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硕+ 论文干涉比相法瞬时测频技术研究 摘要 雷达在现代电子战中起着重要的作用，随着科技的发展，现代雷达大量采用捷变频 技术，这种雷达的微波频率在脉间捷变，能否实时有效的提取雷达的频率信息，成为能 否取得战争主动权的重要因素之一。所以瞬时测频技术在现代电子战中有着重要的研究 价值。 干涉比相法瞬时测频是一种比较经典的测频方法，它的核心思想是对信号进行频率 一相位一幅度的变换，最终由测量到的幅度值反推出其频率值。这种方法由于其良好的 瞬时性，在实际的工程中得到了广泛的应用。该方法的瓶颈问题是其测频精度做不到很 高。本文在数字信号处理部分，采用了两个方面措施对这种方法的测频精度进行了提高。 第一：针对传统的多点求和取平均的滤波方法作了改进，能够较好的避免同一组数据中 跨越两个频率值时产生的误差，提高了测频精度。第- - ：针对普遍存在的正交i q 两路 的信号失衡问题，采用了c o r d i c 算法实现鉴相，通过分析得出了这种算法能够很好的 抑制正交两路i q 信号的失衡，较好地提高了测频精度。 本文结合实际工程项目，在干涉比相法瞬时测频原理研究的基础上，进行了瞬时测 频方案论证；采用模块化设计方法和f p g a 技术，对数字信号处理部分进行了设计；分 析了采用c o r d i c 算法鉴相时，算法的抗正交i q 两路信号的失衡性能；对整个系统的 测频精度和测频时间进行了误差分析，证明了方案的可行性；最后给出了数字电路部分 的电路设计。 关键词：瞬时测频干涉比相法c o r d i c 算法 f p g a a b s t r a c ：t硕士论文 a b s t r a c t r a d a rs y s t e m p l a y s a l l i m p o r t a n t r o l ei n d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , f r e c q u e n c e m o d e me l e c t r o n i cw a r f a r e w i t ht h e a g i l et e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e do n m o d e mr a d a rs y s t e m w h e t h e rt h er a d a rs y s t e mc a nc o l l e c ti t sf r e q u e n c e s c h a n g ee f f e c t i v e l y o rn o tw h e ni t sp u l s ec h a n g e sq u i c k l yh a sb e c o m eac r u c i a lf a c t o ri nh a v i n gt h ep r i o r i t yi n m o d e mw a r t h e r e f o r e ，t h ei n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a sai m p o r t a n t r e s e a r c hv a l u ei nt h em o d e me l e c t r o n i cw a r f a r e ac l a s s i cf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o di sc a l l e di n t e r f e r o m e t e rp h a s e c o m p a r i s o n ：t h e m a i ni d e ao ft h i sm e t h o di st ot r a n s f o r mt h es i g n a l sf r e q u e n c yt op h a s ea n dt h e nc a l c u l a t ei t s f r e q u e n c yt h r o u g ht h em e a s u r e m e n to ft h ep h a s e sr a n g ec h a n g e h a v i n gg o o dt r a n s i e n t p e r f o r m a n c e ，t h i sk i n do fm o t h o dh a sb e e nw i d e l yu s e di np r a c t i c e h o w e v e r ，i t sb o t t l e n e c k d u et oi tc a n ts u p p l ye n o u g hp r e c i s i o ni nm e a s u r e m e n t t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gp a r t so f t h i