非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

劉曉杰，宋占偉，張 旻

（1.江蘇技術(shù)師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，江蘇常州213001；2.吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春131012；3.江蘇技術(shù)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇常州213001）

非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

劉曉杰1，宋占偉2，張 旻3

（1.江蘇技術(shù)師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，江蘇常州213001；2.吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春131012；3.江蘇技術(shù)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇常州213001）

根據(jù)非線性半導(dǎo)體PN結(jié)再輻射特性，設(shè)計(jì)了一種基于二次諧波接收的非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)裝置使信號(hào)檢測(cè)具有足夠大的增益，并能較好地完成非線性節(jié)點(diǎn)的探測(cè)。

諧波雷達(dá)；非線性節(jié)點(diǎn)；探測(cè)系統(tǒng)；信號(hào)檢測(cè)；硬件設(shè)計(jì)

1 引言

諧波雷達(dá)探測(cè)是采用高頻電磁波輻射目標(biāo)體，同步接收目標(biāo)的散射與反射回來的電磁波，利用各物質(zhì)間的介電常數(shù)差異性，通過分析接收到的信號(hào)來獲知目標(biāo)的類型、性質(zhì)等特征信息。與一般探測(cè)技術(shù)相比，諧波雷達(dá)能為非線性節(jié)點(diǎn)的探測(cè)提供更多的信息，以增加其識(shí)別率。

非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)能主動(dòng)探測(cè)出被埋藏或隱藏在建筑物、墻體、家具、裝飾品或其它物體中的電子類引爆器、竊聽器和其它危險(xiǎn)的電子裝置，通過接收發(fā)射波的散射或反射的高次諧波分量，以及檢測(cè)接收諧波分量來分析危險(xiǎn)電起爆裝置半導(dǎo)體物體的存在與否，無論該裝置是否開啟。與常規(guī)雷達(dá)探測(cè)機(jī)理區(qū)別在于它是接收由目標(biāo)產(chǎn)生的反射高次諧波，而一般自然物并不產(chǎn)生反射諧波，因此諧波雷達(dá)探測(cè)對(duì)抗自然物等背景干擾具有明顯的優(yōu)勢(shì)，從而使非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)得到了安全、機(jī)要等相關(guān)部門的關(guān)注和重視［1］。但由于諧波雷達(dá)探測(cè)的高靈敏性，易受噪聲影響，且需保證探測(cè)系統(tǒng)信號(hào)實(shí)時(shí)性，故信號(hào)處理成為諧波探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

2 非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)原理

非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)主要用于探測(cè)目標(biāo)物體中是否攜帶或含有非線性半導(dǎo)體元件。該探測(cè)系統(tǒng)的基本原理是，探測(cè)系統(tǒng)主動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制的小功率信號(hào)高頻電磁波發(fā)射，去激發(fā)探測(cè)目標(biāo)物體中的半導(dǎo)體元件或裝置，當(dāng)探測(cè)目標(biāo)物體中含有非線性半導(dǎo)體元件或電子裝置時(shí)，利用半導(dǎo)體PN結(jié)的非線性電特性，即當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)受到電磁波輻射激發(fā)時(shí)，會(huì)向外散射出入射波的高次諧波［2］，通過系統(tǒng)對(duì)反射或散射的高次諧波分析，來判斷探測(cè)目標(biāo)物體中是否攜帶有非線性半導(dǎo)體器件。

典型非線性半導(dǎo)體PN結(jié)點(diǎn)的伏安特性表達(dá)式為

式中，I是信號(hào)電流，Is是反向飽和電流，q是電子電量，V是電壓，K是波爾茲曼常數(shù)，T代表熱力學(xué)溫度。

由式（1）可知道，非線性半導(dǎo)體PN結(jié)點(diǎn)的伏安特性是一條非對(duì)稱的曲線，但其曲線形狀與金屬結(jié)特性曲線不同，因此可將式（1）改寫為

由電磁感應(yīng)原理可知，在高頻電磁波場(chǎng)功率較小時(shí)，當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)點(diǎn)受到一定頻率的電磁波照射時(shí)，非線性半導(dǎo)體PN結(jié)點(diǎn)的兩端可產(chǎn)生感應(yīng)電壓V（f），進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)感應(yīng)的二次諧波誘導(dǎo)電流I（2f），由于輸出阻抗的存在，I（2f）在節(jié)點(diǎn)兩端便產(chǎn)生出二次諧波散射電壓V（2f），向空間再輻射高次諧波，所產(chǎn)生的再輻射場(chǎng)二次諧波分量的幅度將大于三次及以上諧波分量的幅度。而對(duì)于金屬結(jié)的情況下，它受到入射高頻電磁波場(chǎng)輻射后，所產(chǎn)生的金屬結(jié)再輻射的二次諧波分量的幅度將小于三次諧波分量的幅度，這正好與PN結(jié)的非線性再輻射特征相反。因此，在小功率高頻電磁波輻射的情況下，兩種結(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出不同的特征，可以用它來區(qū)分這兩類結(jié)點(diǎn)，因此利用該半導(dǎo)體PN結(jié)的非線性再輻射特征［3］，作為探測(cè)領(lǐng)域中檢測(cè)電子產(chǎn)品的一個(gè)主要判斷指標(biāo)。

