＴＬＡＢ 得到信号仿真图（如图８所示），实际由Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ示波器 采集到的线性调频信号如图９所示。观察两图可见，波 形几乎一致，可知本系统设计是正确可行的。 图８线性调频信号ＭＡＴＬＡＢ仿真图 图９实跖 线性调频信号图 ３噪声抑制 噪声抑制是保证信号质量的关键技术之一。测试分 析发现，对信号造成严重影响的干扰主要来自空间电磁 辐射和高速数字部分。对于空间电磁干扰，可通过对整 个电路进行屏蔽来减小干扰。对于高速数字干扰，可以 采用多层板和微带线设计，另外差分方式传送和接收信 号也是抑制共模干扰的有效手段Ｉ３１。此外，在电路设计 方面应注意以下几点： 《微型机与应用》２０１０年第１０期 （３）器件最好多选用贴片元件并尽可能缩短元件的 引脚长度，以减小元件分布电感的影响； （４）在Ｖ册及Ｖ 电源端应尽可能靠近器件接入滤波 电容，以缩短开关电流的流通途径，例如用１０ Ｆ铝电 解电容和０．１ Ｆ电容并联接在电源脚上。对于高速数 字ＩＣ的电源端，可以用钽电解电容代替铝电解电容，因 为钽电解电容的对地阻抗要比铝电解电容小得多。 文章提出了一种可对信号的起止和幅度进行控制 的新型线性调频信号源。为确保电路性能，在实际制板 时采用多层板结构并精心设计了微带线。通过仿真和实 验结果验证，充分证明了设计的可行性。对实际应用而 言，预失真（灵活的幅相补偿）无疑是一项至关重要的功 能，但这恰恰是目前ＤＤＳ产品所不具备的［４１。而本设计 采用预先存储信号波形的方法却可方便地对信号的幅 度和相位进行预失真，从而可以补偿系统畸变的影响。 此外，系统还可产生任意波形（包括许多复杂的波形）， 并可实时改变所需信号的时宽、带宽等各项参数。如果 对信号输出速率要求不是特别高，系统还可由ＳＴＭ３２ 将所需线性调频信号的数据点算出，传输给ＦＰＧＡ中 的ＲＡＭ，由ＲＡＭ将其发出。本设计可方便地产生低、高 频线性调频信号，是一种简单实用的新型线性调频信 号源 参考文献 【１］祝明波，常，梁甸农．采用数字方法实现宽带线性调 频信号产生［Ｊ］．系统工程与电子技术，２０００，２２（５）：９４— ９８． 【２】潘松，黄继业．ＥＤＡ技术与ＶＨＤＬ［Ｍ］．北京：清华大学出 版社，２００５：２０—３２． ［３］焦安群，郜丽鹏．线性调频信号源的研制【Ｊ］．应用科技， ２００９，３６ｆ５）：２８—３２． 【４】薛维，付国华，钟耀霞．一种线性调频信号产生器的设计 ［Ｊ】．电脑与信息技术，２００７，１５（３）：５２－５５． （收稿日期：２０１０—０１—２２） 作者简介： 王剑峰，男，１９８２年生，硕士研究生，主要研究方向：信 号检测与处理。 孙晶华，男，１９６３年生，教授，硕导，主要研究方向：信号 检测与处理。 欢迎网上投稿ｗｗｗ．ｐｅａｅｈｉｎａ．ｅｏｍ ６７