sp a p e rh a sp u tf o r w a r d ss o m ec o n c r e t er e s o l v e sf r o mt w oa s p e c tt oe n h a n c ei t sp r e c i s i o n f i r s t ：s o m ei m p r o v e m e n t so ft h et r a d i t i o n a lf i l t e rm e t h o dc a na v o i dt h ee r r o r sc a u s e db y t r a n s i t t i n gt w of r e q u e n c e sb e t w w e nt h es a m eg r o u po fd a t a sa n de n h a n c ei t sm e a s u r e p r e c i s i o n s e c o n d ：t oa v o i dt h ec o m m o ni m b a l a n c eo ft h et w o c h a n n a lo r t h o g o n a li q s i g n a l t h i sp a p e ru s ec o r d i ca l g o r i t h mt og e tt h es i g n a l sp h a s e t h er e s u l ts h o w st h i s a l g o r i t h mc a nh a v eag o o dp e r f o r m a n c ei nb a l a n c et h e t w o c h a n n a lo r t h o g o n a li qs i g n a l ，a n d i n c r e a s et h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n tg r e a t l y t h i sp a p e ro nt h eb a s i so fr e s e a r c ho ni n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tw i t h p r a c t i c a lp r o j e c t s ，i d e n t i f i e dt h er e s o l u t i o ns y s t e m a t i c l y ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gp a n sh a v e a p p l i e dm o d u l a rd e s i g na n df p g at e c h n o l o g y ；a n a l y s i st h ee f f e c t i v i t yo fa d o p t i n gt h e c o r d i ra l g o r i t h m s g o o dp e r f o r m a n c e i nr e d u c i n gt h ei m b a l a n c eo ft h e o a h o g o n a l t w o - c h a n n a li qs i g n a l ；a n a l y s i st h ef r e q u e n c ym e a s u r ep r e c i s i o na n dt i m eo ft h ew h o l e s y s t e ma n di d e n t i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h er e s o l v e t h ed e s i g no ft h ed i g i t a lc i r c u i th a sb e e n g i v e na tl a s t k e y w o r d ：i f mi n t e r f e r o m e t e rp h a s e c o m p a r i s o nc o r d i ca l g o r i t h mf p g a h 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕+ 论文干涉比相法瞬时测频技术研究 1 绪论 1 1 引言 现代战争是高科技战争，电子战是其中主导部分，电子战装备则是电子战的主要作 战手段。2 0 0 1 年美军颁布的f m 3 0 作战纲要中对电子战的定义做了进一步的完善， 新的定义为：电子战是指利用电磁能和定向能以控制电磁频谱或利用电磁频谱攻击敌方 的任何军事行动，包括电子攻击、电子防护和电子战支援，电子战作为一种攻防兼备的 作战手段在现代战争中大显身手。 在现代战争中，能否取得电子战( e w ) 的胜利成为能否掌握战争主动权的关键要素之 一。