通用任意波形產(chǎn)生模塊設(shè)計

林沂杰，梁 晶，張坤峰

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州225101）

0 引 言

隨著雷達(dá)技術(shù)和電子對抗技術(shù)的發(fā)展，目前雷達(dá)信號仿真對信號的頻率、脈寬、功率、調(diào)制的控制要求越來越靈活，要求多個參數(shù)可以任意組合，對仿真的復(fù)雜度和仿真可信度提出了更高的要求。雷達(dá)信號半實物仿真，其實質(zhì)就是通過任意波形產(chǎn)生器在適當(dāng)?shù)臅r域、頻域、空域產(chǎn)生被試裝備所需要的信號，對被試裝備的技戰(zhàn)指標(biāo)進行檢驗、測試、評估。［1］

盡管成熟的商用任意波形產(chǎn)生器有其靈活的波形產(chǎn)生能力，但由于參數(shù)編輯復(fù)雜，波形文件過大，置頻時間長，不能滿足高密度仿真、多信號、復(fù)雜電磁環(huán)境半實物仿真的要求。

隨著雷達(dá)信號仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真信號波形產(chǎn)生器具備了一定的任意波形產(chǎn)生功能，但大多功能比較單一，結(jié)構(gòu)形式多樣，接口繁多，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。通用雷達(dá)仿真基帶任意波形產(chǎn)生模塊就是專門針對雷達(dá)信號仿真的特點，如切換時間快、脈沖沿陡、波形調(diào)制復(fù)雜而設(shè)計的通用化模塊。

1 技術(shù)設(shè)計

通用雷達(dá)仿真基帶任意波形產(chǎn)生模塊將外圍總線接口電路、基帶波形編輯產(chǎn)生電路、時鐘產(chǎn)生電路、開關(guān)濾波組件、放大濾波組件、電源等集成在一個3U殼體內(nèi)。模塊和主機之間通過總線通信，與外圍系統(tǒng)通過自定義總線進行系統(tǒng)擴展，所有功能電路、組件相對獨立，可以通過更換不同的電路或組件提升系統(tǒng)性能。模塊框圖見圖1。

（1）基帶波形編輯產(chǎn)生電路由一個FPGA與兩片DAC組成。在FPGA上通過編程的方式完成所有基帶數(shù)字信號的產(chǎn)生，通過DAC以及后端開關(guān)濾波組件產(chǎn)生各種所需要的波形，外部接口通過高速接插件和其他組件相連。電路框圖見圖2，虛框部分表示可擴展功能單元。

圖1 模塊設(shè)計框圖

圖2 基帶波形編輯產(chǎn)生電路圖

在本設(shè)計中要求2.4 GHz采樣率的DAC輸出0.1～1.1 GHz／1.3～2.3 GHz 的基帶射頻信號。 根據(jù)采樣定理，信號基于每一采樣域無限被復(fù)制。在理論上，2.4 GHz采樣率取第2采樣域的信號即可，DAC實際輸出1.3～2.3 GHz的基帶信號。但是如果不經(jīng)過特殊處理，信號在高采樣域功率和頻譜質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際要求。在變換采樣率的情況下，可以改善各個采樣域頻譜分量結(jié)構(gòu)。對于要求在第1、第2采樣域有較好的帶內(nèi)平坦度，可以使用“歸零”插值，此時采樣率提高1倍，但信號在整個采樣域內(nèi)的功率下降。要求是盡可能提高第2、第3、第4采樣域信號的功率，而抑制第1采樣率信號的功率，可以使用反向插值或混合插值的方式。反向插值也叫混頻插值，其本質(zhì)就是在采樣率提高1倍的情況下將和信號值相反的值插入序列中。這樣插入的序列和原始序列頻率是一致的，但頻譜分量在采樣域的分布是不一樣的。插值后的序列信號功率在第2、第3采樣域功率較高，尤其在第2采樣域功率達(dá)到最大。［2?3］

盡管反向插值在第3采樣域信號功率有明顯提高，但相對于第2采樣域仍有不足。若要求提高更高采樣域的信號功率，可以采用混合插值方式?；旌喜逯狄步猩漕l插值，其本質(zhì)是將原序列某一采樣點持續(xù)的時間分成多段（一般受DAC帶寬的限制，分成3段），第1段為原序列的值，第2段反向插值，第3段歸零插值，實現(xiàn)信號的頻譜分量盡可能落在高采樣域，可以控制每一段的時間改變每一采樣域的頻譜分量結(jié)構(gòu)。 要實現(xiàn) 2.4 GHz采樣率的 DAC 輸出 1.3～2.3 GHz的基帶信號，實際上就是在100 MHz～1.1 GHz信號序列的基礎(chǔ)上進行混合插值，改變采樣率，提高第3采樣域的信號，抑制其他采樣域的信號。

