一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生器设计
基于ADS仿真的梳状谱发生器的设计与实现
进行仿 真优化 ，以及 多次调试 和实验 ，使该 电路在 ０ ． １ ～ ４ Ｇ Ｈ ｚ范围 内产 生丰富的谐 波 ，并适合 于工程应用。
中 图分 类号
ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｗｉ ｔ ｈ １ ０ ０Ｍ Ｈｚ ｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ０ ．１～４ ＧＨｚ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｈ ｉ ｇ ｈ ｎ ｏ ｎ－ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｓ ｔ ｅ ｐ ｒ ｅ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｙ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ｌ ａ ｖ ｌｕ ａ ｅ ｉ ｓ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｉ ｓ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｄ ｂ ｙ
摘
一
５室 ，贵州 贵阳
５ ５ ０ ０ ０ ９ ）
பைடு நூலகம்
要
梳 状 谱 信 号发 生 器在 微 波 频 率 合 成 电路 中应 用 广 泛 。 文 中利 用 阶 跃 恢 复 二 极 管 的 强 非 线 性 特 点 ， 设 计 了
种输入频 率为 １ ０ ０ Ｍ Ｈｚ 、输 出频 率为 ０ ． １ — ４ Ｇ Ｈ ｚ的梳状 谱信 号发生 器。首先通过 理论 计算获得 初值 ，再通过 Ａ Ｄ Ｓ 关键词 梳 状谱发 生器 ；频 率合成 ；阶跃恢复二极管
梳状谱电路的设计与实现
• 117•本文阐述了一种利用阶跃恢复二极管（SRD）非线性特性设计的梳状谱发生电路，用于实现微波倍频功能。
通过ADS软件进行了原理验证，仿真分析了电路参数对传输特性的影响，并结合了实际电路进行测试调试，仿真与实测结果表明梳状谱电路可应用于倍频电路。
引言：在微波电路中，广泛地采用频率变换电路。
其中，倍频器是不可或缺的一种，它主要利用半导体器件的非线性特性原理，包含非线性电阻倍频与非线性电抗倍频。
其中，非线性电阻倍频方式具有能量损耗，即倍频效率低的特点。
非线性电抗倍频实现方式有变容二极管、阶跃恢复二极管和晶体三极管等。
其中，阶跃恢复二极管是变容二极管的一个特例，相对来说非线性特性更明显，倍频效率更高。
本文中采用SRD设计并实现梳状谱电路——一种特殊形式的倍频器，该电路产生基准频率整数倍的各次谐波频率，谐波的谱线如同梳子一般而得名。
根据需要，设计了一款输入频率为100MHz，输入功率≥18dBm，输出频率为0.1~10GHz的梳状谱电路。
1.梳状谱电路原理典型的阶跃二极管梳状谱发生器工作原理为：激励源——偏置电路——匹配网络——脉冲发生器——输出，如图1所示。
激励源输入一定的功率来推动SRD工作，输入功率大小需要适当，功率过大的情况下二极管被过度激励，会恶化相位噪声，功率过小无法推动其工作。
偏置电路与匹配电路都是为了将输入功率更有效地加载到SRD上，防止信号反射。
最终，单一频率的输入信号经过SRD后产生窄脉冲信号。
1.1 阶跃恢复二极管SRD可以等效为一个开关电容，正偏时其结电容变化很大，形成一个大的扩散电容，二极管近似为短路；反偏时等效为一个小电容，近似为开路。
其等效电路如图2所示。
因此，当外加信号周期性变化时，阶跃管便在这两种状态间快速转换，使管子发生电流阶跃，形成一个狭窄、大幅度的电压脉冲。
利用这种电容突变的强非线性激发出丰富的谐波。
图1 梳状谱电路原理框图图2 阶跃恢复二极管等效电路设计梳状谱电路首先要选择特性满足要求的SRD。
基于SRD的梳状谱发生器设计
基于SRD的梳状谱发生器设计本文介绍了利用阶跃恢复二极管（SRD）倍频原理设计的梳普产生器。
梳普产生器的结构简单、性能稳定可靠，相位噪声逼近理论计算值。
输出谱线功率：当输入信号为200MHz、10dBm时，8GHz下输出功率大于-15dBm。
与国外同类产品水平相当。
标签：阶跃恢复二极管梳谱发生器一、引言随着雷达系统中的信号频率不断的提高及工作带宽的更高要求，各种宽带、超倍频程带宽的微波频率源相继出现。
通常采用间接频率合成器来提高最终输出频率，并同时满足相位噪声以及频率稳定性要求。
梳状谱发生器做为固态信号源，是用来产生含有以输入信号频率为基波频率的高次谐波的宽频带信号源。
它具有输入驻波小、噪声低、频带宽、频率稳度高、超小型等固态源所需要具备的优点，是一种可将低频、高稳定度的信号，延伸到高频、宽频带、高稳定度的微波信号的功能块。
解决了制作高频信号源的困难，可以很好的满足雷达及测试系统对固态源的应用要求。
二、SRD特性分析SRD是具有很强非线性特性的器件，利用它的强非线性导电特性来产生窄电流脉冲。
它产生谐波的效率可以接近1/n，这里n代表谐波次数。
阶跃恢复二极管倍频器无需空闲电路，使得电路具有十分简单、紧凑的优点。
因此，阶跃恢复二极管常常适用于需要高效率、高阶倍频的场合。
由于阶跃二极管本身的结构特点：在高阻抗状态下具有低的电容，而在低阻抗状态下具有大的电容。
阶跃恢复二极管在高频或者突变电压的激励下，正向导通时储存大量的电荷，呈现非常低的阻抗状态；当转到反向偏置，这些储存的电荷返回原处，形成了很大的反向电流。
