雷达线性调频信号在FPGA上的实现

线性调频信号可以获得较大的压缩比，有着良好的距离分辨率和径向速度分辨率，所以线性调频信号作为雷达系统中一种常用的脉冲压缩信号，已经广泛应用于高分辨率雷达领域。直接数字频率合成(Digital DirectFrequency Synthesis，DDS)技术是解决这一问题的最好办法。在雷达系统中采用DDS技术可以灵活地产生不同载波频率、不同脉冲宽度以及不同脉冲重复频率等参数构成的信号，为雷达系统的设计者提供了全新的思路。

1设计思路

利用专用DDS芯片是目前比较流行的信号产生方法。专用DDS芯片把所有功能集中在一块芯片上，需要设计者以此为平台进行开发。而基于FPGA的DDS软件编程则根据DDS技术的基本原理，充分利用了FPGA作为大规模芯片的资源优势和高速运算能力，除了能产生专用DDS芯片所具备的单频连续波、非连续波、各种形式的线性调频信号以外，还可以借助FPGA的庞大的资源优势和内部存储器，使非线性调频等更复杂的信号更容易实现。

2硬件系统的构成

在具体实现过程中主要采用一块基于FPGA的雷达信号处理卡，既可以采集来自雷达接收机的中频、视频信号并对其进行数字信号处理，又可以自身模拟产生雷达中频、视频信号进行数字信号处理或不处理直接送往雷达信号处理机。雷达信号处理卡的硬件电路结构框图如图1所示。

FPGA采用的是Xilinx公司的10万门FPGA芯片XC2S100E，其配置芯片为Xilinx公司的1 Mb容量PROM芯片XC18V01，以主动串行方式对FPGA进行上电配置。A／D，D／A分别为ADI公司12位高速模数转换芯片AD9224与14位高速数模转换芯片AD9764。SRAM采用Cypress公司的256k×16 bSRAM芯片CY7C1041。

结合本处理卡的结构特点，硬件上采用FPGA与高速D／A方案产生线性调频信号。在FPGA内部实现DDS电路，FPGA输出全数字的线性调频信号送往高速D／A得到最终的模拟线性调频信号。由于本处理卡采用PCI总线结构，因此可通过计算机实时修改线性调频信号的参数设置，改善了人机接口，提高了系统的灵活性。

3 FPGA软件编程实现线性调频信号

DDS芯片电路产生的是固定频率的正弦波信号，信号频率受相位增量△Phase控制，若要产生线性调频信号，则必须实时改变△Phase，使△Phase根据频率步进量fstep而线性变化。因此基于FPGA软件编程实现线性调频信号时，需要在FPGA内部实现频率累加器、相位累加器、正弦波形ROM存储器等电路，FPGA软件编程实现线性调频信号的原理图如图2所示。

在产生线性调频信号时，每来一个时钟脉冲，软件编程控制频率累加器产生线性增加的瞬时频率，然后经过相位累加器运算输出线性调频信号的瞬时相位，以此相位值寻址正弦值存储表，通过查表得到与相位值对应的幅度量化值；在下一个周期来临时，频率累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的频率数据反馈到频率加法器的输入端，以使频率加法器继续累加，频率累加的瞬时值与上个周期相位累加器反馈到相位加法器输入端的数据累加，然后再依此周期累加的相位值重新寻址正弦值存储表，得到对应的幅度量化值，依此循环，幅度量化值经过累加，并经D／A转换器得到连续的阶梯波，经低通滤波器滤除其中的高频分量，最后即可得到所需线性调频信号。

已知系统工作时钟fclk、频率累加器与相位累加器位数N，要产生中频为F0、带宽为B、时宽为T的线性调频信号，其频率步进变化如图3所示，在FPGA软件编程时只需计算出起始频率fstart和频率步进量fstep卸即可。

起始频率fstart和频率步进量fstep的计算公式如式(1)，式(2)所示，因为在VHDL语言中，数值的表示方法都是二进制的，所以通过式(1)，式(2)计算的结果都是二进制的，是无量纲的。

经过频率累加器输出的是严格线性增长的瞬时频率。在实际过程中相位累加器的输出是经过相位截断再进行寻址，从而引入了一定的相位误差，虽然这一误差会影响到线性调频信号的线性度，但是调频斜率为相位的二次导数，相位截断误差本身已很小，所以对调频线性度的影响就更小了。

4 实验结果

基于上述原理，首先对VHDL代码进行了时序仿真，然后将编译综合后的BIT文件下载到FPGA芯片中进行系统联调。实验表明，采用FPGA软件编程技术较好地实现了线性调频信号的产生，而且信号波形比较稳定。

图4为利用Modelsim软件对本设计所产生的信号进行仿真得到的时序仿真图，从中可以看出在每个触发周期内，所产生信号的变化频率在不断线性增加，可以较明显地看出产生的是线性调频信号。若要产生更低频率及更精确的波形，可以提高分辨率并相应减小基准时钟，这在FPGA中实现起来相对比较容易。

图5为在实际调试过程中模拟产生一个脉宽7 μs、周期为700 μs、带宽为5 Mb／s，中频为7.5 MHz的线性调频脉冲信号在示波器上的截图。从图中可以看出，本系统所产生的线性调频信号基本达到了预定的指标，能够满足实际工程中的应用，在雷达系统中有着较好的应用前景。本文原理以及本系统亦可用于构成产生相位编码脉冲信号等其他形式的复杂雷达信号形式，具有较大的可扩展性。