硕士论文__宽带高精度线性调频信号产生技术.pdf

南京信息工程大学 硕士学位论文 宽带高精度线性调频信号产生技术 姓名：蒋迺倜 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：陈建军 20100501 摘要 宽带线性调频信号是高分辨雷达中常用的一种信号。随着数字技术的发展，采用数字 方式生成宽带线性调频信号已成为现在雷达系统中普遍采用的方法。 本文在利用高速d a 转换器和高性能f p g a 的基础上，分别提出了基于电脑高速接口生 成宽带高精度线性调频信号和基于串并转换法直接合成宽带高精度线性调频信号两种方 案。完成了硬件电路板的制作，观察到实验结果，从而验证了两种方法的有效性。 本文从两种不同方案的设计思想、总体方案、电路制作、程序编写、实验结果等方面 入手，对两种方案进行详细描述。 本文完成的主要工作有： l 、对线性调频信号以及d d s 工作原理进行说明。 2 、提出了两种方案的设计思想和性能指标。分析了两种不同方案的特点、利弊。 3 、方案一提出了利用高速接口把在电脑中生成数据传送并存储到f p g a 中，再由 f p g a 送给d a 芯片，从而生成高精度线性调频信号的方法，在方案一中生成了 具有3 0 0 m h z 带宽的线性调频信号。 4 、方案二提出了利用并串转换法把多路d d s 信号进行合成的方法，生成一路符合要 求的宽带线性调频信号，在方案二中生成了具有6 0 0 m h z 带宽的线性调频信号。 5 、对两种方案总结，提出改进方法：对于方案一，上层软件可以制作的更复杂，使 得信号形式多样化。对于方案二，还需要需要加上带通模拟滤波器，这样可以看 到经过搬移后不同模拟输出模式的效果。 本论文的创新点： l 、第一次采用电脑高速接口( p c i 、p c 匝) 、高性能f p g a 与高速d a 三者结合的方 法来制作信号发生器，信号形式灵活多变。 2 、把多路d d s 信号合成，解决了由于f p g ai o 速度不够导致的不能产生大带宽信号 的问题。 3 、在方案二中，利用d a 转换器的不同模式输出功能，可以在前三个奈奎斯特区内 任意放置载波做到信号的直接射频发射。 关键词：线性调频信号，d d s ，f p g a ，并串转换，p c i m a bs t r a c t l i n e a rb r o a d b a n df ms i g n a li so n eo ft h ec o m m o n l yu s e dh i g h - r e s o l u t i o nr a d a r s i g n a l s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g y , d i g i t a la p p r o a c h e sa r en o w w i d e l yu s e dt og e n e r a t el i n e a rb r o a d b a n df ms i g n a l s b yu s i n gh i g h - s p e e dd ac o n v e r t o ra n dh i g h - p e r f o r m a n c ef p g ar e s p e c t i v e l y , t h i s p a p e rp r o p o s e dt h ea p p r o a c ht og e n e r a t eh i g h - p r e c i s i o nl i n e a rb r o a d b a n df ms i g n a l s b a s e do nh i g h - s p e e di n t e r f a c e ，a n dt h ea p p r o a c ht oc o m p o s el i n e a rb r o a d b a n df m s i g n a l sd i r e c t l yt h r o u g hs e r i a l - t o - p a r a l l e lc o n v e r t i o n t h ec o m p e l e t i o no fh a r d w a r e c i r c u i tb o a r da n dt h eo b s e r v e dt e s tr e s u l t sv e r i f i e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h o s et w o a p p r o a c h e s i nt h i sp a p e r , t w oa p p o r a c h e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l si na s p e c t so fd e s i g n , g e n e r a l p l a n , c i r c u i tp r o d u c t i o n , p r o g r a m m i