基于FPGA和高速D/A的多功能信号源生成系统

为了满足科研与实验需要，提出并实现了一种以FPGA和高速D／A为核心，其结构简单，控制灵活，信号质量高的多功能信号源生成系统。该信号源生成系统能够实时产生中心频率在30～130 MHz的各种雷达、通信、导航和白噪声等信号，且产生的各种信号频率、幅度、相位和其他参数均可控。信号源作为基带信号单元配以混频模块，可实现在任意频段的信号。另外，该信号源还可以作为一个通用平台，通过FPGA内部程序的更新来实现其他复杂信号。

产品级的信号源往往满足不了科研和实验的需要，尤其在复杂电磁环境的研究和实验中，需要的信号样式多种多样，而且根据场景的不同，需要信号样式、个数都发生了改变。

现场可编程逻辑阵列器件(FPGA)继承了ASIC中大规模、高集成度、高可靠性的优点，克服了普通ASIC设计周期长，投资大，灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选。为了能满足科研与实验的需要，产生一系列需要的信号，设计了一种以FPGA和高速D／A为核心．能产生中心频率在30～130 MHz的、各种参数均可调的雷达、通信、导航和噪声信号的多功能信号源生成系统。

1 系统硬件结构

多功能信号源生成系统在综合控制器的控制下产生一个或多个中心频率在30～130 MHz的雷达、通信、导航、噪声等信号，输出电平一60～o dBm．步进值为0．06 dB。系统主要由综合控制器、信号生成器、射频模块和天线4个部分构成，如图1所示。综合控制器实现对系统的整体控制，包括信号路数及各路信号参数。信号生成器主要包括控制参数接口转换模块和信号生成模块两个部分。射频模块主要完成两项功能，即650 MHz时钟的生成和对输入的中频信号变频，最后经天线输出信号。

 

2 综合控制器

综合控制器为一台工控计算机，主要完成控制参数的输入和数字基带信号生成。控制人员通过综合控制器控制界面将控制参数输入，这些控制参数经过计算机uSB接口输入到信号生成器，实现对信号生成器的控制。数字基带信号是一定速率的二进制码流，在该系统中综合控制器完成将BMP图片转换成一定速率的二进制数据，并通过USB接口输人到信号生成器中，作为系统的数字基带信号。综合控制器在工作时，负责向信号生成器注入控制参数，如信号路数和各路信号参数(信号样式、工作频率、功率输出、调制指数、延迟时间、跳频速率、脉宽、脉冲周期等)，当控制参数输入完毕后，综合控制器开始利用USB接口传输由BMP图片转换的二进制数据。系统在工作过程中可实时更改控制参数，并根据指令进行刷新，此时数字基带信号传输将暂停，等待更新完毕后继续输出。

3 信号生成器

信号生成器由两部分构成，即控制参数接口转换模块和信号生成模块。控制参数接口转换模块完成将综合控制器通过USB传输线传输的控制参数和数字基带信号转换为总线数据送入总线中，由信号生成模块产生特定控制参数的信号。

3．1 控制参数接口转换模块

控制参数接口转换模块完成从USB接口中收到的数据接收，并将接收数据转换为总线数据送入背板总线。控制参数接口转换模块主要包括两个部分：USB控制芯片和1片FPGA，如图2所示。在这个模块内完成数据包的获取和拆分两个操作。数据包的获取就是USB控制芯片将USB传输线中的1位数据转换为16位的FD信号，送到FPGA中。FPGA再将接收到的数据按照数据包拆分协议分成16位控制参数信号DATA与160 kHz的数字基带信号DATAl60K送到背板总线，同时通过总线进行传输的还有两个时钟信号AIOW和CLKl60K。其中AIOW是与控制参数信号DATA相匹配的时钟，是由FPGA送入总线中的，而CLKl60K是与数字基带信号DATAl60K相匹配的时钟，是由信号生成器通过总线送入FPGA中的。数据包的拆分主要由1片Spartan3 FPGA(XC3S200)来实现。

 

3．2 信号生成模块

信号生成模块采取FPGA和高速D／A相结合的方法，在FPGA内部产生高速采样数据。采样数据送人高速D／A中还原出信号。在该系统中，FPGA芯片选用Xilinx公司Virtex－4系列的XC4VLXl00，而高速D／A选用AD公司的AD9736。如图1所示，信号生成模块包括2块信号生成电路板，每块电路板上有2块FPGA和4块高速D／A，每块FPGA与2个D／A相连，即1个FPGA内部需要同时产生2路信号采样数据，整个系统能产生8路信号。