基于ＦＰＧＡ的ＵＷＢ雷达信号模拟器制造技术

本实用新型专利技术一种基于ＦＰＧＡ的ＵＷＢ雷达信号模拟器，包括：ＰＣ１０４接口模块、ＲＡＭ模块、ＦＰＧＡ模块和高速ＤＡＣ模块；ＰＣ１０４接口模块完成与ＰＣ１０４形式的主机通过ＰＣＩ协议完成数据传输；ＲＡＭ模块采用６片３２位宽的ＺＢＴ－ＳＲＡＭ作为数据缓存；ＦＰＧＡ模块采用Ｘｉｌｉｎｘ公司推出的Ｖｉｒｔｅｘ－４系列产品ＸＣ４ＶＬＸ４０，包括：ＰＣＩ接口控制模块、ＲＡＭ控制模块、高速ＤＡＣ控制模块、雷达波形控制模块；高速ＤＡＣ模块选择ＡＤＩ公司的ＡＤ９７３６；上述各模块之间通过ＦＰＧＡ模块内部的控制模块实现彼此间的连接，ＰＣ１０４接口控制模块完成ＦＰＧＡ模块与ＰＣ１０４接口模块的对接，控制上位机产生的数据由ＰＣ１０４接口模块传输到ＦＰＧＡ模块内部；ＲＡＭ控制模块完成ＦＰＧＡ模块与ＲＡＭ模块的对接，实现了数据在ＦＰＧＡ与ＺＢＴ－ＳＲＡＭ之间的传输；高速ＤＡＣ控制模块完成ＦＰＧＡ模块与高速ＤＡＣ模块的对接，控制高速ＤＡＣ模块产生各种雷达波形。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于FPGA(现场可编程门阵列)的UWB(超宽带)雷达信号 模拟器，通过FPGA控制高速DAC(数模转换器)产生各种UWB模拟信号，可用于通信、雷达 等信息传输与探测，属于信息
(二)
技术介绍
根据奈奎斯特采样定律，UWB信号可携带更多的信息，因而在通信、雷达等领域得 到广泛的应用。UWB信号主要分为窄脉冲信号和宽脉冲调制UffB信号。前者脉冲宽度窄发 射和接收较为困难。后者与传统调制信号形式相似，具有较高的平均功率，作用距离远，因 而应用广泛。例如，美国的WIMIDEA通信系统采用500MHz带宽的宽脉冲调制UWB信号；美 国最先进的GBR(地基雷达)同样采用宽脉冲调制信号UWB信号，其带宽为lGHz。 模拟和数字的方法均可产生模拟信号。传统的模拟信号产生方法利用VCO(压控 振荡器)等模拟器件完成信号产生。数字产生方法利用DAC将数字序列转换为模拟信号， 从而完成模拟信号的生成。与模拟信号产生方法比较而言，数字产生方法具有信号幅度、相 位易于控制等优点，因而得到广泛应用。数字产生波形的方式主要有直接数字频率合成法 (DDFS)和直接数字波形合成法(DDWS)两种。 DDFS通过相位累加、幅度查表计算每个采样时刻波形的数值，然后经过DAC转换 成模拟信号。DDFS的工作实质是以参考时钟频率对相位进行可控间隔计算，完成采样值的 模拟重构。 DDWS根据信号形式预先计算各点采样值，按顺序存放于高速存储器中，产生信号时通过采样时钟产生的地址，依次读出各点的采样值，通过DAC转换成模拟信号。DDWS以参考时钟频率产生波形存储地址，直接读取波形数据完成采样值的模拟重构。 从具体实现所需的器件来看，两者都需要高速器件产生UWB信号。DDFS —般使用专门用于产生LFM信号的DDS器件，产生信号的形式单一，产生信号的频率也无法随意变化，对器件的依赖性也更强。相比而言，DDWS法可产生任何频率、任何形式的波形，实现对信号参数的控制及对波形数据的随意修改，方便进行预失真补偿。 脉冲串形式的PD(脉冲多普勒)雷达，可同时得到目标的距离、速度和角度信息，因此大部分雷达采用PD工作模式。而PD雷达信号多种多样，包括相参脉冲串、非相参脉冲串；脉冲内调制单频信号、脉冲内调制LFM(线性调频)信号、脉冲内调制相位编码信号；脉冲重复周期滑动、脉冲重复周期抖动、脉冲宽度滑动、脉冲宽度抖动等。 高精度的雷达系统需要产生的雷达信号具有高精度的频率、相位、幅度稳定性，同时需要信号变换时的快速灵活性。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于FPGA的UWB雷达信号模拟器，以解决UWB雷 达信号产生需要解决信号参数稳定性，及波形快速切换等问题。3 本技术提出一种基于FPGA的UWB雷达信号模拟器，主要包括PC104(PCI)接 口模块、RAM模块、FPGA模块和高速DAC模块等部分组成。 PC104(PCI)接口模块本技术提供一个PC104(PCI)的主机接口，完成与 PC104形式的主机通过PCI协议完成数据传输。PC104接口模块采用PCI9054芯片，PCI9054 是一个32位33M总线主控I/O加速器，完全支持PCI2. 2规范，最高可达132MB/s的突发传 输速度。