n ga n d t e s tr e s u l t s t h em a j o rw o r k si n c l u d e ： 1 e x p l a i n e dt h ep r i n c i p l eo fl i n e a rf ms i g n a la n dd d s 2 p r o p o s e dd e s i g n sa n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so ft w oa p p r o a c h e sa n da n a l y s e d t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，p r o sa n dc o i l so f e a c ha p p r o a c h 3 i na p p r o a c h1 ，t h ec o m p u t e rg e n e r a t e dd a t aa r et r a n s f e r r e da n ds t o r e dt o f p g at h r o u g hh i g h - s p e e di n t e r f a c e ，t h e nb ef u r t h e rt r a n s f e r r e dt od at o g e n e r a t e3 0 0 m h zh i g h - p l e c i s i o nl i n e a rb r o a d b a n df ms i g n a l s 4 i na p p r o a c h2 ，m u l t i p l ed d ss i g n a l sa r ec o m p o s e db yu s i n gs e r i a l - p a r a l l e l c o n v e r s i o nt og e n e r a t eq u a l i f i e d6 0 0 m h zl i n e a rb r o a d b a n df ms i g n a l 5 s u m m a r i z e dt w oa p p r o a c h e sa n ds u g g e s t e dm e t h o d sf o rf u t u r ei m p r o v e m e n t s f o ra p p r o a c h1 ，m o l ec o m p l i c a t e dh i g h l e v e ls o f t - w a r ec a nb eh e l p 伽i n g e n e r a t i n gd i v e r s es i g n a l s f o ra p p r o a c h2 ，d i f f e r e n ta n a l o go u t p u tr e s u l t s a f t e rs h i f t i n gc a nb ev i s i b l eb ya d d i n gc e r t a i na n a l o gf i l t e r s t h ei n n o v a t i o n so ft h i sp a p e ri n c l u d e ： i v 1 c o m b m eh i g h - s p e e di n t e f a e e s 口c i ，p c i e ) ，h i g h - p e r f o r m a n c ef p g aa n d 1 1 i g h s p e e dd aa s s i n a i g e n e r a t o rf o r t h ef i r s tt i m e ，p r o d u c i n gd i v e r s e s i g n a l s 2 c o m p o s em u l t i p l ed d ss i g n a l st oa d d r e s st h ep r o b l e mo fl o wf p g a i o s p e e dw h i c hr e s u l t si nt h ei n c a p a b i l i t yo fg e n e r a t i n gl a r g eb a n d w i d t hs i g n a l s 3 i na p p r o a c h2 ，u t i l i z i n gd i f f e r e n to u t p u tm o d eo fd a ，d i r e c tr fs i g n a li s p o s s i b l eb yp u t t i n gc a r r i e r si nt h ef i r tt h r e en y q u i s ta r e a s k e y w o r d s ：l f ms i g n a l ，d d s ，f p g a , o s e r d e s p c i v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以。