等到储存的电荷接近耗尽时，反向电流迅速减小，并立刻以很陡峭的速度趋于截止状，即阶跃恢复。
正是因为这种反向电流的突变，形成了一个反向窄脉冲电压。
这种反向脉冲越窄，它所含有的谐波就越丰富，它能从几十MHz到几个GHz甚至到几十GHz，形成一个包括基波频率整数倍的高次谐波频谱，因此它具有高次高效的优点。
三、梳状谱发生器设计梳状谱发生器电路框图如图1所示，为了获得丰富的谐波输出，就要使阶跃恢复二极管能产生较大的窄电流脉冲，需要先将输入信号放大到一定的功率来推动阶跃恢复二极管。
基于FPGA的数控移相正弦信号发生器设计
图一 数控移相正弦信号发生器系统结构框 图
数 可调性 、 高性价 比方 面都有 了显著的提高 。数控移相 正弦
信号 发生器等 功能更加完善 的波 形发生器不断 问世 ， 而且正 朝着产生 更高质量 的波形发展。 当前信号发生器总的趋势是 高频
能化方 向发展 。
转换单元用 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ￣
再将 输出信号送入 ＤＡ Ｃ器 件， 最后 通过低通滤波器输 出所需模拟波形 波形产生过程 如图二 所 示：
量信空电领子、 器应生测术中抗仪 ，用器控系基子 广号航子域对 测 正于作、统本 泛发天技 、的 弦航为信电 电 通最
、
科研等各个领域 中。 如 今， 数控 正弦信号发 生器 因为其
一
Ｆ＾ Ｐ Ｇ ，
，
输 出幅值 稳定 、 输出频率 连续可调 等优点 ， 随着大规模 集 且 成电路 的发展， 各种数字 式正弦 波发生器 层出不穷 ， 出正 输 弦波频率范围越来越大 ， 失真度也越来越小 。近年来信号发 生器 的性 能指标得到 了快速提高 ， 在追求高精度 、 可靠性 、 参
ｗｔ ＨＤ ｎ ｅｓ ｌ ｐｒ ｈ ｒ ｉ ｕｔＷｈｃ ａ ｅｅａ ｏｓ ｖ ｓ ｉ ｒｃｎｅｔｄａｄａｊｓ ｄｆ ｑ ｅｃ ｎ ｈｓ ｉ Ｖ Ｌａ ｄｔ ｉ ｅ ｅｉ ｅ ｃ ｃｉ ｈ ｈ ｍｐ ｐ ｙ ｒ ． ｉ ｃｎｇ ｎｒｔ ｔ ｉ ｗａｅ ｔ ｐｅｏ ｃｒ ｎ ｄｕｔ ＇ ｕ ｎｙａｄｐ ａｅ ｈ ｅｗ ｎ ｗｈ ｅ ｅ ｉ ｅ
器即二进制计数器的低 ８位 Ｑ ０一 Ｑ ７作为地址去寻址双路 Ｒ ＯＭ。这祥 Ｒ Ｍ 对应地址的样值送 Ｄ ０ ３ Ｏ ＡＣ ８ ２进行 Ｄ／ Ａ转 换就可 以得到两 路正弦波形。 只要改变计数器 的输人脉冲频
FPGA的数字脉冲延时发生器设计
敬请登录网站在线投稿(t o u g a o.m e s n e t.c o m.c n)2021年第2期79F PG A的数字脉冲延时发生器设计陈泽洋(天津大学理学院,天津300072)摘要:本文主要介绍了一种数字式脉冲延时发生器的设计方法,该方案是基于A l t e r a(被I n t e l收购)的C y c l o n e I V系列F P G A实现的,为了同时满足高延时分辨率与大的可调范围,采用了粗细结合的延时方法,粗延时通过计数器法实现,细延时通过A D9501专用延时芯片实现;为了让用户与系统进行通信,在F P G A内部构建了N i o s I I软核处理器,并且编写软件程序实现人机交互㊂对系统的关键模块进行了仿真,仿真结果显示模块设计符合需求,最终延时系统可以实现精度为16.5p s㊁可调范围约为1.1s的延时㊂关键词:F P G A;A D9501;延脉冲发生时器;N i o s I I中图分类号:T N7文献标识码:AD e s i g n o f D i g i t a l P u l s e D e l a y G e n e r a t o r B a s e d o n F P G AC h e n Z e y a n g(S c h o o l o f S c i e n c e,T i a n j i n U n i v e r s i t y,T i a n j i n300072,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h e p a p e r,a d e s i g n m e t h o d o f d i g i t a l p u l s e d e l a y g e n e r a t o r i s d e s i g n e d,w h i c h i s b a s e d o n A l t e r a's c y c l o n e I V s e r i e s F P G A.I n o r d e r t o m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f h i g h d e l a y r e s o l u t i o n a n d l a r g e a d j u s t a b l e r a n g e,c o m b i n e t h e c o a r s e d e l a y a n d f i n e d e l a y,t h e c o a r s e d e-l a y i s r e a l i z e d b y c o u n t e r m e t h o d,a n d t h e f i n e d e l a y i s r e a l i z e d b y A D9501s p e c i a l d e l a y c h i p.I n o r d e r t o e n a b l e u s e r s t o c o mm u n i c a t e w i t h t h e s y s t e m,N i o s I I s o f t c o r e p r o c e s s o r i