在电子战中广泛使用的各种雷达是信息获取和精确制导领域中最重要的装备，在广 大的作战空间中，雷达在及时、准确、全面的获取各种目标信息的方面有着不可取代的 作用，因此在战争中，若不具备对雷达的对抗能力，将无法保障自身的生存并发挥战斗 力。在作战过程中快速的测量雷达信号的参数和识别威胁性信号，并有针对性地做出反 应实施干扰或者实施打击是取得战争胜利的必要条件。雷达对抗是电子战中的重要环 节。现代战争中的电磁环境变得越来越复杂，能否在复杂的电磁环境下发现敌方发射出 的射频信号并从中提取雷达的各种参数，如幅度、脉宽、到达时间、脉内频率及相位调 制特征等，成为在电子战中左右战局的关键因数之一。由于载波频率是一个非常重要的 参数，因此电子战系统大多要用到瞬时测频( i f m ) 接收机去侦察敌方雷达载波的频率。 此外，瞬时测频接收机还可以作为频率测量仪器，用来跟踪己方雷达发射机的各种参数， 如何对截获雷达信号载频进行高精度测量也直是电子战接收机设计的重点，在当今电 子战中具有重要意义。 1 2 研究背景及意义 现代电子战信号环境与2 0 世纪8 0 年代前相比已有明显变化：信号密集；可达每秒 千万脉冲数；雷达信号频带宽从0 5 - - 4 0 g h z ；信号形式复杂，如频率捷变、脉冲压缩、 线性调频脉冲、相位编码信号、脉冲重复频率跳变等；同时尽量缩短工作时间以反侦察 抗干扰。这就对各种体制的接收机提出了苛刻的要求。理想的接收机必须在全频段以非 常高的灵敏度和接近1 0 0 的截获概率精确地检测各种信号，包括检测多个同时到达的 信号以及解调极强信号中的弱信号，并能做到实时处理，同时还应兼顾体积小、重量轻、 价格低及功耗低等多方面的要求h 1 。 目前，这样的理想接收机还没有研制出来。而传统的电子战接收机都存在各自的缺 点，还不能很好地适应现代电子战的高要求。瞬时测频( i f m ) 接收机处理同时到达信 1 绪论 硕l ? 论文 号能力差，信道化接收机体积结构复杂，体积庞大，造价昂贵；压缩接收机动态范围低 等。因此它们只能应用于特定的信号环境中，要完成某些特殊的任务只有将几种接收机 组合起来使用。国内外都十分重视对现有接收机的技术改造和设备更新，以提高接收机 综合性能指标，扩大接收机的应用范围。同时又都投入了大量的精力研制新型的电子战 接收机，如数字式接收机。 i f m 接收机是采用相位白相关技术，将信号的频率信息转换成幅度信息实现测频 的。i f m 接收机主要由限幅放大器、鉴相器及编码器组成。它以体积小、测频快、测频 精度高、瞬时频带宽等优点在电子战中得到了广泛的应用。它在脉冲前沿就能完成测频 工作，这对于对付频率捷变以及脉内调制信号雷达是非常重要的。瞬时测频接收机的弱 点是无法对多个同时到达信号进行检测，当存在连续波照射时无法对其它信号进行检测 等。这些弱点一定程度上限制了瞬时测频接收机在密集信号环境中的应用，必须加以改 善或克服。 数字接收机一直是国内外大力研究的项目。数字接收机可以对复杂的宽带调制雷达 信号进行数字化处理，实现精确测量，大大改进对信号的分选和识别。在灵敏度检测方 面大大提高了对低截获概率雷达的检测能力。配以合适的天线装置，可以更准确地进行 辐射源定位h 1 。所以数字式瞬时测频技术逐渐受到人们的重视。随着软件无线电技术的 不断发展，超高速a d 转换器( a d c ) 、d s p 、f p g a 的不断涌现，数字接收机己经成为 国内外大力研究的项目。其中a d c 是决定数字接收机的关键部件，最高采样速率和有 效采样位数是影响数字接收机带宽动态范围的关键参数。现阶段，a d c 的采样速率已 经达到g h z 数量级。目前，由于超高速a d c 价格十分昂贵，大多数应用仅限于实验方 面。但是随着技术的不断进步，a d c 未来期望带宽为数十吉赫兹( g h z ) ，量化位数在十 位以上。因此，只要采用适当的算法，宽带数字接收机就可以对一定带宽内的信号( 比 如脉冲调制信号) 进行高速数字化处理，实现高精度的瞬时测频，而且可以同时处理多 频信号。所以数字式瞬时测频是今后瞬时测频技术发展的一个主要方向，具有广阔的发 展空间。 、 传统的i f m 接收机的优点是瞬时性能好，但测频精度一直是其发展中的瓶颈问题。 随着f p g a 工艺技术的发展，现在大量的采用f p g a 来进行后端的数字信号处理。本文 将在f p g a 内的信号处理部分对算法做研究，采用合适的算法来对测频精度进行改善， 采用仿真的形式来证实这种改善的结果，因此本文具有一定的研究意义。 1 3 国内外研究状况 瞬时测频技术一般认为是2 0 世纪5 0 年代m u l l a r d 研究实验室开始发展的。后 来美国s y v a c u s e 大学研究中心和a t a n d f o r d 研究院也开始研究。早期的模拟式 i f m 通常利用波导微波元件，行波管和阴极射线显示器来实现，系统体积大结构复杂， 2 硕士论文干涉比相泫瞬时测频技术研究 一般只用于地面设备和较大的平台上。宽波段带状线耦合和固态砷化镓放大器的出现使 微波元件的尺寸显著减小，在七八十年代，采用这种改进元件以及处理数字化的i f m 开 始出现嗡。 总体上讲，目前国内在瞬时测频技术方法落后于国外，但是采取的方法大体相同。 主要使用了以下的新技术旧。