求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：海j 缉 日 期： k = 。；j 兰 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：磐迪丘啦 日 期：沟t 。l ：；! 南京信息工程大学硕士学位论文 引言 雷达从其诞生到现在经历了一百多年的历史，已经成为现代电子技术的综合体。雷达 的概念创建于2 0 世纪初，这个概念的提出就表明了雷达最初的两大特征：发现目标存在和 对目标进行定位。雷达作为- f 7 综合学科，它的发展与人类科技发展密不可分。随着近代 计算机科学、微电子科学、数字电路、d s p 技术不断发展，原有的雷达体制得到进一步完 善，系统性能得到大幅度提高。为了适应时代的发展，高分辨率、低截获性的超宽带雷达 技术；反隐身强生存能力的多基地雷达网以及多体制数据融合技术；基于现代d s p 技术的 软件无线电技术成为现代雷达的研究热点。 n 1 雷达的测速精度和速度分辨率，主要取决于信号的时域结构，为了提高测速精度和 速度分辨率，要求信号具有大的时宽。测距精度和距离分辨率主要取决于信号的频域结构。 为了提高测距精度和距离分辨率，要求信号具有大的带宽。使用大带宽信号可以提高距离 分辨率，使雷达目标精细成像成为可能。此外，大带宽信号可以提供更多的关于目标频域 的信息，更好的为目标识别提供依据。同时，雷达的功率也决定了雷达的性能，是由平均 功率而不是峰值功率决定的。由此可见，d 1 一个宽脉冲信号的峰值功率即使比窄脉冲信号 小，但只要宽度大得多，宽脉冲信号的能量就比窄脉冲信号大，从而作用距离远。雷达发 射机如果需要探测目标距离远，就需要产生足够大功率的信号。在实现最佳信号处理，并 保证一定信噪比的前提下，大的时宽，带宽不可兼得，因此测距精度和距离分辨率与测速 精度和速度分辨率是一对不可调谐的矛盾，经过大量研究表明，大的时带积信号可以通过 调频、调相甚至调幅来获得，这就是匹配滤波器理论指导下的脉冲压缩基础。 大的时带积信号一般采用线性调频信号( l f m ) ，非线性调频信号( n l f m ) 、相位编码等 形式获得。线性调频信号是脉冲压缩信号的一种，它的突出优点是匹配滤波器对回波信号 的多普勒频移不敏感，即使回波信号具有较大的多普勒频移，匹配滤波器仍能起到良好的脉 冲压缩效果，因此是最早被研究和广泛使用的一种脉压信号。近年来，随着对大时带积信号 的深入研究和应用，逐渐形成了超宽带雷达信号这一新技术。而目前国内外超宽带雷达信 号普遍采用的就是线性调频信号。 本文主要任务就是研制一种多功能的信号源，可以产生高精度不同形式的信号。尤其 对线性调频信号的产生使用了多种方法，使其可具有超长脉宽，超大带宽的特点。具体工 作有如下几个方面： 首先介绍了线性调频信号的基本概念、产生方法。接着就线性调频信号产生所涉及的 基本理论知识进行一一介绍。在前面理论分析的基础上提出课题的总体方案，对其进行理 论分析和可行性论证，并且对各部分电路设计进行分析。然后对电路板和上层软件联合调 试，给出实验结果，并与仿真结果进行对比。最后对整个研制过程做一个总结，在对实验 结果分析的基础上提出了不足之处和改进方法。 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章线性调频信号及直接频率合成基本理论 线性调频信号( l f l i ) 可以具有大的时宽和带宽，能够大大提高雷达的测距精度和距离 分辨率。而利用直接频率合成( d d s ) 的方法生成l 两更为便捷有效。本章主要介绍线性调 频信号的基本理论，包括线性调频信号的基本概念、数学表征、幅频特性、常见的产生方 法以及d d s 原理的彳r 绍。 1 1 l f m 的基本概念和特征 鳙任调频脉丹佰亏耽是j 目正苋脉开冈h j 邪线佳调颠以弭展循亏册鲰带，严生天盯苋帚 宽积信号。线性调频脉冲( c h i r p ) 信号的复数表达式可写成： 婶) = “( t ) e j 2 x y = 万1 ”“( 去炉。枷( 一争 其中“o ) = 而1 坤吖( 万t ) p p “2 式1 _ 1 式( 1 - 1 【) 为线性调频信号的复包络。 | ( = ；为频率变化斜率，b 为频率变化范围( 简称频偏或 带童1 ：t 为信号时甯f 或瑚：冲甯席1 。墟件谓颉信号的时域油形和幅颇响应如图4 i 图1 - 1l f m 信号时域殛频域图形 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 l f m 几种常见的产生方法 1 2 1 模拟技术实现l f m 的方法 研究有效的大时带积信号产生技术成为脉压技术产生以来一直探索的方向，先后经历 了使用分离元件构成的全通移相网络产生c h i r p 信号、色散延迟线实现脉压信号的无源产 生、采用v c 0 的有源脉压信号产生。二十世纪七十年代研制成功的声表面波( s a w ) 器件在脉 冲压缩信号产生系统中获得了广泛的应用。而这些传统的产生方法都是采用模拟技术，总 称为模拟法。 模拟法可分为有源和无源两种方法h ，。 