3 非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)基于非線性PN結(jié)的探測(cè)技術(shù)方案，就必須對(duì)PN結(jié)的非線性反射電磁波的特性進(jìn)行深入細(xì)致的研究，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立模型，摸索規(guī)律。需要解決的問題包括特定探測(cè)信號(hào)的發(fā)射和接收、信號(hào)特征分析、真?zhèn)蜳N結(jié)的判斷和識(shí)別等。通過對(duì)非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)原理的分析，依據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)的非線性再輻射特征，設(shè)計(jì)出了非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)主要由DDS產(chǎn)生250 kHz的基帶源信號(hào)，將該基帶源信號(hào)與頻率合成器鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）產(chǎn)生的900 MHz載波信號(hào)進(jìn)行混頻調(diào)制，再經(jīng)射頻功率放大器放大后，通過發(fā)射天線發(fā)射出頻率為900 MHz±250 kHz的探測(cè)信號(hào)，去激發(fā)非線性電子元件節(jié)點(diǎn)。探測(cè)系統(tǒng)再通過接收天線在接收端將接收到的再輻射信號(hào)，經(jīng)前置濾波放大器后送至二倍頻混頻器解調(diào)，與本振產(chǎn)生的二倍頻載波信號(hào)1 800 MHz進(jìn)行混頻，解調(diào)得到基帶信號(hào)作用于PN結(jié)再輻射的二次諧波，將該基帶二次諧波信號(hào)送入基帶處理板FPGA［4］中進(jìn)行處理和判斷，并通過基帶處理板FPGA的通信接口將探測(cè)判斷結(jié)果發(fā)送至PC或其它設(shè)備顯示。

非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)器系統(tǒng)主要用于探測(cè)目標(biāo)物體中是否攜帶非線性器件，主要用于探測(cè)非線性節(jié)點(diǎn)器件。非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)就是研究如何從探測(cè)的反饋信號(hào)中準(zhǔn)確獲得基帶二次諧波信號(hào)，也就是對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，信號(hào)檢測(cè)算法與裝置成為該非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)的核心部件，F(xiàn)FT算法則是這一部件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

4 基于VHDL語言的FFT的實(shí)現(xiàn)

基于VHDL的語言可以利用FPGA實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換（FFT），以達(dá)到其系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求［5］。FFT的實(shí)現(xiàn)方法有多種，不僅在硬件有很多的可選方案，而且軟件算法也有很多方案。該系統(tǒng)具體技術(shù)指標(biāo)是數(shù)據(jù)量大于5 000的浮點(diǎn)數(shù)變換時(shí)間要求小于1 ms，綜合考慮算法實(shí)現(xiàn)的難易程度和硬件資源的利用，本文選擇在FPGA的硬件平臺(tái)上，應(yīng)用VHDL語言編程，采用按時(shí)間抽取的基二算法來實(shí)現(xiàn)FFT算法。根據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求，選用1 024點(diǎn)的DIT算法定點(diǎn)FFT運(yùn)算，它與DIF算法原理上稍微有點(diǎn)差別，但就其在FPGA上實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)性能是沒有差異的［6］。整個(gè)系統(tǒng)FFT算法設(shè)計(jì)流程圖及FPGA系統(tǒng)的算法模塊設(shè)計(jì)如圖2和圖3所示，包括碟形運(yùn)算單元、兩個(gè)用于存儲(chǔ)實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)的RAM、兩個(gè)用于存儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)因子的ROM、地址產(chǎn)生單元、時(shí)序控制單元、溢出控制單元、總線數(shù)據(jù)選擇單元、PLL、倍頻分頻單元、輸出單元等。因?yàn)橄到y(tǒng)AD采樣精度確定選用為12位的，而AD與FFT運(yùn)算單元之間的接口是FIFO的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，12位的FIFO和18位的FIFO所占用FPGA的硬件資源是一樣的，所以為了充分利用FPGA的硬件資源，本文所有碟形運(yùn)算單元、存儲(chǔ)單元都采用18位的運(yùn)算結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)各單元簡(jiǎn)述如下。