PCI9054采用了 PLX公司先进的数据流水线架构(Data pipe architecture)，支 持三种操作模式，M模式，C模式，J模式，其中J模式是本地总线的数据线与地址线复用模 式，也是本文设计中所采用的模式。 RAM模块本技术采用6片32位宽的ZBT-SRAM作为数据缓存，实现100%的 总线利用率，最高工作频率为200MHz。每3个存储器一组，由两个独立的控制器控制，两组 既可乒乓工作，也可同时工作。每个控制器的最高数据带宽为12W600Mbps，可满足当前大 多数采样率DAC的数据率要求。 FPGA模块本技术的FPGA采用Xi 1 inx公司推出的Virtex-4系列产品 XC4VLX40。该FPGA内部具有丰富的资源，包括8个数字时钟管理器(DCM) 、288Kbits的分布 RAM、64X 16kByte的Block RAM、64个XtremeDSP单元、640个可配置I/O引脚。FPGA是本 技术的数字中心，完成几乎所有的控制逻辑，包括PCI接口控制模块、RAM控制模块、 高速DAC控制模块、雷达波形控制模块等。 高速DAC模块DAC是本技术最为关键的模拟器件，其性能直接决定着模拟信 号的质量。而D/A芯片的选择需要严格考虑转换速率、量化比特数、功耗等因素的影响。目 前转换速率达到1. 2Gpbs的D/A芯片有ATMEL公司提供的TS86101G2B和ADI公司提供的 AD9736，综合考虑了上述因素本技术采用了 ADI公司的AD9736。 AD9736的转换速率为 1.2Gsps、位宽14bits，数据输入电平采用低电压差分信号电平——LVDS，既提供了足够高 的资料变换速率，又降低了系统的功耗。 上述各模块之间通过FPGA模块内部的控制模块实现彼此间的连接，其中PCI接口 控制模块完成FPGA模块与PCI接口模块的对接，控制上位机产生的数据由PCI接口模块传 输到FPGA模块内部；RAM控制模块完成FPGA模块与RAM模块的对接，实现了数据在FPGA与 ZBT-SRAM之间的传输；高速DAC控制模块完成FPGA模块与高速DAC模块的对接，控制高速 DAC模块产生各种雷达波形。 本技术提出的基于FPGA的UWB雷达信号模拟器，其优点和功效主要在于 本技术采用了 FPGA的系统结构和数字产生方法，由PC104(PCI)上位机完成 各种波形编辑和数据生成任务，利用FPGA控制高速DAC完成UWB模拟信号产生。能够发挥 PC104主机与PC机操作系统兼容，算法软件编写容易的优点；同时发挥FPGA产生快速逻辑 和DAC高速数据生成的优点。既保障了系统的灵活性，又满足实际应用中对实时性的要求。 本技术具有系统软件开发成本低、周期短、便于维护和功能升级等特点。此外，FPGA方 便开发人员进行性能调试。附图说明图1是数字式信号产生方法示意图。 图2是数字式信号产生方法结构框图。 图3是PD雷达典型信号产生方法示意图。 图4是脉冲参数变化PD雷达信号产生方法示意图。 图5是脉冲周期参差信号产生方法示意图。 图6是基于FPGA的UWB雷达信号模拟器结构图。 图7是FPGA内部功能结构图。 图8是ZBT-SRAM控制器结构图。 图9是输入数据格式转换图。具体实施方式以下结合附图，对本技术的具体技术方案做进一步的说明。 本技术产生模拟信号的方法采用存储器直读法(DDWS)，信号产生方法如图1所示。首先用户设计需要产生的信号波形，根据采样定律对信号波形进行采样。接着将采样后的数字信号保存在存储器中。最后产生模拟信号时，按照采样时钟产生的存储器的地址，依次读出各采样点的数值，通过DAC转换成模拟信号。 本技术设计的信号模拟器产生方法结构如图2所示，能够同时产生两路正交 (1、 Q)模拟信号，从而可产生更高带宽的模拟信号。预先计算I、 Q两路正交信号各采样点 的数值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＦＰＧＡ的ＵＷＢ雷达信号模拟器，其特征在于：该信号模拟器主要包括：ＰＣ１０４接口模块、ＲＡＭ模块、ＦＰＧＡ模块和高速ＤＡＣ模块；上述各模块之间通过ＦＰＧＡ模块内部的控制模块实现彼此间的连接，其中ＰＣ１０４接口控制模块分别与ＦＰＧＡ模块与ＰＣ１０４接口模块对接；ＲＡＭ控制模块分别与ＦＰＧＡ模块与ＲＡＭ模块对接；高速ＤＡＣ控制模块分别与ＦＰＧＡ模块与高速ＤＡＣ模块对接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，李伟，田继华，张玉玺，于鹏飞，张文昊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]