l 、无源法，即用线性锯齿波电压控制压控振荡器( v c o ) 产生线性调频信号，此称为直 接成法。最常用的无源线性调频信号产生所用的压缩滤波器是用声表面波( s a w ) 器件实现的。无源器件产生信号，其匹配滤波器一致性好、可靠性高、容易调试 但时宽积不容易做得大在宽频带时器件插损很大加工要求特别精密。 2 、有源法，即用线性锯齿形电压控制压控振荡器( v c o ) 产生线性调频信号，这种方法 经过对v c o 即锯齿波产生器的优化设计，可在宽频带内得到满意的线性。此法 虽比较简单，但存在每个脉冲起始的射频振荡相位不相参的问题，并且振荡器长 期和短期稳定度差，振荡频率随温度变化会有漂移，相位噪声性能亦不佳。有源 的压控振荡器频率可以做得较高，带宽可以达到i g h z 以上，不存在插损问题， 但产生的信号线性度差，频率会随着温度漂移，一致性差，影响匹配滤波器效果。 虽然传统的线性调频信号产生方法已经比较成熟，但在应用中也存在诸多问题和不足， 主要表现在一下几个方面：第一，信号时宽积较小，只能达到3 0 0 0 左右，而提高时宽积又 是减少发射功率和提高测量精度的必然要求。第二，信号时宽积固定，缺乏应有的灵活性。 第三，传统线性调频信号产生方法从本质上都是模拟的，而模拟电路抗干扰能力差。第四， 所用硬件设备体积庞大，不能满足小型化要求。传统线性调频信号产生方法的这些缺陷， 给人们又一次提出了挑战。 1 2 。2 数字技术实现l f m 的方法 随着高速大规模集成电路技术的发展，1 9 7 1 年3 月，美国学者j t i e r n e y 和c m t a d e r 等人从相位概念出发首先提出了以全数字技术为基础的直接数字合成的概念：利用数字方 式累加相位，再以相位之和作为地址来查询正弦函数表得到正弦波幅度的离散数字序列， 最后经d a 变换得到模拟正弦波输出。d d s 方法的出现是频率合成领域的技术革命。但限 于当时的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。 进入8 0 年代后，数字器件的速度、容量和价格全面改善，数字产生和处理技术因其突 出的优点成为新的研制系统的首选方案。d d s 由于具有极高的频率分辨率，极快的变频速 3 南京信息工程大学硕士学位论文 度，连续的变频相位，较低的相噪以及全数字化便于集成等优点很快得到人们青睐，在短 短的二十多年里得到了飞速发展和广泛应用。目前加s 的时钟频率提高很快。随着其它学 科领域技术的发展，d d s 将朝着数字化、智能化方向发展。 虽然8 0 年代器件速度有了提高，但数字器件的工作速度还是远远不能满足要求，特别 是数模转换器d a c 的限制。d d s 工作的时钟频率很低，输出带宽窄，很难直接应用到微波 波段，因此必须在此基础上进一步提高d d s 的输出频率和扩展叻s 输出带宽。为了扩展带 宽，提高d d s 频率上限，有许多方法。总和起来有四大类：d d s + 倍频技术、d d s + 上变频技术、 多路d d s 并行输出、叻s 和p l l 组合合成。 5 1 多路d d s 并行输出相噪好，频率变化速度快。但用这种方法产生的信号最终要运用 在微波毫米波波段的话，还要经过多次倍频，这就使电路复杂。如果频率源输出频谱不够 纯净，经多次倍频后频谱就变得很差。所以这种方法只能在中频部分取得较好的杂散和相 噪指标。锁相频率合成技术具有很高的工作频率，宽的频带，纯的频谱，但其最大的缺陷 是频率转换时间较长和频率分辨率较低，这和d d s 具有极高的频率分辨率和极短的频率转 换时间互补。所以就有d d s 和p l l 组合合成的方法，使二者取长补短，获得更高的性能， 如电路简单，使用硬件少，功耗低等优点。下面介绍一下d d s + p l l 频率合成技术1 ：其原 理图如图i - 2 所示： 图1 - 2d d s + p l l 基本原理方框图 可以看出厶= m , = m k f a 2 式1 2 合成器的分辨力取决于d d s 的分辨力，输出带宽是d d s 输出带宽的m 倍。这种合成器 提高了工作频率和分辨力，但是其频率变换时间较长，相位噪声较差，尤其是在输出频率 要求高时，分频比m 增大，这种缺点尤其突出。 1 3d d s 的基本原理和特点 嘲d d s 是新一代的频率合成技术，是频率合成技术的一次革命。直接数字频率合成方 法具有频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换时相位可保持连续和可以产生任意波形 等优点，但是输出杂散较大、工作频率低和带宽窄是其存在的缺陷。随着数字电路的发展 d d s 技术已经在克服自身缺陷做出了很大的进步，目前该技术已经广泛应用于雷达、通讯、 导航、电子侦察、遥测、皿t ，等等领域。 4 南京信息工程大学硕士学位论文 1 3 1 d d s 的基本原理 d d s 是利用信号相位与幅度的关系，对需要合成信号的波形进行相位分割，对分割后的 相位值赋予相应的地址，然后按时钟频率以一定的步长抽取这些地址，因为它们对应相应的 相位，从而也对应相应的幅度，这样按照一定的步长抽取地址( 相位值) 的同时，输出相应的 幅度样值，这些幅度样值的包络反映了需要合成信号的波形。