（1）系統(tǒng)的輸入信號(hào)是由12位的AD采樣器采樣模擬信號(hào)得來，將12位無符號(hào)數(shù)據(jù)處理成18位有符號(hào)的數(shù)據(jù)存入到FIFO中。

（2）FIFO單元存儲(chǔ)初始化碟形運(yùn)算單元中的RAM，之所以選擇FIFO的原因是其對(duì)外的接口很簡(jiǎn)單，且其所占用資源較少。與AD的接口有4個(gè)，分別為18位的輸入數(shù)據(jù)、寫使能、寫時(shí)鐘（此時(shí)鐘應(yīng)該和AD的采樣時(shí)鐘一樣）、寫滿信號(hào)。當(dāng)寫滿信號(hào)無效時(shí)，AD就可以不斷地向FIFO寫數(shù)據(jù)。而與FFT的計(jì)算單元之間的接口信號(hào)有讀使能、讀時(shí)鐘、18位數(shù)據(jù)輸出、空信號(hào)4個(gè)。當(dāng)FIFO空信號(hào)無效時(shí)，并且前一次運(yùn)行的FFT已結(jié)束，就可以重新初始化RAM進(jìn)行下一次的FFT運(yùn)算。

（3）蝶形運(yùn)算單元完成一個(gè)數(shù)據(jù)與旋轉(zhuǎn)因子的復(fù)數(shù)乘法和兩個(gè)復(fù)數(shù)的相加。本設(shè)計(jì)中只采用了一個(gè)蝶形運(yùn)算單元。

（4）地址產(chǎn)生單元，產(chǎn)生運(yùn)算過程中所需的RAM的讀、寫地址，雙口RAM的寫地址。

（5）RAM用于存儲(chǔ)計(jì)算過程中蝶形單元的寫回?cái)?shù)據(jù)。

（6）雙口RAM用于存儲(chǔ)FFT最后輸出的實(shí)部與虛部的平方和的結(jié)果。

（7）時(shí)序控制單元完成對(duì)各個(gè)模塊的時(shí)序控制。

5 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)的FPGA核心算法FFT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性測(cè)試，利用DDS函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)峰-峰值為7 mV、頻率為2 MHz的單頻正弦信號(hào)，將其輸入到FPGA系統(tǒng)板中，經(jīng)過放大后，峰-峰值達(dá)到928 mV，經(jīng)采樣率為10 MHz的AD采樣器采樣，后經(jīng)FPGA系統(tǒng)內(nèi)FFT處理單元進(jìn)行變換。將實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)頻率按式（3）進(jìn)行處理：

式中，f0為信號(hào)的頻率，fs為采樣頻率。

因此，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為2 MHz、峰-峰值為7 mV時(shí)，信號(hào)的頻譜峰值應(yīng)該出現(xiàn)在205處，如圖4所示；當(dāng)輸入信號(hào)頻率為2 MHz、峰-峰值為3 mV的信號(hào)時(shí)的頻譜圖如圖5所示。

利用該非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)探測(cè)端發(fā)射出900 MHz±250 kHz頻率的探測(cè)信號(hào)。當(dāng)探測(cè)接收端不存在有非線性器件節(jié)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)所截獲反射信號(hào)得到的頻譜圖如圖6所示；當(dāng)探測(cè)接收端存在非線性器件節(jié)點(diǎn)時(shí)，所獲得的頻譜圖如圖7所示。由圖7可知，由頻率為250 kHz的基帶信號(hào)，經(jīng)非線性元件PN結(jié)節(jié)點(diǎn)的再輻射的基波二次諧波頻率為500 kHz，該二次諧波信號(hào)（頻率為500 kHz）經(jīng)過10 MHz采樣率的AD轉(zhuǎn)換器，其峰值位置按式（3）計(jì)算，應(yīng)該出現(xiàn)在1 024點(diǎn)FFT的頻譜圖中52處。

系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，探測(cè)系統(tǒng)發(fā)射高頻調(diào)制信號(hào)波，通過系統(tǒng)接收的反射信號(hào)頻譜特征可以獲知在探測(cè)端是否存在有非線性元件節(jié)點(diǎn)；同時(shí)也表明該系統(tǒng)具有良好的目標(biāo)識(shí)別性和較強(qiáng)的抗背景干擾能力，能較好地完成非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)任務(wù)。

6 結(jié)論

非線性節(jié)點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)的FPGA算法設(shè)計(jì)是在ALTER公司Quartus II環(huán)境下進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的，利用FPGA對(duì)DIT算法定點(diǎn)FFT運(yùn)算的模塊化可編程設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)軟件化，從而縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，降低了系統(tǒng)成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性與靈活性。

［1］任全駿，趙渠華，周學(xué)松.電子裝置探測(cè)器［C］／／軍事微波技術(shù)第一屆全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：北京理工大學(xué)，1996：34-37.

