單玉潔 李淑萍 覃莉

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108）

一種基于FPGA的高精度相控信號源的實現(xiàn)方法

單玉潔 李淑萍 覃莉

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108）

針對通用信號源不具備多通道電子波束掃描的問題，提出一種基于FPGA的高精度相控信號源的實現(xiàn)方法。對任意CW或LFM初始信號做多個電子波束的頻分，計算不同發(fā)射角度，每個通道的時延值，再把波形數(shù)據(jù)、粗細時延數(shù)據(jù)等傳給FPGA，實現(xiàn)多通道信號精確控制相位延時，已得到測試數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的驗證。

高精度；相控；信號源；波束掃描

通用信號源一般不具備電子波束掃描的能力，但要求發(fā)射功率較高時就需要通過多通道波束指向性增益來增加發(fā)射功率，此時必須進行電子波束掃描。隨著通道數(shù)的增加，達到較高分辨率時，需要耗費大量的存儲資源；同時，為了達到聚焦、變孔徑、變跡等相控效果，需要對信號的相位、幅度等做精確控制。以往，對于不同通道的時延往往是采用流水線采樣延遲聚焦，或?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)做時域內(nèi)插，這對于多通道發(fā)射信號來說，都需要很高的運算量和存儲器支持。因此需要設(shè)計一種信號源滿足幅度、相位高精度可控，存儲資源耗費少、波束間信號相關(guān)性小的要求。

1 原理及組成

1.1 實現(xiàn)原理

相控信號源采用高精度數(shù)字式發(fā)射延遲實現(xiàn)，信號頻率、脈寬、周期等參數(shù)由上位機通過光纖下發(fā)給信號控制板，信號波形數(shù)據(jù)、延遲單元由DSP計算產(chǎn)生并傳送給FPGA存儲。信號產(chǎn)生原理框圖見圖1。

圖1 信號產(chǎn)生原理框圖

當多個電子波束掃描發(fā)射時，需要考慮在每個通道的每個電子波束之間存在作波束延時的保留量，期間實際信號輸出為零。第i個電子波束的第j個通道的信號分以下三種情況求得。

· 信號為CW單頻信號時：

· 信號為CW調(diào)制信號時：

其中，j代表通道號，i代表波束號，v為信號幅度，f0為中心頻率，fd為調(diào)制頻率，τi，j為第i個電子波束的第j個通道時延，Ti為第i個電子波束的信號脈寬，θmax為最大掃描角，為填充的零值信號長度。

· 信號為LFM信號時：

其中，B為信號帶寬，T為信號脈寬，f1為起振頻率，f2為結(jié)束頻率。

波束延遲時間計算公式如下：

波束延遲時間計算公式如下：

(1) 三點定位采用三角形算法計算出待測點的位置，依賴于AP位置信息和信號傳輸信道損失。不同環(huán)境下的信號傳輸損耗不同，適用于WIFI環(huán)境穩(wěn)定、干擾較少和單樓層的建筑空間。

其中，d為陣元間距，c為聲速，θi為第i電子波束與基陣法線的夾角，N為通道數(shù)。

數(shù)字延遲分為粗延時和細延時兩部分實現(xiàn)。前者基于采樣時鐘計數(shù)，延時值為采樣周期的整數(shù)倍，后者為采樣周期的小數(shù)倍。選取某設(shè)備信號控制單元，信號中心頻率60 kHz，工作帶寬±15 kHz，取波形的采樣時鐘fs為1 MHz，則粗延時的延遲距離單元數(shù)為：

計算可知最大延遲距離單元數(shù)約640個。

對于細延時的實現(xiàn)，將采樣時鐘提高到fs為80 MHz，則細延時的延遲距離單元數(shù)為：

計算可知最大延遲距離單元數(shù)約80個，以60 kHz的信號為例，其相位精度可達到0.27°。

1.2 FPGA設(shè)計實現(xiàn)

信號控制單元上電工作時，F(xiàn)PGA加載程序。加載完成后，進入工作狀態(tài)。FPGA通過網(wǎng)口接收控制命令，波形數(shù)據(jù)、粗細時延數(shù)據(jù)等由DSP計算好傳輸給FPGA。在FPGA中，根據(jù)各通道的延遲信息，送出信號波形。

各通道根據(jù)相應(yīng)的延遲距離單元數(shù)，產(chǎn)生各通道存儲波形存儲器的首地址，完成粗時延；根據(jù)細時延的要求，調(diào)整DA的轉(zhuǎn)換脈沖，選擇不同的轉(zhuǎn)換時機完成細時延。

選用TI公司的高性能的DAC8580芯片，該芯片具有16 bit的轉(zhuǎn)換精度，1 MHz的轉(zhuǎn)換速率，內(nèi)嵌數(shù)字濾波器。由于DAC8580芯片輸出的模擬信號為單端信號，本板選擇了一個單端轉(zhuǎn)差分的運放LTC1992，將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號后輸出。

FPGA選用Xilinx公司的V5系列，該器件有豐富的存儲容量和邏輯單元，滿足設(shè)計需要。采用該器件的千兆網(wǎng)硬核控制器，通過RocketIO，實現(xiàn)千兆網(wǎng)的光纖傳輸。FPGA內(nèi)部實現(xiàn)框圖見圖2。