s b u i l t i n F P G A,a n d s o f t w a r e p r o g r a m i s w r i t t e n t o r e a l i z e h u m a n-c o m p u t e r i n t e r a c t i o n.T h e k e y m o d u l e s o f t h e s y s t e m a r e s i m u l a t e d,a n d t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e m o d u l e d e s i g n m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s.T h e f i n a l d e l a y s y s t e m c a n a c h i e v e a d e l a y a c c u r a c y o f16.5p s a n d a d y n a m i c r a n g e o f1.1s.K e y w o r d s:F P G A;A D9501;p u l s e d e l a y g e n e r a t o r;N i o s I I0引言脉冲延时发生器作为一种时序同步装置在激光系统[1-2]㊁雷达系统[3]㊁飞行时间质谱仪[4-5]等领域应用广泛,它可以对触发信号进行延时后输出脉冲信号,用户可以设定延时的大小㊂延时的分辨率与延时的可调范围是衡量其性能的两个重要参数,可以实现脉冲延时的方法有计数器法㊁存储器法[6]㊁专用延时芯片[7]等方法㊂计数器法与存储器法可以实现可调范围比较大的延时,不过延时精度由于受到时钟频率的限制只能做到纳秒量级,专用延时芯片法的延时精度可以做到皮秒量级,不过可调范围在微秒量级㊂F P G A是一种可编程逻辑器件,用户可以通过V e r i l o g H D L等设计文件在F P G A内部设计所需要的逻辑电路,与A S I C相比具有设计周期短㊁设计灵活等优点㊂本文介绍的延时脉冲发生器以A l t e r a(被I n t e l收购)的C y c l o n e I V系列F P G A为核心,采用粗细结合的延时方案,并且利用N i o s I I软核处理器用于系统控制,实现了脉冲延时发生器的设计㊂1基于F P G A的脉冲延时发生器整体设计延时系统的工作模式分为内触发模式与外触发模式㊂系统的设计框图如图1所示㊂工作在内触发模式时,触发信号由系统内部产生,用户可以设定触发信号的频率大小㊂工作在外触发模式时,触发信号由外部提供㊂整个延时系统的延时由粗延时部分和细延时部分组成,粗延时利用计数器法实现㊂计数器法的延时分辨率由采样时钟决定,本系统的采样时钟通过将外部50MH z晶振倍频得到,最终倍频数由系统能运行的最大时钟频率决定㊂细延时是利用A D9501实现的,A D9501通过8位控制字对单位粗延时进一步细分,得到16.5p s延时分辨率㊂P C机通过C P2102串口桥接芯片将设定的延时信息发送给N i o s I I软核处理器,延时信息包含用户设定的粗延时以及细延时,N i o s I I将粗延时信息经由P I O I P核传递到粗延时模块,细延时信息被转换成8位控制字,输出80M i c r o c o n t r o l l e r s &E m b e d d e d S ys t e m s 2021年第2期w w w .m e s n e t .c o m .c n图1 脉冲延时发生器的整体设计框图到A D 9501对其细延时进行控制㊂触发信号依次经过粗延时模块与A D 9501模块最终实现脉冲延时㊂其中内触发源模块㊁粗延时模块㊁N i o s I I 模块是在一块F P G A 内部㊂2 内触发源模块设计内触发源模块的作用是在内触发模式下提供触发信号㊂该模块的时序图如图2所示㊂图2 内触发源模块时序图c l k 为输入模块的时钟信号,d i v 为用户设定的分频数,c o u n t e r 为对时钟信号进行计数的计数器,o u t p u t 为最终输出的触发信号㊂当时钟信号到来时,启动计数器对时钟信号进行计数㊂当计数器计数的值等于d i v 时,将输出信号取反,同时计数器置零;当计数器的值不等于分频数时,输出保持不变,计数器持续对时钟信号进行计数㊂用户通过设置d i v 的值改变计数器的计数值,进而控制输出信号的跳变,从而达到对时钟信号进行分频的目的㊂3 粗延时模块设计粗延时模块负责对外部触发信号进行粗略延时,然后将延时后的脉冲输出到A D 9501进行细延时㊂该模块由输入时钟信号c l k ㊁触发信号t r i ㊁两个计数器p u l s e 1和pu l s e 2㊁两个计数器c o u n t e r 1和c o u n t e r 2组成㊂A D 9501的内部有一个斜波发生器,每次触发信号到来之后斜波发生器电压从0开始上升,当斜波发生器电压值与D A C 设定值相等时,拉高延时输出引脚电平,该斜波电压的置零是通过复位引脚实现的,拉复位引脚时,斜波发生器进行复位,如果不对其进行复位,则当下一个脉冲到来时,斜波发生器的电压是大于D A C 电压的,延时输出一直处于高电平状态,所以不能输出延时脉冲㊂由此可知,粗延时模块应该输出两个脉冲给A D 9501,分别为pu l s e 1和p u l s e 2,一个用于触发细延时,另一个用于将A D 9501斜波发生器置零㊂通过设定p u l s e 1与p u l s e 2之间的时间间隔就可以控制延时脉冲的脉宽大小㊂c o u n t -e r 1和c o u n t e r 2分别是延时计数器和脉宽计数器,通过延时控制字d