REN Quan-jun，ZHAO Qu-hua，ZHOU Xue-song. Electronic Equipment Detector［C］／／Proceedings of the 1st Conference on Military Microwave Technology.Beijing：Beijing Institute of Technology，1996：34-37.（in Chinese）

［2］丁宏慶，黎濱洪，周學(xué)松.微波照射金屬結(jié)時(shí)再輻射的特性及其與PN結(jié)的區(qū)別［J］.電子學(xué)報(bào)，2000，28（2）：55-58.

DING Hong-qing，LI Bin-hong，ZHOU Xue-song.Re -radiation Characteristics of Metal-oxide-metal Junction Excited by Incident Microwave and Its Difference From PN Junction［J］.Chinese Journal of Electronics，2000，28（2）：55-58.（in Chinese）

［3］ Arazm F，Benson F A.Nonlinearity in Metal Contacts at Microwave Frequency［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1984，22（3）：142-149.（in Chinese）

［4］褚振勇.FPGA設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

CHU Zhen-yong.Design and Application of FPGA［M］. 2nd ed.Xi′an：Xidian University Press，2006.（in Chinese）

［5］黃曉卿.基于FPGA的二次雷達(dá)多目標(biāo)應(yīng)答信號(hào)處理［J］.電訊技術(shù)，2009，49（2）：73-76.

HUANG Xiao-qing.Secondary Surveillance Radar Multi-targets Responsive Signal Processing Based on FPGA［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（2）：73-76.（in Chinese）

［6］劉曉明，孫學(xué).基于FPGA的可擴(kuò)展高速FFT處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電訊技術(shù)，2005，45（4）：147-151.

LIU Xiao-ming，SUN Xue.Design and Implementation of a Scalable and High-speed FFT Processor Based on FPGA［J］.Telecommunication Engineering，2005，45（4）：147-151.（in Chinese）

LIU Xiao-jie was born in Gejiu，Yunnan Province，in 1978. He received the Ph.D.degree from Jilin University in 2009.He is now a lecturer at Jiangsu Teachers University of Technology.His research interests include signal＆information processing and embedded system applications.

Email：liuxiaojie1978＠gmail.com

宋占偉（1962—），男，吉林長(zhǎng)春人，1998年于吉林工業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為吉林大學(xué)教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理、非線性系統(tǒng)控制、混沌的控制與同步；

SONG Zhan-wei was born in Changchun，Jilin Province，in 1962.He received the Ph.D.degree from Jilin University of Technology in 1998.He is now a professor and also the instructor of graduate students.His research interests include signal＆information processing，nonlinear control systems，control and synchronization of chaos.

Email：songzw＠jlu.edu.cn

張旻（1977—），女，吉林省吉林市人，2006年于東北師范大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為江蘇技術(shù)師范學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)應(yīng)用。

ZHANG Min was born in Jilin City，Jilin Province，in 1977. She received the M.S.degree from Northeast Normal University in 2006.She is now a lecturer.Her research concerns the information technology application.

Email：zhangmin＠jstu.edu.cn

Design and Implementation of Nonlinear Node Detection System Based on FPGA

LIU Xiao-jie1，SONG Zhan-wei2，ZHANG Min3
（1.College of Electric Information Engineering，Jiangsu Teachers University of Technology，Changzhou 213001，China；2.College of Electronic Science and Engineering，Jilin University，Changchun 131012，China；3.College of Computer Engineering，Jiangsu Teachers University of Technology，Changzhou 213001，China）

According to the nonlinear re-radiation characteristic of semiconductor PN node，the nonlinear node detection system for semiconductor junction targets based on second harmonic reception is designed.System simulation and experiment results show that the system can detect well the node of nonlinear component with gain high enough for signal detection.

harmonic radar；nonlinear node；detection system；signal detection；hardware design

The National High-tech R＆D Program of China（863 Program）（2009AA11Z210）；The Key Technology R＆D Program of Jilin Province Research Project（20100314）；Doctor Start-up Fund Research Project of the University（KYY09008）

TN952

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.008

劉曉杰（1978—），男，云南個(gè)舊人，2009年于吉林大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為江蘇技術(shù)師范學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用；

1001-893X（2011）05-0037-05

2011-01-10；

2011-03-22

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2009AA11Z210）；吉林省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目（20100314）；校博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（KYY09008）