线性调频信号产生方法研究_线性调频信号的原理
摘要： 本文利用FPGA与DAC5686完成了线性调频信号产生电路的设计与实现，该方法降低了系统软硬件设计的难度，缩短了开发周期，并提高了设计的可靠性，具有较高的实用价值和良好的应用前景。文章分析了线性调频信号，给出了信号产生电路硬件设计和控制电路软件设计方案，并通过功能实现验证文中方法的有效性。
Abstract: A generation module of LFM signal based on FPGA and DAC5686 is designed and realized in this paper. This technique decreases the difficulty of hardware and software design of the system, reduces development cycle and improves design reliability, has higher practical value and good application prospect. LFM signal is analyzed, based on which signal generation circuit and software of control circuit design project is put forward, and the effectiveness of this method is verified through the function realization.
关键词： 线性调频；信号产生；FPGA；DAC5686
Key words: LFM；signal generation；FPGA；DAC5686
中图分类号：TN911.23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）25-0297-03
0 引言
为了能够探测远距离目标，同时又具备较高的距离分辨力，脉冲压缩雷达通常发射较宽脉冲的线性调频（LFM）信号，而在接收时进行脉冲压缩。因而，如何产生良好的线性调频信号，对于脉冲压缩雷达的工作性能至关重要。而对脉冲压缩雷达接收机进行测试时，线性调频信号则是最为关键的激励信号之一。
传统的模拟方法通常采用表面波器件、压控振荡器等器件产生LFM信号，具有设计难度大、开发周期长等问题，已不能满足雷达技术快速发展的需要。本文以某雷达接收机性能测试为背景，研究了一种基于FPGA与DAC5686的线性调频信号产生方法。该方法降低了系统软硬件设计的难度，缩短了开发周期，并提高了设计的可靠性，能够较好地满足测试需求。
1 线性调频信号
线性调频信号指持续期间频率连续线性变化的信号，是一种常用的雷达信号。尤其是相参、宽带线性调频信号，因具有良好的脉冲压缩特性，在高分辨力雷达中得到了广泛应用。线性调频信号可以采用如下数学表达式表示：
s（t）=a（t）cos[2?仔f0t+?仔kt2] t∈[-?子/2，?子/2]（1）
其中：f0为中心频率；k=B/?子为调频频率；B为频率变化范围；τ为脉冲宽度；a（t）为线性调频脉冲的包络。
可以计算得出，式（1）中信号的最高频率为f0+B/2。根据采样定理，直接对其采样所需的采样率应满足fs?叟2（f0+B/2）。当信号的中心频率频较高、且带宽较大时，采样频率将会很高。
如果信号中心频率为0，即采用基带(零中频)信号，式（1）中信号的最高频率变为B/2，此时对采样率的要求变为fs?叟B，显然大大降低了采样速度的要求。再将基带信号调制到一定的中心频率，便可得到所需的线性调频信号，而且降低了信号产生的难度。如果采用数字方法，可以首先产生I、Q正交的线性调频基带数字信号，然后再将其正交调制到所需特定中频。对基带信号进行正交调制后的线性调频信号的实信号可以表示为：
Re[?滋i（t）]=Acos[2?仔f0t+?仔kt2]=i（t）cos2?仔f0t-q（t）sin2?仔f0t
（2）
式（2）中，A为常数，i（t）和q（t）分别为同相分量和正交分量。
i（t）和q（t）可分别表示为：
i（t）=Acos（?仔kt2）
q（t）=Asin（?仔kt2）
2 信号产生电路设计
根据某雷达接收机性能测试需求，需要产生四路中心频率60MHz、带宽5MHz的线性调频信号，有些情况下还需要在中心频率上叠加一个模拟目标多卜勒频移fd。根据需要，并考虑与被测对象的信号交互关系，线性调频信号产生电路设计如图1所示。
该电路主要由DAC5686、控制电路及放大滤波等组成。其中，控制电路硬件主要由FPGA芯片、配置接口电路、电源模块、外部时钟、复位电路、SRAM接口电路和Flash接口电路组成。DAC5686是信号产生电路的核心，在控制电路提供数字基带I、Q信号及相关控制信号的条件下，以160MHz为时钟信号，经数字变频、滤波、D/A变换后输出中心频率为15MHz的线性调频信号。DAC5686输出的信号经过放大滤波、与75MHz混频之后，向外输出四路中心频率60MHz、带宽5MHz的线性调频信号，用于某雷达接收机性能测试。
3 控制程序设计
线性调频信号产生电路中，控制电路提供的I、Q信号及相关控制信号是线性调频信号的关键，主要通过FPGA芯片中的控制程序运行实现。本文FPGA芯片选用Altera公司Cyclone III系列的EP3C40F484C8。控制程序主要包括时钟分频模块、加载输出模块、波形产生模块、DAC5686参数设置模块等四个部分。
3.1 时钟分频模块 时钟分频模块由FPGA内部的数字时钟管理模块（DCM）实现，外部输入160MHz的差分时钟信号，经过倍频得到320MHz时钟，作为控制程序的工作时钟。