多通道相控PWM信號源的設(shè)計與應(yīng)用

文/單玉潔 李淑萍 張磊磊

多通道相控PWM信號源的設(shè)計與應(yīng)用

文/單玉潔 李淑萍 張磊磊

信號源是發(fā)射分機(jī)的重要組成部分，為發(fā)射機(jī)提供高精度幅度、相位可控、抗干擾能力強(qiáng)的信號，它的穩(wěn)定性和抗干擾性對整個發(fā)射分機(jī)至關(guān)重要。本文提出了一種多通道相控PWM信號源的設(shè)計方法，該信號源多通道可高精度相控、耗費(fèi)資源少、抗干擾能力強(qiáng)。在海試、湖試實際的測試結(jié)果表明，這種電路設(shè)計具有高精度、幅度相位可控、傳輸距離長及抗噪聲干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。

高精度 相控 PWM信號源

1 引言

相控信號源基于相位補(bǔ)償原理，采用精度高、控制方便的數(shù)字式發(fā)射延遲實現(xiàn)。PWM控制技術(shù)由于具有抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在機(jī)械控制中獲得廣泛的應(yīng)用。PWM控制的基本原理主要是依據(jù)采樣控制理論中的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWM的一個優(yōu)點(diǎn)是信號是數(shù)字形式的，可將噪聲影響降到最低，增強(qiáng)了噪聲抵抗能力，極大的延長通信距離。多通道相控PWM信號源可滿足幅度、相位高精度可控、存儲資源耗費(fèi)少、抗干擾能力強(qiáng)等要求。

2 工作原理

2.1 信號波形計算

信號源波形包括CW脈沖信號、雙曲調(diào)頻信號（HFM）和逆雙曲調(diào)頻信號（IHFM）三種信號，其脈寬為25ms、50ms、100ms和200ms。

2.1.1 CW脈沖信號

若CW脈沖信號脈寬為T，中心頻率為f0，本艦航速為v，發(fā)射方位為θ，則CW脈沖信號可表示為：

圖1：CW脈沖信號

2.1.2 調(diào)頻信號

調(diào)頻信號包括雙曲調(diào)頻信號和逆雙曲調(diào)頻信號，其中逆雙曲調(diào)頻信號的低頻對應(yīng)HFM的高頻，其高頻對應(yīng)HFM的低頻。若雙曲調(diào)頻信號的脈寬為T，帶寬為B，中心頻率為f0，則HFM信號可表示為：

式中，A是幅度，fl=f0-B/2，fh=f0+B/2，k=B/(Tfh)。 圖 2給 出 T=0.1s，B=500Hz，fs=150kHz，f0=1250Hz的雙曲調(diào)頻信號。

圖2：HFM信號

2.2 信號窗函數(shù)

信號源波形在延遲前通常需要對其進(jìn)行加窗處理，以提高主旁瓣比。若窗函數(shù)選擇漢寧窗，則可表示為：

式中，N為窗的長度，n=0,1,…,N-1。考慮到DSP計算量限制，DSP處理時并不是實時計算出每個脈沖寬度的對應(yīng)窗，而是根據(jù)脈沖寬度將窗分為T＜30ms，30ms≤T＜100ms和T≥100ms三個區(qū)間進(jìn)行處理，并預(yù)先計算每個窗區(qū)間的對應(yīng)窗值，因此DSP只需根據(jù)脈寬選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)窗。若脈寬T=0.1s，B=500Hz，fs=150kHz，f0=1250Hz， 窗 長 為2000，則加窗的CW脈沖信號和雙曲調(diào)頻信號分別如圖3和圖4所示。

圖3：加窗的CW脈沖信號

圖4：加窗的HFM信號

2.3 信號時延

假設(shè)主被動信號源的平面陣垂直放置xoz平面，它由3×48個陣元組成，在x軸上有48個陣元，相鄰間距為d，在z軸上有3個陣元，其中每個陣元由相鄰兩個陣元構(gòu)成，其等效陣元間距為4d。若以平面陣的左上角的陣元為參考點(diǎn)，信號入射到第k個陣元上，相對于參考陣元的時延為：