在时钟恒定时，合成信号的频 率可以通过改变抽取地址的步长来改变，而如果在基准时钟后面加一级分频器电路，就可以 通过改变时钟分频的方式在更大范围内调节输出信号的频率。图1 _ 3 是d d s 的基本原理框 图，包括基准时钟、相位累加器、相位寄存器、数据存储器( r 伽查找表) 、数模转换器( d a c ) 和低通平滑滤波器( l p f ) 。 图1 - 3d d s 基本结构框图 相位累加器以频率控制字x 为步长进行累加运算，产生所需的频率控制数据：相位寄存 器在时钟的控制下把累加的结果作为数据存储器( r o m ) 的地址，对数据存储器( r o m ) 进行寻 址，同时把累加运算的结果反馈给相位累加器，以便进行下一次累加运算。数据存储器( r 例) 实质是一个幅度相位转换电路，r o m 中存储二进制码表示所需合成信号的相位幅度值，相 位寄存器每寻址一次r o u , r o m 就输出一个相对应的信号相位幅度值。 d d s 输出信号的频率f o u r 由式1 - 3 决定： 。x ，倒2 厶可 式1 3 j 出为时钟频率，x 为频率控制字，y 为r o m 存储器数据表的长度。我们假设时钟频率 厶= 1 0 m h z ，频率控制字x ：1 0 0 ，数据表长度y = 2 1 0 = 1 0 2 4 ，则 l = 1 。脚面1 0 0 = o 9 7 6 6 膨 式1 - 4 可见通过设定d d s 相位累加器的位数( 也即r 伽存储器数据表的长度) 、频率控制字x 和基准时钟的值，就可以产生任意频率的输出。 d d s 输出信号的频率分辨率f r e s 由式( 1 - 4 ) 决定： f r e s = 型式1 5 5 南京信息工程大学硕士学位论文 _ ，= 膳为基准时钟频率，y 为r o m 存储器数据表的长度。d d s 输出信号的频率分辨率也就 是频率控制字x 为1 时d d s 输出的频率值，由基准时钟f c l k 和r o m 存储器数据表的长度y 决定，因此，只要r o m 存储器数据表的长度足够大，d d s 就可以得到很细的频率间隔。 d d s 输出信号的最低频率也就是d d s 的频率分辨率，而d d s 输出的最高频率由n y q u i s t lf 采样定理决定，理论上可以达到时钟频率的一半，即华，但由于工作频率越接近等，阶 z 么 梯波形中所包含的无用频率分量越大，而低通滤波器的特性又不是理想的，输出信号的频谱 ， 纯度很难达到所要求的指标，为此叻s 的最大输出频率都低于之坠，在典型的肋s 应用中滤 z 除一阶镜像。而实际中除一阶镜像带来的杂散，d d s 后通常接有一个低通滤波器l p f ，用它 来l p f 都有一个过渡带的问题，所以为了更好地去一般将d d s 的输出频率限制在 ( 0 0 4 厶) 内。 1 3 2d d s 的主要特点 d d s 是一种全新的数字产生方法，具有模拟法难以比拟的优点，d d s 的特点有： 1 、d d s 的频率合成过程是以标准参考振荡源的固定时钟频率作为取样时钟周期，对 所要求频率的合成信号进行相位取样。合成信号频率低，单位周期内相位取样量 大，寄生杂波小，反之，合成信号频率高，单位周期内相位取样量小，寄生杂波 大。因此，合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定。 2 、d d s 是一个开环系统，无任何反馈环节，它的频率转换时间主要由低通滤波器附 加的时延来决定，因此，d d s 的调谐时间比目前使用的其它频率合成方法都要短 数个数量级。 3 、d d s 输出频率点数随硬件个数增加呈指数性增加，因此，提高d d s 的频率分辨率 在技术上是极为简单和方便的。 4 、d d s 无任何反馈环节，当频率控制字发生变化时迅速合成要求的频率信号，在输 出信号上不叠加任何电流脉冲，输出变化是一个平稳的过程，相位保持连续变化。 在所有的频率合成技术中，这个特点是d d s 独有的。 5 、d d s 可在极宽的频率范围内输出幅度平坦的信号，并且输出频响可预测。 6 、d d s 全数字化结构易于集成，功耗低，体积小，并且d d s 合成器中，除了d a 转化器和滤波器以外，无需任何调整，从而简化了生产设备。 6 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章高精度l f m 发生器设计总体方案 本章介绍了高精度线性调频信号发生器所采用的两种不同的方案，一种是基于电脑高 速接口的宽带线性调频信号产生方案，另一种是并串转换法合成多通道d d s 信号，产生高 精度线性调频信号( 以下或称为方案一、方案二) 。对两种方案中不同的器件选型进行了介 绍，并分别说明两种方案的优缺点。 2 1 基于高速接口的宽带线性调频信号产生方案 本方案中信号处理器采用x ili n xv i r t e x - 5x c 5 v l x 3 0 t ：d a 转换器采用a d i 公司的 a d 9 7 3 6 ；并附带p c i 、p c i e 、光纤接口。