e l a y 和脉宽控制字w i d t h 控制计数器计数到多少时输出脉冲信号,该模块的时序如图3所示㊂经过实验得知粗延时模块能够运行的最大时钟为240MH z,则粗延时分辨率为1/240MH z =4.2n s ,c o u n t e r 的位数设为28位,则最大延时为4.2n s ˑ228ʈ1.1s㊂图3 粗延时模块时序图4 细延时模块设计细延时模块是以A D 9501为核心实现的,它是在粗延时的分辨率基础上进一步细分实现更高分辨率的延时,A D 9501通过8位控制字对4.2n s 进行细分,则细分后的延时分辨率为4.2n s /28-1=16.5n s ㊂A D 9501的最小延迟(t P D )是触发电路延迟㊁斜坡发生器延迟和比较器延迟的总和㊂触发电路延迟和比较器延迟是固定的,斜坡发生器延迟是受线性斜坡变化率和偏移电压值影响的㊂最大延迟是t P D 和满量程(t D F S )的总和㊂斜坡发生器延迟是斜坡从其重置电压转换到D A C 电压所需的时间,D A C 电压由用户通过数字输入进行编程㊂满量程延迟(t D F S )由电容C e x t 和电阻R s e t 决定,范围为2.5n s ~10μs ,它们的关系如下:t D F S =R s e t ˑ(C e x t +8.5p F )ˑ3.84当满量程延时小于等于326n s 时,接C e x t 的引脚应当悬空;当满量程延时超过326n s 时,C e x t 引脚与电源之间可以最大加500p F 的电容㊂R s e t 的取值范围为50Ω~10k Ω㊂本设计想要实现满量程4.2n s 的延时,R s e t 大小应设置为128Ω,接C e x t 的引脚悬空㊂5 N i o s I I 控制模块设计从经济与系统复杂程度方面考虑,选用N i o s I I 软核处理器来实现P C 机对于系统的控制㊂N i o s I I 需要实现的功能为从P C 接收用户设定的延时值,然后将延时值发送给延时模块㊂利用Q s ys 自带I P 核可以实现加速设计,敬请登录网站在线投稿(t o u ga o .m e s n e t .c o m.c n )2021年第2期81图4 控制模块程序流程图实现数据接收与传输所需添加的主要I P 核有U A R T 与P I O ㊂P C 通过C P 2102将数据发送到U A R T I P 核的读寄存器,U A R T I P 核的r x d a t a寄存器接收到数据,使能读取中断,并将读取的数据在中断服务子程序中赋值给P I O ,就实现了P C 对延时系统的控制,图4为控制模块的程序流程图㊂6 关键模块仿真结果本设计的两个关键模块为内触发源模块与粗延时模块,编写测试文件对两个模块分别进行仿真,内触发源模块的仿真结果如图5所示㊂图5中信号从上到下依次是时钟信号c l k㊁复位信号r s t ㊁分频数d i v ㊁计数器c o u n t e r ㊁输出信号o u t ㊂可以看出,当分频数依次为0㊁1㊁2㊁3时,输出信号o u t 分别经过1个时钟周期㊁2个时钟周期㊁3个时钟周期㊁4个时钟周期发生电平的跳变,因此仿真结果表明,可以通过分频控制字d i v 来控制输出信号的分频数㊂粗延时模块的仿真结果如图6所示㊂图中信号从上到下依次是时钟信号c l k ㊁复位信号r s t ㊁触发信号t r㊁延时计数器c o u n t ㊁脉宽计数器c o u n t 1㊁延时控制字d e l a y㊁脉宽控制字w i d t h ㊁延时脉冲信号p u l s e 1㊁脉宽控制信号pu l s e 2㊂从仿真结果可以看出,当延时控制字为13㊁脉宽控制字为4时,触发信号到来之后的13个时钟信号输出p u l s e 1,pu l s e 1之后4个时钟信号输出p u l s e 2,该模块的设计符合需求㊂图5内触发源模块仿真结果图6 粗延时模块仿真结果7 性能比较将计数器法㊁专用延时芯片法㊁本设计的方法从可调范围㊁延时分辨率㊁功能扩展三个方面进行比较,结果如表1所列㊂表1 三种延时方法比较延时方法可调范围延时分辨率功能扩展计数器法m s ,s 量级n s 量级无法功能扩展专用延时芯片μs 量级ps 量级无法功能扩展本设计s 量级ps 量级便于功能扩展由表1中可知,本设计方法在保持计数器法与专用延时芯片方法优点的同时弥补了两种方法各自的不足,并且基于F P G A 灵活的特点,可以通过设计逻辑电路与编写N i o s I I 软核模块程序进行再次开发,以满足其他系统集成或者功能升级的需求㊂8 结 语目前国内的商用脉冲延时发生器主要依赖国外进口,价格一般在几万元到十几万元不等,价格昂贵并且性价比不高,本设计的脉冲延时发生器在满足高精度与大的可调范围的同时,成本方面也有很大的优势,整个系统制作成本仅为400元左右㊂在当今环境下,自主设计的脉冲延时发生器在商业与科技领域均具有重要意义㊂参考文献[1]蒋军敏,刘进元,刘百玉,等.用于激光打靶装置中的85敬请登录网站在线投稿(t o u ga o .m e s n e t .c o m.c n )2021年第2期85节的非线性特性耗费时间,无论系统的非线性多严重,均能按特定的关系进行转换㊂经数值分析将优化后的数据代入式(1)及联立式(1)和式(7),线性补偿前后物体位移y 和像点位移x 的关系如图6所示㊂y =270192x14216.256-398.32x+e d(8)图6 线性补偿前后物体位移y 和像点位移x 的关系5 结 语本文从反射式激光三角法测量原理公式㊁测量范围㊁分辨率及结构参数优化出发,用工程软件MA T L A B 对系统的各个参数之间的约束关系进行了分析与优化,使得参数优化过程得以简化,同时在实际中可根据器件因素和测量范围的要求不同随时改变,提高了设计的灵活性,降低了设计初期的费用,最后通过数值分析了造成物体位移与像点位移呈非线性的原因,并用线性补偿的方法使物体位移与像点位移线性输出,从而提高了测距传感器线性度与精度,降低了系统误差,实现了高精度大位移的测量㊂参考文献[1]王晓嘉,高隽,王磊.