用FPGA技術實現(xiàn)模擬雷達信號

前言

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是由掩膜可編程門陣列和PLD（可編程邏輯器件）演變而來的，并將二者的特性結合在一起，使FPGA既有掩膜可編程門陣列的高邏輯密度和通用性，又有PLD的可編程特性。FPAG技術的發(fā)展使得單個芯片上集成的邏輯門數(shù)越來越多，能實現(xiàn)的功能越來越復雜。它以編程方便、集成度高、速度快等特點受到電子設計人員的青睞。人們可以通過硬件編程的方法設計和開發(fā)ASIC（專用集成電路）芯片，極大地提高芯片的研制效率、降低開發(fā)費用。

通過應用FPGA技術，較好地為“某型雷達告警設備”的配套檢測儀器實現(xiàn)了模擬雷達信號發(fā)生器ASIC芯片的設計，該芯片能夠提供“某型雷達告警設備”測試過程中所需的多種典型的重頻脈沖及制導信號等，其中包括SA-6重頻信號、SA-2重頻脈沖及制導信號、SA-3重頻脈沖及制導信號、雷達脈沖視頻等。所設計的ASIC芯片的性能較為理想。

模擬雷達信號發(fā)生器的結構

模擬雷達信號發(fā)生器的結構如圖1所示。可以看到，模擬雷達信號發(fā)生器由連續(xù)波雷達模擬信號CW開關、制導信號SA-2開關、制導信號SA-3開關、時鐘脈沖產生器、輸出1、輸出2和產生模擬雷達信號的控制芯片組成。上述開關都是高電平有效，開關的消抖動電路放在控制芯片部分考慮。時鐘脈沖產生器由外部的晶體振蕩器產生一個頻率穩(wěn)定的1MHz時鐘脈沖，用來滿足信號脈沖寬度的要求。“CW開關”有效時，“輸出2”輸出連續(xù)波雷達達模擬信號；“SA-2開關”有效時，“輸出2”輸出SA-2的重頻脈沖，“頻脈沖，“輸出1”輸出SA-2的指令信號組；“SA-3開關”有效時，“輸出2”輸出SA-3的重頻脈沖，“輸出1”輸出SA-3的指令信號。

ASIC芯片的設計

1芯片主要性能指標

（1）產生連續(xù)波雷達模擬信號：重頻3012Hz，脈寬1μs±0.1μs；

（2）產生制導信號SA-2重頻脈沖：重頻2463Hz，脈寬0.5μs±0.1μs；SA-2指令信號組：重頻2463Hz，每秒132個單指令，44個指令組，指令脈寬1μs±0.1μs；

（3）產生制導信號SA-3重頻脈沖：重頻3497Hz，脈寬0.5μs±0.1μs；SA-3指令信號同SA-3重頻脈沖等。

芯片的輸出和輸出信號定義如下：

輸入信號：連續(xù)波雷達模擬信號輸入；制導SA-2輸入；制導SA-3輸入；時鐘脈沖輸入等。

輸出信號：輸出1；輸出2。

2芯片結構

該芯片分為10個子模塊，如圖2所示。各子模塊的作用如下：

二分頻電路

時鐘脈沖輸入CLK頻率為1MHz，一方面為203分頻及脈寬整形電路、143分頻及脈寬整形電路提供1μs的方波，使二個脈寬整形電路產生0.5μs脈寬信號；另一方面CLK經(jīng)二分頻電路產生500kHz信號，提供給203分頻及脈寬整形電路、143分頻及脈寬整形電路、166分頻及脈寬整形電路作為分頻電路的輸入信號，同時提供給消抖動電路及編碼器、166分頻及脈寬整形電路、18.5分頻及脈寬整形電路用來產生1μs脈寬信號。

消抖動電路及編碼器

消抖動電路能消除開關的（文內未見有提及機械開關，如電路開關應是上升、下降邊沿抖動對輸出的影響，它分別將開關的輸入信號轉變?yōu)?μs脈寬的輸出信號。CW開關、SA-2開關、SA-3開關信號經(jīng)編碼后產生對應的碼元00、01、10信號，控制選擇器工作。

各分頻及脈寬整形電路

5個分頻電路按功能的要求產生各自的重頻頻率，再經(jīng)脈寬整形電路產生出符號各信號脈沖寬度（1μs或0.5μs）的脈沖。如：203分頻及脈寬整形電路產生2463Hz、0.5μs脈寬的信號；166分頻及脈寬整形電路產生3012Hz、1μs脈寬的信號；143分頻及脈寬整形電路產生3097Hz、0.5μs脈寬的信號；18.5分頻及脈寬整形電路產生132Hz、1μs脈寬的信號；3分頻電路產生44Hz方波信號。

SA-2指令組形成電路

將2463Hz、132Hz與44Hz信號一起加到SA-2指令組成電路，產生一組脈沖序列，構成每秒132個單指令、44個指令組。在560μs內只有一個脈沖，稱為單指令，有2個或更多脈沖，稱為指令組。

選擇器

依據(jù)編碼器輸送來的碼元，選擇器輸出對應的工作狀態(tài)。當碼元為“00”時，“OUT2”輸出連續(xù)波雷達模擬信號；碼元為“01”時，“OUT2”輸出SA-2的重頻脈沖，“OUT1”輸出SA-2的指令信號組；當碼元為“10”時，“OUT2”輸出SA-3的重頻脈沖，“OUT1”輸出SA-3的指令信號。

3控制芯片VHDL語言描述

由芯片的結構可以看出，6個分頻器電路除了它們的分頻系數(shù)不同外，VHDL（甚高速集成電路描述語言）的結構是類似的，稍加改變便可設計成各自獨立的元件單元。脈寬整形電路可設計成標準的基本單元，以元件形成供4個脈寬整形電路和消抖動電路調用。SA-2指令組形成電路、編碼器和選擇器分別設計成獨立的元件單元。將上述各單元按它們的信號關系連接起來，便構成了芯片構造體描述。該設計直接采用VHDL的RTL（寄存器傳輸描述）方式，來簡化設計步驟和縮短設計時間。其VHDL硬件描述語言主程序流程圖如圖3所示。

結束語

我們采用VHDL硬件描述語言，通過MAX+PLUS Ⅱ開發(fā)平臺，經(jīng)編譯、仿真無誤后，寫入Altera公司EPM7064S器件中，經(jīng)調試，其性能完全達到設計要求。