电路板框图如图2 一l ， 2 1 1 主要指标要求 信号形式：线性调频信号 图2 - 1 方案一电路框图 7 南京信息工程大学硕士学位论文 信号带宽：3 0 0 m i l z 信号脉宽：1 0 s 系统时钟频率：9 0 0 m h z f p g a 时钟频率：4 5 0 m 1 1 z 2 1 2 方案一设计思路 1 2 3 4 5 利用高性能的f p g a 生成l f m 信号，比传统方法用微控制器控制d d s 芯片具有更强 的灵活性。 如果用x i l i n x 提供的d d si p 核直接生成l f i i ，即使运行在4 5 0 m l i z 的全局时钟下， 在理想状态下也只能生成带宽4 5 0 2 = 2 2 5 姗z 的l f m ，不能达到我们的要求，必须 另想它法。 v i r t e x - 56 p g a 具有并串转换( 0 s e r d e s ) 的高级功能，可以使数据率大大提高。 f p g a 自带块状存储器( b l o c k r a m ) ，可以存储数据并高速读出。 完全可以通过高速接口，把从电脑中生成的数据，写到f p g a 的b l o c k r a m 中， 再高速读出，通过并串转换，使数据率提高达到指定要求。 2 2 合成多通道d d s 法生成宽带线性调频信号方案 本方案本方案中信号处理器采用x i l i n xv i r t e x - 5x c 5 v l x 3 0 t ；d a 转换器采用a d i 公 司的a d 9 7 3 9 ；并附带其他辅助电路。电路板框图如图2 2 ， 图2 - 2 方案二电路框图 8 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 1 主要指标要求 信号形式：线性调频信号 信号带宽：6 0 0 m h z 信号脉宽：2 0 s 6 系统时钟频率：1 5 g h z f p g a 时钟频率：3 7 5 m h z 2 2 2 方案二设计思路 1 、利用高性能的f p g a 生成d d s 信号，这样可以省去上层应用软件编写的繁琐，如 果作为一个雷达设备，这种方法更为适用。 2 、如果用x i l i n x 提供的d d si p 核直接生成l f m ，即使运行在4 5 0 m h z 的全局时钟 下，在理想状态下也只能生成带宽4 5 0 2 = 2 2 5 m i - i z 的l f m ，不能达到我们的要求， 必须另想它法。 3 、v m e x - 5f p g a 具有并串转换( o s e r d e s ) 的高级功能，可以使数据率大大提高。 4 、 如果能把多路低速时钟下的d d s 信号在f p g a 内部直接合成一路需要的d d s 信 号，这只需要推导出多路合成一路的数学公式，而并串转换功能既可以提高速度 又可以直接实现多路d d s 信号的合成。最终，选择了8 路d d s 信号通过并串转 换合成为一路高速宽带信号的方法。 2 3 两种方案优缺点对比 对于方案一 优点：电脑软件设计大大提高了灵活度，不仅仅是线性调频信号，任意形式的信号都 可以生成，也就是形成了一个多功能的信号发生器，应用领域大大扩展了。 缺点：需要另行编写上层驱动、应用软件，比较繁琐：对于脉冲信号，脉宽不能够太 长，脉宽取决于存储器中存放的数据点数，而b l o c k r a m 资源有限，若要生成大脉宽的信号 必须使用外接高速存储器或者更换更为高端的f p g a 芯片。 对于方案二 优点：直接在f p g a 内部合成d d s 信号，省去上层软件设计。可以生成任意脉宽的信号。 目前大多数高速d a 芯片都采用多通道合成的方法，如果利用方案二，可以轻松获得高质 量的宽带线性调频信号。 缺点：对于一个f p ( ；a 程序只能生成一种重复脉冲的线性调频信号，对于非线性调频信 号的生成则比较困难。d d s 信号的相位编码是通过f p g a 内部乘加完成的，要通过板卡上控 制器( 如拨码开关) 对l f m 的参数设定比较困难。 从下一章开始，我将对两种不同的方案逐一进行详细解释。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章基于电脑高速接口的高精度线性调频信号产生方案 针对上一章中提出的两种方案，本章将介绍方案一，即基于高速接口的宽带线性调频 信号产生方案。将从电路设计，硬件、软件程序编写，器件选型等方面入手，详细说明。 3 1 硬件电路设计 在上一章中已经介绍了硬件设计的整体框图，本小节对方案一的硬件设计的主要部分 进行介绍。 3 1 1 主要电路介绍及原理图 a d 9 7 3 6 及外围电路：见图3 2 1 a l , aa d 9 7 3 6 及外围电路 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 ba d 9 7 3 6 输入、输出电路 图3 - 1 电路中除s p i 时钟外，所有时钟线和d a 的数字输入都采用l v d s 信号线，l v d s 是一 种低摆幅的差分信号技术，它使得信号能在差分p c b 线对或平衡电缆上以几百m b p s 的速率 传输，其低压幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。