： ( 1 ) 嵌入式系统技术：该技术利用f p g a 、d s p 、高速a d c 等强大数据采集能力， 进行实时数据采集，并进行各种数据分析。 ( 2 ) 虚拟仪器技术：该技术利用功能强大、技术成熟的l a bv i e w c v i 等软件实现虚 拟仪器，简化系统结构，提高系统数据采集、处理能力和系统的拓展能力。 ( 3 ) 总线技术：该技术直接采用当今主流计算p c i 总线，保留了p c i 总线与 c o m p a c t p c i 模块结构所有优越性能，如优良的机械性能、系统易于集成、比台式机具 有更多扩展糟等，在机械、电气和软件编程等方面增加了测试仪器所特别需要的性能和 特点。 ( 4 ) 网络化技术：该技术利用以太网技术将脉冲微波功率频率计与其他测试仪器组 成测试网络，实现了对微波信号各种参数的综合测试。 1 4 论文的内容安排 本文主要内容分为六章，各章节的内容安排如下： 第一章绪论部分简单介绍了本课题的背景意义，有关瞬时测频的国内外发展状况以 及论文的章节安排。 第二章介绍了干涉比相法瞬时测频的方法。结合具体测频指标，通过方案比较得出 了本设计的方案。 第三章主要是采用模块化设计的思想，利用f p g a 技术，对前端处理后的中频信号 进行了数字信号处理。 第四章对f p g a 内部各个模块进行了功能仿真，对系统的误差进行了分析。 第五章对作者所负责的数字部分的硬件电路进行了设计。 第六章对本课题的研究工作进行了总结。 2 干涉比相法瞬时测频技术j 系统方案硕十论文 2 干涉比相法瞬时测频技术与系统方案 干涉比相法瞬时测频是一种比较经典的测频方法，由于其具有良好的瞬时性而受到 广泛的应用。这一章将详细论述干涉比相法瞬时测频技术。 2 1 干涉比相法瞬时测频技术 2 1 1 基本原理 干涉比相法瞬时测频是应用较广的一种瞬时测频技术，其中心思想是把信号的频率 信息转换成相位信息，根据相位所对应的幅度信息推算出信号的频率n 儿7 1 。 将频率转换为相位信息的器件十分简单，如图2 1 虚线左半部分所示。它由一个功 分器和两条长度不等的传输线构成。其作用是先将一个信号分为两个，然后分别经过长 度不同的传输线( 通常一路延迟少，另一路用延迟线加大延迟) 后生成所需要的相位差， 这个相位差值正比于频率和两条传输线的电长度差。如果两条传输线的长度差为，那 么对于某一频率厂，两者电长度差为：三：尘上，由此造成的两个信号的相位差的增量 九c ， 。， 将为p = 竺厂，这是一个正比于频率的量，两条传输线的长度差越大，频率到相位 c 的变化率就越大。 s 1 n c o s i 。 图2 1 干涉比相法瞬时测频基本单元结构图 完成频率到相位的转换后，问题转化到了相位差值如何转换成可以测量的幅度信 息。完成相位到幅度转换的器件叫鉴相器，也被称为干涉仪，这就是这种方法叫做干涉 比相法瞬时测频的缘故。干涉仪是一个简单的和差合路器，因为两个高频信号在叠加时， 合成信号的幅度与信号的相位差有关，所以可以用它来推算两个信号的相位差。为了消 4 硕上论文干涉比相法瞬时测频技术研究 除信号本身幅度对测量结果的影响，就需要同时得到这两个信号的和与差，最常用的是 3 d b 定向藕合器，见图2 2 。 图2 23 d b 定向耦合器 设耦合器的两个输入信号用复数表示为a 1 z o 和a 2 z o ：，则定向耦合器的另两个端口的 输出将是： b 1 = - 孚 a 1 l 0 l + a 2 z ( 0 2 一罢) 】 ( 2 1 ) b 2 = - 孚 a 1 ( 0 l 一要) + 彳2 么0 2 】 ( 2 2 ) 图2 1 虚线右半部分给出的是一种完整干涉仪的结构，也是应用较多的一种结构。 下面具体分析一下这种瞬时测频方法的工作原理8 m 5 1 。 设输入的射频信号为： s ( f ) = as i n ( t o t )( 2 3 ) 假设延迟线的延时为t ，信号经过功分器后，得到图2 1 中1 ，2 两处的信号为： s l ( ，) = as i n ( t o t )( 2 4 ) s 2 ( f ) = a s i n ( t o t 一觚) ( 2 5 ) 这两路信号经过9 0 度定向耦合器后，在a 点将发生干涉，其信号为： s 月( ，) 2 詈s i n ( f ) + 詈s i n ( f 一觚一詈) ( 2 6 ) = 觚s 【圭( 三) 】s i n 妒三( 兰+ 酬 一 同理，b 点的信号为： s b o ) = 了as i n ( f 一号) + 等s i n f 一眦) = 舢s 睦一争i n 妒三( + 酬 一 经过平方律检波和低通滤波器之后，a ，b 处的信号为： s 肋= 亡k a z 【1 - s i n ( o r ) 】 ( 2 8 ) s 肋= 去k a 2 【1 一c o s ( t o c ) 】 ( 2 9 ) 同理，在c , d 两处可以得到的信号为： 2 干涉比相法瞬时测频技术与系统方案硕上论文 s 勋= 去k a 2 【l + s i n ( , o r ) 】 ( 2 1 0 ) 二 1 s r a = i i t k a2 【1 + c o s 的t ) 】 ( 2 1 1 ) 二 其中k 为传输系数。 