任意波形發(fā)生器其核心要求波形任意可編程，具體表現(xiàn)在頻率調(diào)制、相位調(diào)制、幅度調(diào)制、脈沖沿形狀調(diào)制等方面，而用于仿真的任意波形發(fā)生器主要體現(xiàn)在頻率調(diào)制、相位調(diào)制、以及部分幅度調(diào)制。當(dāng)然在要求苛刻的場合要求脈沖沿形狀調(diào)制，由于脈沖沿形狀的調(diào)制還需采用額外的硬件和采用特殊的方式，在此不作進一步分析和敘述。

無論是頻率調(diào)制、相位調(diào)制、幅度調(diào)制都是信號基于時間的函數(shù)。在一個調(diào)制周期內(nèi)，可以取1 000個點，即每種調(diào)制樣式離散成一個1 000點的序列，預(yù)先通過加載的方式加載到FPGA的內(nèi)存中，根據(jù)不同的調(diào)制周期控制每一點持續(xù)的時間，即可獲得所期望的波形。所以，波形的設(shè)計都是基于自定義方式的。

（2）時鐘產(chǎn)生電路主要由晶振、開關(guān)、功分器、放大器和諧波發(fā)生器等組成，其電路原理框圖如圖3所示，其主要功能為DDS及信號控制模塊提供時鐘信號和本振信號。

時鐘產(chǎn)生電路信號產(chǎn)生過程：對外部時鐘或內(nèi)部晶振放大功分3路，第1路取其諧波信號200 MHz，再經(jīng)放大器和諧波發(fā)生器產(chǎn)生2.4和3.2 GHz本振信號；第2路取100 MHz，為系統(tǒng)提供參考信號；在設(shè)計過程中考慮到其他本振信號的使用，第3路為預(yù)留通道，方便以后擴展，見圖3中虛線部分。

（3）開關(guān)濾波組件主要由開關(guān)、放大器和帶通濾波器等組成，其原理框圖如圖4所示，其主要功能為DDS及信號控制模塊產(chǎn)生的基帶射頻信號2～3 GHz或 1.3～2.3 GHz進行濾波。

基帶射頻信號 1.3～2.3 GHz 即是 2.4 GHz 采樣率，基帶信號100～1 100 MHz取第3采樣域的信號。在此過程中也會產(chǎn)生第2采樣域的信號1.3～2.3 GHz和第4采樣域的信號 2.5～3.5 GHz。 因此，先經(jīng)帶通濾波器進行濾波。為了滿足調(diào)頻帶寬50 MHz要求，這里選取 1.275～2.325 GHz帶通濾波器。

基帶射頻信號2～3 GHz濾波器組選取可參考1.3～2.3 GHz基帶射頻信號。

圖3 時鐘產(chǎn)生電路原理框圖

圖4 開關(guān)濾波組件原理框圖

（4）放大濾波組件主要由放大器、低通濾波器和開關(guān)等組成，其原理框圖如圖5所示，其主要功能為開關(guān)濾波組件輸出的信號進行放大濾波。

圖5 放大濾波組件原理框圖

對開關(guān)濾波組件輸出信號先進行放大，彌補后端低通濾波器和開關(guān)插損，再利用低通濾波器對放大信號諧波進行濾除，即可確保輸出信號滿足指標(biāo)要求。

（5）外圍總線接口電路主要負(fù)責(zé)與外部通信，通過接插件和基帶波形編輯產(chǎn)生電路互聯(lián)。

2 測試結(jié)果

圖6～8給出了頻譜儀測出的雷達(dá)仿真基帶任意波形產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相信號。從圖中可看出，產(chǎn)生的信號是理想可用的，達(dá)到了設(shè)計要求。圖6中，橫軸為1.36 GHz的掃頻帶寬，縱軸為每格10 dBm的幅度。圖7中，橫軸為1.02 GHz的掃頻帶寬，縱軸為每格10 dBm的幅度。圖8中，橫軸為10 MHz的掃頻帶寬，縱軸為每格10 dBm的幅度。

圖6 帶寬1 GHz、調(diào)幅深度40 dBc的調(diào)頻加調(diào)幅信號

圖7 帶寬1 GHz的線性調(diào)頻信號

圖8 7位巴克碼調(diào)相信號

3 結(jié)束語

本文采用通用雷達(dá)仿真基帶任意波形產(chǎn)生模塊，利用其強大的軟件編輯和系統(tǒng)升級功能，實現(xiàn)在一個基帶內(nèi)的頻率、脈寬、功率、調(diào)制等任意可編程，參數(shù)切換時間優(yōu)于商用任意波形發(fā)生器、形成標(biāo)準(zhǔn)模塊。該模塊應(yīng)用于雷達(dá)信號仿真，可以適應(yīng)大多數(shù)雷達(dá)信號仿真的需求，并可以逐步推廣到其他領(lǐng)域。