a d 9 7 3 6 的内核数字部分供电为 1 8 v ，模拟部分供电为3 3 v 。跳线的设置为了方便控制d a 。输入时钟需要一个4 0 0 毫伏 的共模电压。为了便于布线输出的p 和n 端交叉。 f p g a 加载电路：见图3 2 图3 - 2f p g a 加载电路 加载芯片使用x c f l 6 p f s 4 8 c ，选择主串模式配置，即把m 0 、m 、凇接地。由于c c b k 信号的边沿很抖，c c u 【必须要匹配好，防止反射，以避免d o u b l e c l o c k i n g 。c c l k 要走5 0q 阻抗，c c l k 不要有分支，钉c c l k 传输线的终端要用1 个i 0 0 q 上拉到v c c o ，1 个1 0 0 q 电 阻下拉到地，进行戴维南匹配。当f p g a 处于配置阶段时d o n e 管脚为低电平，配置完成后 变为高电平，所以在配置结束后l e d 指示灯变亮呦1 。 p c i e 及光纤模块电路：见图3 6 3 南京信息工程大学硕士学位论文 m 目 。 盘- _ m 口口 k m ，c 删岫 器器茹船蓝 。= 恐 m ，ti 口田1 i d 舢隹_ o n _ 佣i o o 一 - i 。，u 啊，h 1 i 田一州i “ 遗 器罱芷器舞茹 枷咖州_ 硝响j h l r h u t j 一q t 口u 萋 - * t t l 日聃1 - l j _ j h n 月n ) _ _ 口i i 胂u t m 埘 盘：器黜 羹 o 口1 吨憎 i m 口_ u _ 口q m 1 _ m 口1 一m i 日1 i 图3 - 3p c i e 及光纤模块电路 光纤模块选用f t l f 8 5 2 4 e 2 g n l ，此处使用是为了方便未来远距离传输数据用，在本方 案中没有用到。必须注意到g t p 参考时钟的接法，外接的参考时钟可以接在光纤模块使用 的当前或相邻的t i l e 。p c i e 电路参照p c i e 规范，把p c i e 的时钟，输入输出数据线，接在 同一个t i l e 里面。 p c i 部分电路、拨码开关、l 功电路： 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 2 竖邕垡笛2 9 望坠墨g 型一b2 垒型量_ 面一ir 丝芭罂，氇照l丝盟碴翌j 匹蹬舀1 碗-_一旅广-一 盟垡鹜! 丑隧s观型罂，e 燃1 最广一面一 盟堡耍星! j 理墅e g 一鳖略一笆= ) 虹篮蛆一一 2 珏锄邕2 盟酗g 一盟鍪驽螋e 一 1 l 邮 躔幽邕盟避g 盟鐾鉴，业醴l m ! 里鲤! 邕 望鲤；s 坠礁墼j 也址一 2 臣6 丝琶31 垒邕墨2 臣罂望g 兰j ! g 地址 ! g 垡l ! l ) 翌垡s盟堕望罂 ! 墨童璺1 面-一面一 2 9 墨重箜：! ! 2 9 士墅茗基：g 缱望岂生卜三垒。6 垒翌占 面_一面一 ! 垒避邕! g 鲤g! g 缱望邕! 业垡1 面一面一 2 9 墨莹墅：! ! ! g 缝j 墨2 9 业! ：! ! 3 g 士星! 曼 面广一丽一 ! 包笆堂g 哩 ! g 坚- 苣兰臣业琶罂32 互熊妣 i面一面一 些咝邕跑班g磐缱磐罂j ! g 缱鲤 m l , m 盥丝邕配哩g 盥避芑! 必必 l a o1 盟a 塑l ! j 盟女缝g! 丑g 墅! 兰j ! 生g 墅_ 蓦 ll舯 2 垦幽邕跑盥1 盈盥罂兰 旦丛蛆 mm 2 璺士越蔓芑! ! = 了! g 士窆塑墨一2 亟古笠芑兰= = l 三堡2 巴l l ! g u 些；罂1 3 錾u 酸；上! 旦u 班芑! j 班u 醴占 啪l 2 9 击窑望 ! ! 11 9 士窆婪基! 垒士毯 ! ! ，! g 点璺墨 齑一矿 2 垒缱缝鹜2 9 缱望昌! 垡些邕墼士醛墨 商一面一 l e 7 “ o 1 竹简- t 佛- o彻p 孵_ ：立 日n- 藉曝： 元而搬p 也lv y i t l ) p w 舳n l 哪 呻mdr 玳ncp 呻埘- e t 1 t _ n 皿l 哪唧- 娜r 5 h c - 棚l d 翦- 瑚峙3 vr d 脚 蹦- - | 耵m d 日l mb 月r p l p - d “哪- | 卵d l b l 埘2 _o 兰 c j 型l i - i 雌- f j 她- q月口。t- d i g t 嗣d , 旦里p i 固亚- - l o c k| 3 v m咀- | 3 7m 日口f 缎 蝉 c d ”- o q 耵 d br p 廿a d l l - “ a 瑚酗面 q w | 3 7 埘 m- mm - n l- 1 幽磐 晰- mw 哪哪f 图3 - 4p c i 部分电路 按照p c i 局部总线规范，连接p c i 金手指和f p g a ，中间要串接1 0 0q 电阻，目的是限 流，因为电脑给p c i 提供5 v 电源，而f p ( ；a 的i o 部分是3 3 v 的标准。由电脑提供的3 3 h z p c i 时钟接入f p g a 全局时钟管脚。拨码开关和l e d 电路比较简单不作说明。 电源网络 l 、 本电路外部+ 5 0 v 电源供电，可通过外部稳压器直接连接或电脑电源接口获得。 