图2 3 给出了式2 8 、式2 9 、式2 1 0 、式2 1 1 四个信号的仿真曲线，其中幅度作了 归一化处理。可以清楚地看到四者幅度与相位的关系，线上有o 的分别表示的是s 砌和 s 肋，两者相位差为1 8 0o ，线上有的分别表示的是s 勋和s 如，两者相位差也为1 8 0 0 。 各输出信号间的相位关系( 幅度归一化后) 0 8 0 6 0 4 刁 工 0 2 u 上 c ，) 1 3 皿 工 f o - 1 3 2 j c f o 0 4 旬6 - 0 8 o o o o o o 。 o + 睾 聿 嘈峰 幸+ 睾牛 +睾 卡+ + 睾睾 - 一x 涎 7 慧芦、 123456 相位值( 叩) 7 图2 3 检波输出曲线 再两个一组通过比较放大器后，可以得到 u l = s o = 2 )( 2 1 2 ) 2 = ，, = k a 2s i n ( c o x u s k ac o s ( o ) t ) ( 2 1 3 ) 然后结合式2 1 2 和式2 1 3 可以得到下式 ， 卸= 觚= a r c t a n 丁t - j 1 ( 2 1 4 ) u 2 这样就得到了p 的值，再根据公式厂= a c p 砉，可以推出信号的频率厂。 二7 “ 2 1 2 相位信息的提取 上小节的分析得出了这种方法是通过求取印来间接的求厂，p 的提取一般有两种 6 事帝带，_毪t 慕唪书飞一， ooo。 硕上论文 干涉比相法瞬时测频技术研究 方法：第一种是采用电阻环提取。第二种是采用a d c 对前面的u 。、u ：进行模数转换后 通过f p g a 进行数字信号处理，最终得出频率码口1 。 用电阻环提取法求q 的方法如下：将生成的正余弦信号的输出加到一个电阻网络 上，如图2 4 所示。 图2 4 求反正切的电阻网络 如图中所示的右上臂为例，在理想状态下，网络抽头处的输出将为： 。叫熹“n ( a 9 ) + 彘c o s ( 删】 ( 2 1 5 ) = u 7 s i n ( a q + 0 【1 其中t a n o t = 竺。 置 改变电阻的值可以获得公式中的1 3 1 , 角与电阻臂对应的象限内的任意一个角。取对臂 上同样两个电阻的抽头，求它们的差，就可以消除输出可能含有的直流成分，给出相应 的三角函数值。如果这一求差的工作是将这两个输出分别加到比较器的两个输入端，那 么输出仅是这个三角函数的符号，当它为正时输出为高电平，反之，为低电平。按0 【角 由o 向7 c 递增的顺序，可以构造一组输出码。最后由编码电路，将各个单元的编码转换 成频率码后输出。具体的编码方式可以参看文献1 1 】。 第二种求取频率信息的方法如图2 5 所示，将经过比较放大器的两路输出信号u 、 玑分别用a d c 进行采样，再将变换后的数字信号送到高速f p g a 或c p l d 进行计算处 理。 7 2 干涉比相法瞬时测频技术与系统方案硕上论文 数字信号 c p l d f p g a 计算处理 图2 5 频率信息提取的数字方法框图 值得注意的是测频精度与a d c 的有效位数直接相关。但是，鉴相误差决定了a d c 的有效位数。所以a d c 的采样位数应根据可能出现的最大鉴相误差来选定。而采样速 度决定了在一个脉宽内能采到的点的个数，对测频精度也有重要影响。u 1 ，u 2 的值应取 脉宽内采样的有效点的平均值，这样可以减少噪声带来的误差。在求q 时，若对精度 要求不高，由于幅度信息k u 2s i n ( a q , ) 、k u 2c o s ( a q ) ) 已由a d c 采样得到，可以直接建 立查找表，通过查表得到相位差值q 及其对应的频率信息。如果需要更高的稳定性和 精度，考虑到鉴相器输出幅度随温度变化可能出现抖动，则用式2 1 4 来计算，可以采用 高速f p g a 运用c o r d i c 算法来实现，十级流水的c o r d i c 算法就可以得到合适的相 位精度，然后通过查找表处理，获得对应的频率码。 2 1 3 不模糊带宽 将频率转换成角度那样的量，具有较大的变化范围。可以作频率到角度的变换，而 且变换是线性的，如果采用大的变换比率，干涉比相法瞬时测频可以达到较高的测频精 度。而工程上可被测得的角度的变化范围在2 7 c 或3 6 0o 以内，再大就会出现循环，模糊 和多值n 1 。由于角度信息的重复，使精度高的单元在宽的频率范围内产生重复。为了消 除这样引起的模糊，必须有精度相对较低的测频单元，用它的输出判断精度高的单元的 输出的相位在哪个相位周期范围内，以消除模糊性。因此，一般需要多个测频单元共同 作用，才能构成完整的测频机制。该测频机制下的瞬时测频接收机的总体框图如图2 6 所示。 8 图2 6 干涉比相法瞬时测频总体框图 图2 6 中基本测频单元由两部分构成。它的作用是首先将频率信息转换为相位信息， 硕士论文 干涉比相法瞬时测频技术研究 由于相位不便于直接测量，所以就再把相位转换成幅度信息。然后通过转换模块将幅度 信息转化为相应的相位值，再由编码电路输出对应的频率码。图2 6 中门限判断的作用 是检测是否有信号到来。 2 1 4 干涉比相法瞬时测频的优缺点 使用该方法实现瞬时测频的优点是：测频范围宽、响应时间短、测频速度快、最 小可测脉宽窄。 