激光三角法综述[J ].仪器仪表学报,2004(S 2):601604,608.[2]L a r s L i n d n e r ,O l e g S e r g i y e n k o ,J u l i o C R o d r ígu e z Q u i ño n e z ,e t a l .M o b i l e r o b o t v i s i o n s y s t e m u s i n g c o n t i n u o u s l a s e r s c a n n i n gf o r i n d u s t r i a l a p pl i c a t i o n [J ].T h e I n d u s t r i a l R o b o t ,2016,43(4):360369.[3]S u Z h i q i ,H e Q i n g,X i e Z h i .I n d i r e c t m e a s u r e m e n t o f m o l t e n s t e e l l e v e l i n t u n d i s h b a s e d o n l a s e r t r i a n g u l a t i o n [J ].T h e R e -v i e w o f s c i e n t i f i c i n s t r u m e n t s ,2016,87(3):035117.[4]宋腾,张凤生,任锦霞.直射式激光位移传感器光束入射角对测量精度的影响[J ].机械,2017,44(2):3741.[5]Z h u a n g B H.N o n c o n t a c t m e a s u r e m e n t o f s c r a t c h o n a i r c r a f t s k i n s [J ].A p p l i e d l a s e r ,1997(2):4936.[6]任伟明,孙培懋,王亚雷,等.一种标定三角测量法激光位移计的方法[J ].光学技术,1997(3):1113,16.[7]赵景海,孙飞显.基于残差补偿的激光位移传感器测距方法[J ].计算机工程,2018,44(10):298302.[8]曹红超,陈磊,王波,等.一种改进型高精度激光三角位移传感器的结构设计研究[J ].激光杂志,2007(6):1415.[9]X u e l i H a o ,A i m i n S h a ,Z h a o yu n S u n ,e t a l .L a s e r b a s e d m e a s u r i n g m e t h o d f o r m e a n j o i n t f a u l t i n g va l u e o f c o n c r e t e p a v e m e n t [J ].O p t i k I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o r L i gh t a n d E -l e c t r o n O pt i c s 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C o m p u t e r S o c i e t y,2010.[4]C L F e n g ,L G a o ,J H L i u .L a s e r m a s s s p e c t r o m e t r yf o r o n -l i n e d i ag n o s i s o f r e a c t i v e p l a s m a s w i th m a n y s p e ci e s [J ].R e -v i e w o f S c i e n t i f i c I n s t r u m e n t s ,2011(6):261434.[5]S V K o v t o u n ,R D E n gl i s h ,R J C o t t e r .M a s s c o r r e l a t e d a c c e l -e r a t i o n i n a r e f l e c t r o n MA L D I T O F m a s s s pe c t r o m e t e r :A n a p p r o a c hf o r e n h a n c e d r e s o l u t i o n o v e r a b r o a d m a s s r a ng e [J ].J o u r n a l o f th e A m e ri c a n S o c i e t y f o r M a s s S p e c t r o m e t r y,2002(13):135143.[6]邱有刚,黄建国,李力.基于F P G A 数字延迟单元的实现和比较[J ].电子测量技术,2011,34(9):6568.[7]马艳喜.数字延时器A D 9501的性能及其应用[J ].电子元器件应用,2002,4(11):2728.陈泽洋,主要研究方向为快点子学与离子光学㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2020-08-19)。
用于EMI测试的梳状源设计
产品介绍引言如今，电磁兼容（EMC）已经成为影响电子电气产品性能的一个重要因素。