式中，c為聲速，θ為信號入射方位角，表示與x軸的夾角，φ為俯仰角，表示與z軸的夾角，(xk,zk)為平面陣的每個陣元在xoz平面的坐標(biāo)。與常規(guī)的平面陣不同的是主被動平面陣的陣元采用相互交錯的布陣方式，因此每個陣元時延需根據(jù)平面陣在水面艦艇的安裝位置來確定。若以本艦航行方向為x軸，以垂直本艦指向水面為z軸，則平面陣奇數(shù)列的時延為：

平面陣偶數(shù)列的時延為：

若發(fā)射信號為CW脈沖信號，陣元間距d=0.06m，方位角θ=60°，俯仰角φ=0°，沿著x軸取平面陣的某一行來分析各通道間的時延關(guān)系。圖5給出了5個通道對應(yīng)的延時信號。

圖5：經(jīng)過延時的通道信號

2.4 PWM信號設(shè)計

脈寬寬度調(diào)制式（PWM）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。

在信號源設(shè)計中，F(xiàn)PGA接收來自DSP算好的波形數(shù)據(jù)，存儲到SRAM里，按時延讀出各通道的波形數(shù)據(jù)，并輸出PWM波形。

3 設(shè)計實現(xiàn)

信號源的作用有：一是與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)的發(fā)射方式命令并將發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)報告上位機(jī)；二是根據(jù)按照要求產(chǎn)生多路信號給功放模塊。

發(fā)射機(jī)工作時受上位機(jī)控制，設(shè)置信號類型、脈沖寬度、脈沖周期、波束角度等參數(shù)，信號源接收到這些命令后，DSP計算信號波形，將波形數(shù)據(jù)、時延數(shù)據(jù)傳送給FPGA，由FPGA產(chǎn)生PWM信號，并發(fā)給各路發(fā)射機(jī)。同時監(jiān)測發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)，在發(fā)生故障時也將故障代碼送至上位機(jī)，以便知道發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)。信號源系統(tǒng)核心為FPGA芯片，通過串口接收上位機(jī)工作參數(shù)與波形數(shù)據(jù)、時延數(shù)據(jù)等。DSP負(fù)責(zé)控制命令的解釋，信號的生成、傳輸。FPGA接收DSP輸出的信號數(shù)據(jù)，根據(jù)各通道延遲數(shù)據(jù)，產(chǎn)生各個通道的PWM信號，如圖6所示。

圖6：信號源DSP處理流程圖

FPGA接收DSP送出的波形數(shù)據(jù)，產(chǎn)生PA、PB信號，根據(jù)延遲信息，送出通道數(shù)據(jù)，相移精度為75MHz。其內(nèi)部邏輯框圖見下圖7。

圖7：FPGA內(nèi)部邏輯框圖

由外部同步，F(xiàn)PGA根據(jù)各通道延遲參數(shù)對基本波形數(shù)據(jù)精確延時輸出，以PWM形式形成波束。

FPGA與DSP接口為存儲器方式，與DSP連線為三總線方式，并包括給DSP的中斷INT，F(xiàn)PGA的使能CTL。這里INT為數(shù)據(jù)請求中斷。在FPGA接到CTL后，根據(jù)參數(shù)設(shè)置初始化配置FPGA。當(dāng)CTL有效時，在FPGA接到同步之后，F(xiàn)IFO中數(shù)據(jù)存儲量少于512時則置INT一次有效。

4 結(jié)語

本文描述信號源具有幅度、相位高精度可控、存儲資源耗費(fèi)少、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該信號源已在多個設(shè)備中得到了應(yīng)用，通過在湖試、海試中實際測量，證明這種設(shè)計滿足設(shè)備技術(shù)需求。

[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,2011.

[2]李啟虎.聲納信號處理引論[M].北京：海洋出版社,2000(03):13-317.

[3]徐哲,魏民祥.一種實用的變占空比PWM信號Simulink實現(xiàn)方法[J].制造業(yè)自動化,2014.

[4]單玉潔,李淑萍.一種基于FPGA的高精度相控信號源的實現(xiàn)方法[J].聲學(xué)與電子工程[M].CN33-1099/TN.

作者工作單位上海船舶電子設(shè)備研究所 上海市 201108