圖2 FPGA內(nèi)部實現(xiàn)框圖

1.2.1 FPGA對波形數(shù)據(jù)的存儲處理

信號源發(fā)送的信號，有時會是超長脈寬，或者是多個波束的波形數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)量是巨大的，若在FPGA內(nèi)用RAM把全部數(shù)據(jù)都存儲下來，則需要FPGA具有超大的存儲容量，即使數(shù)據(jù)可以全部保存下來，也會耗費FPGA大量的存儲資源。

在設(shè)計中，數(shù)據(jù)通過DSP實時傳送給FPGA，F(xiàn)PGA實時的接收波形數(shù)據(jù)存入內(nèi)部FIFO存儲器中。當FIFO數(shù)據(jù)讀出去，剩下一半FIFO存儲量的時候，F(xiàn)PGA給DSP發(fā)送一個數(shù)據(jù)請求信號，DSP收到后，再傳一半FIFO存儲量的數(shù)據(jù)給FPGA存儲下來。這樣，通過FPGA與DSP的握手通信、循環(huán)讀寫實現(xiàn)了對波形數(shù)據(jù)的實時傳送。如此可以發(fā)送任意長脈寬的波形數(shù)據(jù)，不受FPGA內(nèi)部存儲容量大小的限制。

1.2.2 FPGA對波形數(shù)據(jù)做粗時延

相控粗時延模塊一般基于采樣時鐘頻率，時延值是采樣頻率的整數(shù)倍。相控發(fā)射粗時延模塊主要包括：時延起始地址、內(nèi)部存儲器、地址計數(shù)器。在信號控制單元，粗時延值是由DSP計算好，存放在FPGA內(nèi)部RAM里的，同時在FPGA內(nèi)部，生成一個大于最大粗時延值的容量的波形RAM，把數(shù)據(jù)從FIFO取出存儲到內(nèi)部波形RAM，對RAM的讀寫，需采用循環(huán)讀寫的方式，讀寫時鐘都是波形數(shù)據(jù)的采樣時鐘頻率。由于不同通道不同波束的時延值都不一樣，若根據(jù)各個通道的粗時延值來產(chǎn)生RAM讀使能信號，則會耗費大量的比較器、計數(shù)器，若各通道并行讀取波形數(shù)據(jù)RAM，則會耗費大量的存儲資源。

在設(shè)計中，波形數(shù)據(jù)在RAM中存放是需要在RAM的起始地址里空出最大粗時延值的容量，用來存放全0值，采用的是串行的方式讀取多通道的波形數(shù)據(jù)的，同時做出相應(yīng)的粗時延。在每一個采樣時鐘周期內(nèi)，把各通道的當前波束的粗時延串行讀出，加上每個采樣時鐘周期的原始地址值，去讀取RAM里的數(shù)據(jù)，則可以串行讀出各個通道作粗時延后的波形數(shù)據(jù)。然后再對數(shù)據(jù)作串轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)換，這樣只需要一個波形RAM就可以實現(xiàn)多通道波形數(shù)據(jù)的粗時延，極大節(jié)省了FPGA的存儲資源。1.2.3 FPGA對波形數(shù)據(jù)做細時延

目前實現(xiàn)細時延的方法主要有：流水線式采樣延遲聚焦、采樣數(shù)據(jù)做時域內(nèi)插，當發(fā)多個波束掃描，每個波束的數(shù)據(jù)、時延均不相同時，這些方法一般都需要很高的運算量及存儲器的支持。

相控發(fā)射細時延模塊主要包括：細時延數(shù)據(jù)FIFO、每個通道時延起始使能信號、數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)串處理、各通道時鐘單獨處理模塊。在信號控制單元，細時延值是由DSP計算好，存放在FPGA內(nèi)部RAM里的，首先將已經(jīng)做粗時延的各通道的波形數(shù)據(jù)分別存放到內(nèi)部FIFO里，再將細時延值串行讀出，將細時延值對各通道做串轉(zhuǎn)并處理，再產(chǎn)生各通道的FIFO讀使能信號。

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

選取某設(shè)備信號控制單元，對信號源所發(fā)信號的相位、幅度、波束形成等進行測量，該信號源有64通道，可進行±45°掃描發(fā)射。圖3是測試32個通道在0°波束處的相位差圖。從圖可以看出，不同通道間的相位差都在0.3°之內(nèi)，從而實現(xiàn)了相位高精度可控。

圖3 32通道0°波束處的相位差

圖4是測試的CW單頻信號、CW調(diào)制信號及所作FFT波形圖。圖5是測試的LFM調(diào)制信號及所作FFT波形圖。由圖4、圖5可以看出，該信號可以發(fā)送任意頻率的CW和LFM單頻或調(diào)試信號。

圖6是測試的64個通道在-45°～+45°內(nèi)連續(xù)發(fā)送45個波束，做波束形成的測試圖。通過圖6可以看出該信號源可以對波束的相位進行高精度控制，可以同時發(fā)送多個波束，指向性良好。

圖4 CW單頻、調(diào)試信號及FFT

圖5 LFM調(diào)頻信號及FFT

圖6 64通道45個波束的波束形成

3 結(jié)束語

通用信號源不具備電子波束掃描的能力，相較于傳統(tǒng)的信號源，本文描述的信號源實現(xiàn)具有幅度、相位高精度可控、存儲資源耗費少、波束間信號相關(guān)性小的特點。湖海試驗中的實際測量證明這種方法是可行的，該信號源已在多個設(shè)備中得到應(yīng)用。

［1］田坦，劉國枝，孫大軍.聲納技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.

［2］李啟虎.聲納信號處理引論［M］.北京: 海洋出版社，2000: 313-317.