随着产品类型的不断丰富，电磁兼容实验室也面临着不同测试要求带来的挑战。
为了保证测试结果的可靠性与可重复性，要求在每次更换设备或改变测试布置后对测试系统进行重新验证。
在测试要求不断细化的今天，这导致了电磁兼容实验室时间成本的大幅增加。
1 梳状信号发生器梳状信号发生器（梳状源）是EMC实验室的重要设备，它通常作为已知的参考源用于测试系统的验证工作。
梳状信号发生器已广泛用于现代微波系统中。
随着通信行业的快速发展，微波通信和电磁兼容等相关行 业[1]对高质量梳状信号发生器的需求不断增长。
电磁兼容测试中，电磁骚扰（EMI）测试的测试系统相对敏感，应该在每次更换或移动设备后对其重新验证。
在某些要求较为严苛的测试中，更换测试对象后也需对测试系统重新验证，这给测试工作带来了高昂的时间成本。
梳状信号发生器作为稳定、即插即用的参考源，可以快速有效地验证测试系统中是否发生了会导致测试结果无效的改动，极大地节省了测试时间，并保证测量结果的可重复性。
2 数字信号的梳状谱产生原理经典的梳状谱发生器大多为模拟发生器，利用阶跃恢复二极管的非线性电抗特性或者双极性晶体管的非线性电阻特性，可以实现一定周期的脉冲信号输出[2]，从而获得谐波丰富的梳状谱信号。
但模拟梳状谱发生器具有一定的使用局限性，如谐波分量落差大、易受温度和偏置电压影响、工作频段有限、谱间隔不可调等[3]，作为参考源使用时有时无法满足测试需要。
而采用数字电路设计的梳状信号发生器不仅可以实现更高的平坦度和独立可调的频谱间隔，还具有资源丰富、可重复编程、集成度高、成本低的特点，方便硬件工程师灵活操作。
梳状谱是由基频的谐波构成的等间隔频率信号。
周期性脉冲信号可以产生丰富的谐波。
假设一个周期为T、脉宽为τ的方波信号[4]，信号波形如图1。
函数可表示为:用于EMI测试的梳状源设计Comb Spectrum Generator Designed for EMI Test中国信息通信研究院 王雪 史锁兰 熊宇飞 陈天伟 周镒*摘要提出了一种基于FPGA的梳状信号发生装置，可用于传导骚扰测试系统的有效性验证。
基于FPGA_的2CPFSK_全数字中频调制器的设计与实现
第 21 卷 第 7 期2023 年 7 月太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information TechnologyVol.21，No.7Jul.，2023基于FPGA的2CPFSK全数字中频调制器的设计与实现廖治宇，王鹏(中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621999)摘要：针对飞行器数据链中高码速率要求，需要使用数字技术实现传统模拟调制，以得到更好的调制性能，增加系统作用距离。
本文介绍了二进制连续相位频移键控(2CPFSK)调制原理，提出了基于软件无线电架构的2CPFSK正交调制算法。
该算法利用2CPFSK相位累加特性实现了基带数据的分数倍内插，从而适应宽范围码速率的调制。
设计了提高频谱纯度的数字滤波器、基于FPGA+DAC架构的数字调制器硬件平台并实现算法。
通过与传统模拟频率调制(FM)比较，该设计提升了1.7 dB调制性能，增加了系统作用距离。
关键词：二进制连续相位调制；数字中频调制；分数倍内插；高斯成型滤波中图分类号：TN791.1 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2020701 Design and implementation ofDesign and implementation of 22CPFSK full digital intermediate frequencymodulator based on FPGALIAO Zhiyu，WANG Peng(Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621999，China)AbstractAbstract：：The digital modulation is necessary in order to meet the requirement of higher signal transmission rate in aerocraft data link. The better modulating performance and the longercommunication distance can be achieved by digital modulation. The principle of 2 Continuous PhaseFrequency Shift Keying(CPFSK) modulation with binary continuous phase is introduced. A 2CPFSKquadrature modulation algorithm based on software radio architecture is proposed.By using the phaseaccumulation property of 2CPFSK, the algorithm realizes the fractional interpolation of baseband data toadapt to the modulation of wide range code rate.A digital filter is also designed to improve spectralpurity. The hardware platform of digital modulator based on