但它的最大缺点就是测频精度难以做得很高。这与鉴相器的鉴相误差、延迟线的长 度等紧密相关。 假设有一个干涉比相法瞬时测频接收机，当鉴相器的相位误差为9 0 左右时，能获 得的测频精度度将是在相应器件上造成的一个相位周期所对应的频率范围的约右，换 句话说，应用的构造相位差的传输线长度，也就是延迟线长度，将是与这个误差频率对 应的波长的约i 1 。由于延迟线的存在，想要使一分为二的信号干涉，信号存在的时间 q u 起码要保证信号在延迟后还能与原信号重叠。这样，干涉比相法瞬时测频所需的时间一 定要大于与误差频率对应的信号周期的右，工程实现要求起码是寺。由此可见，这种 方法的测频精度虽然不是很高，但瞬时性是很好的。 2 2 方案的选择 2 2 1 系统指标要求 本设计来源于某项实际项目，具体的技术指标要求如下： 测频范围：7 1 g 7 7 g 测频精度：优于1 m h z 输入信号信噪比：优于4 0 d b 信号脉宽：芝2 0 u s 2 2 2 方案比较 干涉比相法瞬时测频的优点使它在实际的工程中得到了广泛的应用，也出现了许多 提高其性能的整体设计方案。下面给出两种比较成熟的设计方案。 方案一如图2 7 所示1 6 m 3 。 9 2 干涉比相法瞬时测频技术与系统方案硕士论文 ：一。一。一。 云黼一一一一一一一 i x 埏时 l 图2 7 多个测频单元构成的干涉比相法瞬时测频接收机方案 该方案采用多个基本测频单元，实际的工程应用中一般不会超过4 个测频单元，各 个基本测频单元之间的延迟线的长度一般选择为4 ：1 ，根据公式p = 竺厂知道，对 c 于某一固定频率，延迟线的长度越长，平变化的越大，测频的精度也就越高，当p 超 rr 过2 7 r 后就会出现模糊的现象，由于在后面是用( p = a r c t a n 求9 ，不可避免的会出 u 2 现多值的情况，所以就采用较短延迟线的测频单元来消除这种延迟和多值的现象。延迟 线的长度和基本测频单元的个数应根据实际的工程项目的技术指标来选定，延迟线的最 长延时不能超过所测频率最小脉宽的持续时间，基本测频单元不宜过多，过多的测频单 元会导致系统过于庞大，容易引入过多的误差。 文献【7 】提出了一种信道化划分思想和干涉比相思想相结合的方案。运用此方法完成 了瞬时测频接收机的研制，取得了十分理想的效果。 该方案的框图如图2 8 所示 1 0 硕上论文干涉比相法瞬时测频技术研究 图2 8 多信道与干涉比相法结合的瞬时测频接收机方案图 该方案首先通过信道划分滤波器把待测频率分成n 段，即分成n 个子信道，每个子 信道对应一个测频单元( 图2 8 中虚线框部分所示) ，然后将各个测频单元中的信号一分 为二，一路延迟多，一路不延迟，不同频率的信号就会产生不同的相位差，再将两路信 号进行比相，将相位差值转换为幅度信息，通过a d c 对幅度信号进行采样，通过f p g a 进行数字信号处理，最终得到幅度信息所对应的信号频率码。其中各个测频单元都有一 路检波同步信号，用来判断待测信号落在哪个信道内，起到去模糊的作用。 这两种方案都各有优缺点：方案一，因为没有对信号带宽进行划分，导致对后面的 a d c 的要求比较苛刻，对于延迟线长度不同的测频单元的输出信号，要进行严格的时 间同步才能正确的进行解模糊。同一时间内多个基本测频单元要同时进行运算，对后面 f p g a 的处理速度和处理能力有很高的要求。它的优点是带宽连续，如果其要测的信号 带宽较小( 比方只用两个测频单元就能很好的进行解模糊处理) 或者后面的数字器件的 速度能跟上，这种方案能获得比较高的测频精度，误差较小。方案二由于采用了信道化 划分的思想对信号的带宽进行划分，只要信号带宽划分得当，在满足测频精度的条件下， 完全可以把一个测频单元的输出相位差限制在( o 27 【) 之间( 甚至更小的范围内) ，这样 就不用进行解模糊处理，通过各路的检波同步信号来判断信号处于哪一个信道，这样在 同一时刻f p g a 只需要进行一个测频单元的信号处理，这大大降低了对f p g a 信号处理 能力的要求。这种方案的缺点是当信号带宽很宽时，为了达到测频精度后面的基本测频 单元将增加，这样就不可避免的导致体积庞大。还有一点是相邻信道的边界频率的重叠 问题。这在实际应用中将带来一定的误差。 2 干涉比相法瞬时测频技术与系统方案硕上论文 2 2 3 方案选择 根据具体项目要求，信号的带宽为6 0 0 m h z 。如果采用第一种方案，为了达到所需 的测频精度，后端的a d c 有效位数至少需要1 l 位以上，为了测频的瞬时性和减d , n 频 误差，对a d c 的速度要求也会相对较高，至少需要4 个基本测频单元来进行解模糊， 系统的复杂度会增加。同时后端进行信号处理的f p g a 也要有较高的处理能力。如果采 用第二种方案，假设我们把信号分成6 个信道，每个信道为1 0 0 m h z 的带宽，这样在前 端的模拟电路部分就得有6 个基本测频单元，后端也要用最少6 个a d c ，这样的结果 是系统体积过于庞大，成本较高。 经过以上的分析，本文在第二种方案的基础上提出如图2 9 所示的改进方案。 