线性调频信号产生方法

线性调频信号产生方法研究
摘要：本文利用fpga与dac5686完成了线性调频信号产生电路的设计与实现，该方法降低了系统软硬件设计的难度，缩短了开发周期，并提高了设计的可靠性，具有较高的实用价值和良好的应用前景。

文章分析了线性调频信号，给出了信号产生电路硬件设计和控制电路软件设计方案，并通过功能实现验证文中方法的有效性。

abstract: a generation module of lfm signal based on fpga and dac5686 is designed and realized in this paper. this technique decreases the difficulty of hardware and software design of the system, reduces development cycle and improves design reliability, has higher practical value and good application prospect. lfm signal is analyzed, based on which signal generation circuit and software of control circuit design project is put forward, and the effectiveness of this method is verified through the function realization.
关键词：线性调频；信号产生；fpga；dac5686
key words: lfm；signal generation；fpga；dac5686
0 引言
为了能够探测远距离目标，同时又具备较高的距离分辨力，脉冲压缩雷达通常发射较宽脉冲的线性调频（lfm）信号，而在接收时进行脉冲压缩。

因而，如何产生良好的线性调频信号，对于脉冲压
缩雷达的工作性能至关重要。

而对脉冲压缩雷达接收机进行测试时，线性调频信号则是最为关键的激励信号之一。

传统的模拟方法通常采用表面波器件、压控振荡器等器件产生lfm信号，具有设计难度大、开发周期长等问题，已不能满足雷达技术快速发展的需要。

本文以某雷达接收机性能测试为背景，研究了一种基于fpga与dac5686的线性调频信号产生方法。

该方法降低了系统软硬件设计的难度，缩短了开发周期，并提高了设计的可靠性，能够较好地满足测试需求。

1 线性调频信号
线性调频信号指持续期间频率连续线性变化的信号，是一种常用的雷达信号。

尤其是相参、宽带线性调频信号，因具有良好的脉冲压缩特性，在高分辨力雷达中得到了广泛应用。

线性调频信号可以采用如下数学表达式表示：
s（t）=a（t）cos[2?仔f0t+?仔kt2] t∈[-?子/2，?子/2]（1）其中：f0为中心频率；k=b/?子为调频频率；b为频率变化范围；τ为脉冲宽度；a（t）为线性调频脉冲的包络。

可以计算得出，式（1）中信号的最高频率为f0+b/2。

根据采样定理，直接对其采样所需的采样率应满足fs?叟2（f0+b/2）。

当信号的中心频率频较高、且带宽较大时，采样频率将会很高。

如果信号中心频率为0，即采用基带(零中频)信号，式（1）中信号的最高频率变为b/2，此时对采样率的要求变为fs?叟b，显然大
大降低了采样速度的要求。

再将基带信号调制到一定的中心频率，便可得到所需的线性调频信号，而且降低了信号产生的难度。

如果采用数字方法，可以首先产生i、q正交的线性调频基带数字信号，然后再将其正交调制到所需特定中频。

对基带信号进行正交调制后的线性调频信号的实信号可以表示为：
re[?滋i（t）]=acos[2?仔f0t+?仔kt2]=i（t）cos2?仔f0t-q （t）sin2?仔f0t
（2）
式（2）中，a为常数，i（t）和q（t）分别为同相分量和正交分量。

i（t）和q（t）可分别表示为：
i（t）=acos（?仔kt2）
q（t）=asin（?仔kt2）
2 信号产生电路设计
根据某雷达接收机性能测试需求，需要产生四路中心频率60mhz、带宽5mhz的线性调频信号，有些情况下还需要在中心频率上叠加一个模拟目标多卜勒频移fd。

根据需要，并考虑与被测对象的信号交互关系，线性调频信号产生电路设计如图1所示。

该电路主要由dac5686、控制电路及放大滤波等组成。

其中，控制电路硬件主要由fpga芯片、配置接口电路、电源模块、外部时钟、复位电路、sram接口电路和flash接口电路组成。

dac5686是
信号产生电路的核心，在控制电路提供数字基带i、q信号及相关控制信号的条件下，以160mhz为时钟信号，经数字变频、滤波、d/a变换后输出中心频率为15mhz的线性调频信号。

dac5686输出的信号经过放大滤波、与75mhz混频之后，向外输出四路中心频率60mhz、带宽5mhz的线性调频信号，用于某雷达接收机性能测试。

3 控制程序设计
线性调频信号产生电路中，控制电路提供的i、q信号及相关控制信号是线性调频信号的关键，主要通过fpga芯片中的控制程序运行实现。

本文fpga芯片选用altera公司cyclone iii系列的ep3c40f484c8。

控制程序主要包括时钟分频模块、加载输出模块、波形产生模块、dac5686参数设置模块等四个部分。

3.1 时钟分频模块时钟分频模块由fpga内部的数字时钟管理模块（dcm）实现，外部输入160mhz的差分时钟信号，经过倍频得到320mhz时钟，作为控制程序的工作时钟。

3.2 加载输出模块根据前面公式（3），利用计算机辅助设计，产生精确的信号采样值i（n）、q（n），以二进制数据形式存放于图1所示的flash中。

fpga中的加载输出程序模块将flash存储器中i、q数据分别加载到两个sram存储器中，从而完成了上电过程中flash加载到sram输出。

具体实现过程中，为实现波形采样数据的高速读出，需为sram提供高速地址，通过一个高速同步计数器实现。

该模块设计中，使用fpga的block sram实现由flash加载到
sram的过程，差分信号转化通过调用fpga自带的程序模块实现，由vhdl语言编写程序产生地址到sram中读取波形数据。

加载模块设计如图2所示。

3.3 波形产生模块波形产生模块主要将sdram中的数字基带i、q信号以160mhz 的数据率输入dac5686，并参与完成dac5686上电参数设置以及实时参数改变。

波形产生模块设计如图3所示。

3.4 dac5686参数设置模块 dac5686参数设置用于产生控制信号，通过以fpga芯片adsden、adsclk、adsdio三个管脚输出，利用三线制串口控制给dac5686设置寄存器完成上电设置及实时参数设置。

dac5686参数设置模块设计如图4所示。

4 功能实现
根据式（3）产生基带数字i、q信号存入flash。

根据线性调频信号的脉宽、重复周期等参数，给dac5686设置参数。

加电之后，电路即可输出中心频率60mhz、带宽5mhz线性调频脉冲信号。

其中，dac5686参数设置如图5所示，一个脉冲期间的线性调频输出信号波形如图6所示。

5 结论
本文介绍了一种基于fpga与dac5686的线性调频信号产生方法。

首先分析了线性调频信号的特点，然后设计了信号产生电路，接着重点说明控制程序设计情况，最后给出了功能实现情况，验证了文中线性调频信号产生方法的有效性。

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