Field Programmable Gate Array+Digital-to-Analog Converter(FPGA+DAC) architecture is designed and the algorithm is paredwith traditional analog Frequency Modulation(FM), this design improves the link performance by 1.7 dBand increases the communication distance of the system.KeywordsKeywords：：2 Continuous Phase Frequency Shift Keying；digital intermediate frequency modulation；fractional interpolation；Gaussian shaping filter二进制连续相位频移键控(2CPFSK)技术以其良好的抗噪声和抗衰落性能，以及实现容易、解调设备比移相键控(Phase Shift Keying，PSK)简单(可直接使用频率调制(FM)解调设备)，信号所占的频带比2PSK小等特点，在无线通信领域中占有相当的优势，但在国内飞行器数据链中却未得到很好的应用[1]。
基于FPGA+MCU的全数字式滑移脉冲信号发生器的研制
基 准下 ， Ｐ Ａ 更新 ＤＡ ＦＧ Ｃ芯 片 的幅度 控制字 ， 后 最
ห้องสมุดไป่ตู้
图 ３ 频率产 生电路设计原理框 图
Ｆ ｇ ３ Ｂｌ ｃ ａ ａ ｆ ｈ ｅ ｕ ｎ ｙｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｉ ． ｏ ｋ ｄ ｇ ｍ ｏ ｅｆ ｑ ｅ ｃ ｅ ｅ ａｏ ｉ ｒ ｔ ｒ
通 讯作 者 ：庹 先 国 ，教 授 ，博 士生 导师 ，从事 核技 术应 用 、核素迁 移及 辐射环 境研 究
收稿 日期：２０ ．５１ ，修 回ｆ期：２０．６１ ０７０ ．７ ｔ ０ ７０－８
维普资讯
第 １ 期 ０
王洪辉等 ： 于 Ｆ Ｇ ＋ Ｕ的全数字式滑移脉 冲信号发生器 的研制 基 Ｐ Ａ ＭＣ
为仪器各部分产生高质量的时钟信号 。 Ｄ Ｄ Ｓ芯片具 有低功耗 、片内集成高速 比较器 、良 的动态性能 好 等优点 ， 保证 了输 出信号频率的高精度和宽范围。
图 ２ 全数字 式滑移脉冲信 号发生 器系统设 计原 理框 图
ｎ ｇ ２ Ｂｌ ｃ ｉｇ ａ ｏ ｇ ￣ ｓｉ ｕ ｓ ｅ ｅ ａｏ ． ｏ ｋ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｔ ｄ ｉ ｈｅｉ ｌ ｐ ｌ ｅｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ｐ
１ 系统总体设计思路
全数字式滑移脉冲信号发生器主要由频率产生 电路 、阶梯幅度产生 电路 、脉冲形成电路、最大输 出幅度控制电路 、 Ｐ Ａ、 Ｕ等组成 ， 以人机 Ｆ Ｇ ＭＣ 辅 接 口（ 主要有液晶显示模块 Ｌ Ｄ、矩阵式键盘） Ｃ 和系 统 电源。其工作原理框 图如图 ２ 所示，由脉冲频率 产生电路为整个系统提供时钟基准 ｆ ， Ｐ Ａ在此 ｃ ＦＧ ｐ 时钟基准下控制阶梯幅度产生电路 ，输出幅度递增 （ 递减） 的阶梯幅度信号 ｖ ，同时通过 Ｆ Ｇ ａ Ｐ Ａ的内部 时序模块产生控制信号 ， 控制脉冲形成 电路产生脉 冲信号 Ｖ ， ｐ 最后通过 Ｆ Ｇ 和最大脉冲幅度控制 ＰＡ 电路控制滑移信号最大幅度 ，得到最终 的滑移信号 输出 Ｖ 。 ｓ所有参数的设定均通过 ＭＣ Ｕ实现和完成。 由上可知 ，整个仪器采用了 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ和 ＭＣ Ｕ联 合控制机制 ，通过 ＭＣ 实现智能化设置滑移仪器 Ｕ 的各项参数 ，同时通过通信协议完成与 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ之间 的传递，并控制整个系统的运行。Ｆ Ｇ 利用其高 ＰＡ 速并行的特点， 完成系统中各功能模块的具体实现， 减轻了 ＭＣ Ｕ的工作负担，也保证了仪器的精度。
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一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生器设计
厉沁知;周焚江;蒋旭辉
【摘要】梳状谱发生技术是电子侦测系统的一项关键技术.本文介绍了一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生器的设计,该设计采用FPGA+DA的架构,仿真并实现了梳状谱间隔为250kHz、400kHz的梳状谱信号产生,该发生器具有梳状谱间隔可调整、幅度一致性高、频点数多等特点.
【期刊名称】《数字技术与应用》
【年(卷),期】2018(036)008
【总页数】3页(P159-161)
【关键词】梳状谱发生器;FPGA数字可控;幅度一致性高
【作者】厉沁知;周焚江;蒋旭辉
【作者单位】中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴 314033;中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴 314033;中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴 314033