2 、 a d 9 7 3 6 供电：模拟电源+ 3 3 v 、数字电源+ 1 8 v 由l t l 7 6 4 e q 提供 3 、为f p g a 供电电源： v c c o - 2 5 v 由a s l l l 7 - 2 5 v 提供； v c c o - 3 3 v 由l t l 7 6 4 e q 提供； 内核电压 v c c i n t - 1 0 v 由p t h 0 5 0 5 0 开关电源提供； g t p 供电r o c k e t l 0 1 0 v ，r o c k e t i o - 1 2 v 由线性电源l t c 3 0 2 6 e 提供。 4 、其他电源：略 这里只给出l t c 3 0 2 6 e 部分电路，见图3 5 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 - 5l t c 3 0 2 6 e 电路图 时钟网络 l 、板卡提供1 0 0 m h z 单端时钟，直接接入全局时钟管脚。 2 、板卡提供1 2 5 m h z 差分时钟，直接接入全局时钟管脚。 3 、板卡提供1 2 5 m h z 差分时钟，接入g t p 参考时钟。 4 、外部信号源提供功率约8 d b m 正弦时钟信号经单端转差分后，接入a d 9 7 3 6 的时 钟输入脚，由a d 9 7 3 6 两分频后输入f p g a 的全局时钟管脚。 为了保证信号质量，对于关键时钟线要进行阻抗匹配。 3 1 2p c b 设计要求及规范 1 、p c b 工艺设计要考虑的基本问题 p c b 的工艺设计非常重要，它关系到所设计的p c b 能否高效率、低成本地制造出来。 新一代的s l i t 装联工艺，由于其复杂性，要求设计者从一开始就必须考虑制造的问题。因 为一旦设计完成后再进行修改势必延长转产时间、增加开发成本。即使改s m t 元件一个焊 盘的位置也要进行重新布线、重新制作p c b 和焊膏印刷钢板，硬成本至少要几万元以上。 对模拟电路就更加困难，甚至要重新进行设计、调试。但是，如果不进行修改，批量生产 造成的损失就会更大，所付出的代价将是前一阶段修改成本的数十倍以上。因此，设计者 必须从设计工作开始起就重视工艺问题。 工艺性设计要考虑：舯1 自动化生产所需的传送边、定位孔、光学定位符号； 与焊接合格率有关的元件封装选型、基板材质选择、组装方式、元件布局、焊盘设计、 阻焊层设计； 与检查、维修、测试有关的元件间距、测试焊盘设计； 与p c b 制造有关的导通孔和元件孔径设计、焊盘环宽设计、隔离环宽设计、线宽和线 距设计； 与装配、调试、接线有关的丝印或腐蚀字符； 与压接、焊接、螺装、铆接工艺有关的孔径、安装空间。 2 、元件的选用原则 为了优化工艺流程，提高产品档次，在市场可提供稳定供货的条件下，尽可能选用表 1 4 南京信息工程大学硬士学位论文 面贴装元器件( s 哪m c ) 。实际上，包括各种连接器在内的大多数种类的元件都有 表面贴装型的，对有些板完全可以全表面贴装化。 表面贴装连接器引脚形式的选用，尽可能选引脚外伸型，以便返伍。对位置有要求的 一定要选带定位销的，否则会因焊接时位置的漂移使装配困难。 3 、间距要求 考虑到焊接、检查、测试、安装的需要元件之间的间隔不能太近，建议按照以下原 则设计( 其中间隙指不同元器件焊盘同的间隙和元件体间隙中的较小值) ： p l c c 、q f p 、s o p 各自之间和相互之间间掰c 2 5 m m ( 1 0 0 r a i l ) p l c c 、q f p 、s o p 与c h i p 、s o t 之间间隙1 5e m i t ( 6 0r a i l ) 。 c h i p 、s o t 相互之间间隙 1 0 3 m m ( 1 2 m i l ) b g a 外形与其他元器件的间隙 5m m ( 2 0 0m i d 。如果不考虑返修，可以小至2 r a m 表面贴片连接器与连接器之间应该确保能够检查和返修。一般连接器引线侧应该留有 比连接器高度大的空间 4 、布线的线宽和线距，板层选择 在组装密度许可的情况下，尽量选用较低密度布线设计，以提高无缺陷和可靠性的制 造能力。目前厂家加工能力为：最小线宽线距为0 1 b ( 4 i l ) 0l m m ( 4 i l ) ， 对于有阻抗控制要求的线，则按p 厂家给出的设计规范而定。本方案的数据线绝大 多数单端线采用5 0 0 阻抗线，差分线采用1 0 0 0 。 本方案采用8 层板电路设计，堆叠顺序见图3 - 6 板厚及各层线宽选择见表3 6 图3 - 6 堆叠顺序图 南京信息工程大学硕士学位论文 表3 - 1 板厚及各层特征阻抗线宽选择表 3 1 3 电路图、p g b 设计要点、难点 由于本方案中涉及多处高速电路设计，在原理图和p c b 设计中相关点有必要在此提出。 在硬件设计中，最关键的技术之一就是高速p c b 设计技术。在高速系统中，高频信号 很容易由于辐射而产生干扰，高速变化的数字信号会导致振铃、反射、串扰等，这些噪声 将严重降低系统的性能 1 6 1 。 在硬件设计中，需主要考虑以下几个方面： 电源分配设计 在高速电路板设计中，最重要的