检波同步信号1 图2 9 总体方案图 如图2 9 所示，射频信号经过限幅放大器进行限幅放大，经功率分路器把带宽为 6 0 0 m 的信号划分为6 路1 0 0 m 的信号。各路信号经带通滤波器后，经耦合器进行耦合， 一路输出检波同步信号用以判断信号是否处于该信道内，一路进行混频。将各路信号混 频到同一中频频率，然后用功率合路器进行合路。功率合路器输出的中频信号经功分器 一分为二，两路的延时不同，通过鉴相器对两路信号进行鉴相，鉴相器的输出信号中就 包含了两路信号的相位差，对其进行放大，运用a d c 对其幅度进行采样，后面用f p g a 进行信号处理算出信号的相位差。根据检波同步信号的情况判断信号是处于哪个信道。 给出最终的频率码。 1 2 硕士论文干涉比相法瞬时测频技术研究 2 3 小结 干涉比相法瞬时测频是一种比较经典的测频方法。本章先对干涉比相法的瞬时测频 原理进行了详细的叙述；对于后续的电压幅度采样电路给出了两种不同的方法，对两种 常用的干涉比相法瞬时测频方案进行了简单的理论分析，对其优缺点做了分析，得出了 本设计的方案；对所给方案的测频精度和测频误差做了分析。信号处理部分是本设计的 重点与难点，在下一章中将对采用这种方案的f p g a 信号处理方法做探讨。 3 瞬时测频算法的f p g a 实现硕士论文 3 瞬时测频算法的f p g a 实现 在上一章中详细的阐述了干涉比相法瞬时测频的基本原理，并讨论了在实际应用中 比较成熟的实现方案。最后根据本课题的实际技术指标要求，制定了适合本课题的方案。 ( 这里假设把a d c 以前的部分说成是这种方案的模拟部分，a d c 及其后面的f p g a 部 分称为数字部分。) 本课题是教研室的实际项目，作者主要负责的是后面的数字部分， 其中关键的是对前端模拟部分输出来的中频信号进行数字信号处理。选用什么样的算法 能够很好的达到测频的精度要求和瞬时性要求是本文的重点。这一章将就f p g a 内部的 数字信号处理进行深入的探讨。 3 1f p g a 与d l 简介 现场可编程门阵歹i j ( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 的出现是超大规模集成电 路( v l s i ) 技术和计算机辅助设计c a d 技术发展的结果n6 l 。f p g a 器件集成度高，体积 小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发 平台，经过设计输入，仿真，测试和校验，直到达到预期效果。目前市场上提供各种类 型的f p g a 芯片，包括系统级的芯片，采用f p g a 器件来设计系统，可以大大缩短研制 周期，减少资金投入。而且采用f p g a 器件还使得原来的电路板级产品可能集成为芯片 级产品。从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对投入进行在线修改。 f p g a 器件成为研制开发的理想器件，特别适合于产品样机开发和小批量生产。 目前f p g a 有两个重要发展与突破，第一是大多厂商在其高端器件上都提供了片上 处理器( 如c p u 、d s p ) 等硬核( h a r dc o r e ) 或固化核( f i x e dc o r e ) 。比如a l t e r a 的s t r a t i x 、 e x c a l i b u r 等系列芯片可提供n i o s ，d s p 和a r m 等模块，而x i l i n x 的v i r t e xi ip r o 芯片 可嵌入p o w e rp c 4 0 5 核。在f p g a 上集成微处理器，使s o p c 设计更加便利与强大。另 一个发展使在不同器件商推出的高端芯片上大都集成了高速串行收发器，一般都能达到 3 g b s 以上的数据处理能力，在a l t e r a 、x i l i n x 、l a t t i c e 都有相应的器件型号提供该功能。 这些新功能使f p g a 的数据吞吐能力大幅度增加。 v h d l ( v e r y - h i g h s p e e di m e g r e t e dc i r e u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是一种硬 件描述语言，主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。 应用v h d l 进行工程设计有如下优点u 刮。 ( 1 ) 行为描述 与其它的硬件描述语言相比，v h d l 具有更强的行为描述能力，强大的行为描述能 力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 ( 2 ) 仿真设计 1 4 硕- l 论文干涉比相法瞬时测频技术研究 v h d l 丰富的仿真语句和库函数，使得在任何系统的设计早期就能检查设计系统的 功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟，这样可以减小系统开发风险，缩减开发成本。 ( 3 ) 大规模设计 一些大的f p g a 设计项目需要有多人甚至多个开发组共同工作才能实现。v h d l 语 句的行为描述能力和程序结构决定了它能够将大规模的设计分解开来，由不同工作人员 或工作组协作完成。而且v h d l 支持将已有设计再次利用的功能。 ( 4 ) 门级网表 对于用v h d l 完成一个确定的设计，可以利用e d a 工具进行逻辑综合和优化，并 自动把v h d l 描述语言转换成门级网表。 ( 5 ) 独立性 v h d l 对设计的描述具有相对的独立性，设计者可以不懂硬件结构，也不必对最终 设计实现的目标器件有很深入的了解。 应用v h d l 设计f p g a 的过程如图3 1 ： 图3 1f p g a 设计流程 3 2f p g a 内部各功能模块的划分 在上一章中分析了了求q 的方法，一种是把鉴相器输出的i q 信号加到一个电阻 环上，电阻环上根据不同的测频精度要求在不同的阻值上抽出若干个抽头，每个抽头上 的输出电压是 肚川i 鼍s i n ( 叩) + 彘c o s ( a , p ) l = u ，s i n ( a t 0 + t x ) 其中a 在不同的抽头处会有不同的值，这样就构成了一组包含相位q 的编码，通过相 位与频率的对应关系就能得到对应的频率码，这种编码方式结构简单，速度快，但是最 大的弱点就是精度不够、误差大、容易受噪声的干扰，随着测频精度要求的提高和高速 1 5 3 瞬时测频算法的f p g a 实现硕士论文 信号处理芯片的成熟，这种方式基本上已经不再被实际工程中所采用。第二种方法是直 接对i q 信号进行a d c 采样然后把采样值送给f p g a 进行信号处理。这种方法很好的 ， 保留了i q 信息，可以直接根据公式a q ) = a r c t a n 导求出相位信息。然后根据相位和频率 u 2 的对应关系求出频率码，对于a d c 采样后的数据也有两种处理方式，第一种是根据 u ，各自的值所对应的不同q ，直接建立查找表，输出频率编码，这种方法相对于 电阻环而言精度上有了很大的提高，但是随着精度要求的增加，其查找表的数量会急剧 的增加，消耗的芯片资源将非常的庞大，这种方法对外界噪声产生的干扰毫无办法。也 无法克服鉴相器输出电压随温度变化可能出现抖动所带来的影响。所以其稳定性能不 佳，如果电路外部环境不是很好，误差会比较大。如果需要更高的稳定性和精度，可以 采用高速f p g a 运用c o r d i c 算法来进行信号处理，十级流水的c o r d i c 算法就可以 得到合适的相位精度，然后通过查找表处理，获得对应的频率码。本设计中就是采用这 种方法。 下面给出在f p g a 中采用c o r d i c 算法实现信号处理的模块化设计方案。如图3 2 所示。 3 2f p g a 内部各功能模块结构示意图 f p g a 中各模块的功能如下： 时钟管理模块：主要是对f p g a 的输入时钟进行倍频然后经过不同的分频得出不同 频率的时钟，提供给各种需要时钟的功能模块使用。外部的a d c 也由f p g a 提供时钟， 1 6 硕士论文干涉比相法瞬时测频技术研究 时钟的统一能增加系统的稳定性。 f i f o 模块：前端a d c 和后端处理电路速度的不匹配容易产生数据的溢出或者丢失。 f i f 0 能够很好的对数据进行缓冲，使数据满了不读入，数据空了不读出。 软件滤波模块：v q 两路信号的采样值中可能存在噪声干扰。该模块的功能主要是 从f i f o 中取出1 6 个数据，然后进行大小比较，去除4 个最大的数据和4 个最小的数据， 对剩余的数据进行取平均数处理的方法( 实际应用中只需要求和就行了，无需做除法) ， 来进行软件滤波，尽量消除干扰。 c o r d i c 算法鉴相模块：该模块根据软件滤波后的i q 两路信息，运用c o r d i c 算 法实现鉴相。在实际的鉴相以前要对两路数据的符号进行判断，然后对负数进行补码变 化( 由a d c 的输出编码方式决定) 。 r o m 模块：根据前面模块输出的相位码直接进行r o m 查表输出频率信息。这个 模块实际包含了六个r o m ，分别对应前面的六个信道。由前端电路的检波同步信号决 定哪一个使能。 控制模块：控制模块产生其他模块的控制信号，实现对f i f o 模块、软件滤波模块、 c o r d i c 算法鉴相模块、r o m 模块的控制，使各模块按照一定的时序依次执行各自的 功能，从而完成整个算法流程。 首先，把从a d c 送来的i q 两路信号经过f i f o 进行缓存，这样就让前端a d c 的 速度和f p g a 的处理速度进行很好的匹配。经过缓存的i q 两路信号分别经过软件滤波 模块进行滤波。滤波后采用适合f p g a 的流水式c o r d i c 算法对i q 信号进行运算，以 一一， 求出两个信号的相位差p ，根据公式( p = 竺厂算出不同q 所对应的频率并存入 c r o m 中，根据卸的值对r o m 进行查表，然后以频率码的形式输出。在f i f o 模块中 有两个信号输出给控制模块，分别为w r i t ef u l l ( 写满) ，r e a d 据w r i t