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.41
梳状谱信号发生器是一种常用的射频器件,作为高可靠性、高频谱纯度信号源广泛应用于微波通信,微波计数器,示波器,电子雷达,电子侦测设备中。
图1 模拟梳状谱发生器电路
现有的大多数为模拟梳状谱发生器,利用阶跃恢复二极管的非线性电抗特性或者利
用双极性晶体管的非线性电阻特性实现的一定周期的脉冲信号输出,从而获得各次
谐波的梳状谱信号。
但模拟梳状谱发生器具有一定的使用局限性,如实际调试工作
复杂,移植性差,工作频率范围有限,各次谐波幅度不一致,谱间隔不可调等[1][2]。
比
如阶跃恢复二极管梳状谱发生器产生的梳状谱的谱线间隔不能调节,同时因属于模
拟电路,稳定性较差[3][4]。
近年,数字梳状谱发生器得到了发展,基本利用FPGA或
者其他数字模块的数字时钟模块(digital clock managers,DCM)来产生满足要求
的窄脉冲,很好地解决了模拟电路实际调试工作复杂,移植性差的问题[5][6]。
但由于还是采用脉冲信号产生各次谐波的梳状谱生成技术的限制,仍具有特定的使用局限性,如工作频率范围有限,各次谐波幅度不一致,有多余谐波,谐波谱间隔较大,很难达
到kHz级别等[7]。
针对上述数字梳状谱发生器存在的问题,本文提出了一种基于FPGA的数字可控梳
状谱发生技术,基于软件无线电发射机数字模型,建立了FPGA+DA的硬件架构,可
根据实际系统需求实现可变谱间隔、多频率点的高性能梳状谱信号输出,极大克服
了现有梳状谱发生器的缺点,提升了梳状谱发生器的性能。
1 现有梳状谱信号发生器原理及缺点
1.1 模拟梳状谱信号发生器
模拟梳状谱信号发生器主要利用阶跃恢复二极管(以下简称阶跃管或者SRD)的强非线性特性,产生较大的窄电流脉冲,从而获得各次谐波。
如图1所示,阶跃恢复二极管梳状谱发生器的电路结构主要包括偏置电路、输入阻抗匹配网络和脉冲发生电路3部分组成。
模拟梳状谱发生器利用阶跃恢复二极管的非线性功能,产生窄脉冲,实现梳状谱输出。
该发生器因模拟器件产生,其谱线间隔不可调,谐波分量落差巨大,容易受温度和偏置电压影响,可靠性较低,相位噪声也较大。
图2 基于DCM的数字梳状谱发生器工作原理
图3 原理框图
图4 样式1基带数据仿真图
图5 样式2基带数据仿真图
表1 2种梳状谱参数样式中心频率谱间隔总带宽频率点数样式1 200M H z 250kH z 40M H z 161样式2 200M H z 400kH z 60M H z 151
1.2 数字梳状谱信号发生器
基于DCM来实现的数字梳状谱发生器主要利用DCM来产生窄脉冲,如图2所示,利用FPGA内的DCM先对输入时钟进行分频,再将分频后的信号进行反相和移相,分频信号与反相信号相与,得到一定重复频率的窄脉冲信号,从而获得梳状谱信号。
基于DCM的数字梳状谱发生器较模拟梳状谱发生器,其产生的窄脉冲更加稳定、可靠。
受温度和偏置电压影响小,性能有极大地改善。
但其梳状谱还是由一定重复周期的脉冲信号产生,其依然存在谐波脉冲落差大,多余谐波,产生kHz级谱间隔信号困难等问题。
2 基于FPGA数字可控梳状谱发生器的设计
传统梳状谱发生器根据陡峭的脉冲信号产生各次谐波来实现梳状谱的产生。
其产生梳状谱受该脉冲的陡峭度、脉冲幅度、脉冲宽度等影响,极大的干扰了梳状谱信号的梳状谱间隔、幅度一致性、噪声系数等参数。
为避免传统梳状谱发生器的这些弊端,本设计采用软件无线电的技术,采用
FPGA+DA的技术架构。
如图3所示,利用FPGA的高速计算和DA芯片宽带数模转换能力,实现梳状谱信号的基带数据的生成,再经DA芯片进行数模转换,从而产生需要的宽带可控梳状谱信号。
该模式不仅可以调整梳状谱的谱间隔,也可调整梳状谱总带宽,而且还能保持梳状谱各个谱线的幅度高度一致性。
2.1 数字梳状谱发生器的建模与仿真
首先,通过Matlab进行梳状谱信号仿真,并生成梳状谱基带数据。
为体现数字梳状谱发生器的谱间隔可调、带宽可调的性能。
选取如表1的2种梳状谱信号进行建模、仿真:
2种样式的Matlab信号仿真图如图4和图5。
通过Matlab进行梳状谱信号进行建模,并在频域和时域上给出了仿真结果。
从频域上看,梳状谱信号间隔相等,且幅度高度一致,并可以有效控制梳状谱总带宽。
并可通过改变软件数据直接调整频谱间隔、频率点数等参数。
2.2 实际梳状谱发生器的实现
实际电路FPGA芯片采用Xilinx Virtex-6系列的XC6VSX 315T,DA芯片采用TI 的DAC34H84,采样率高达1.25GSPS的超低功耗、高动态范围、四通道、16位模数转换器。
使用Rohde&Schwarz FSP 频谱仪对梳状谱发生器进行测试,测试结果如图6、图7所示。
测试表明,实际电路与仿真计算结果相符:梳状谱信号幅度高度一致,谱间隔和梳状谱总带宽可调,相位噪声低,没有多余的高次谐波产生。
本发生器采用软件无线电技术,在硬件不变情况下可通过软件重构实现多种梳状谱信号的产生,可移植性很高,实现简单,集成度高。
图6 样式1梳状谱实测图
图7 样式2梳状谱实测信号
3 结语
经上述仿真和实际测试了基于FPGA的数字宽频带梳状谱发生器的多种不同频率和不同谱间隔的梳状谱信号,验证了其稳定的电路结构和良好的性能。
相较于传统的梳状谱发生器,具有频谱间隔可调,总频谱带宽可调,梳状谱信号幅度一致性高,相位噪声低,无多余谐波等优点。
如需不同频段的梳状谱信号,只需将该梳状谱信号进行上变频,即可实现不同频段的梳状谱信号输出。
该梳状谱发生器凭着谱间隔小、频
点数多、幅度一致性高、数字可控的特点,已在多个工程应用中得到使用。
参考文献
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