基于CPLD的LFM信號發生器

摘 要:本文介紹了一種基于CPLD的產生LFM信號的系統設計方法。首先簡單說明了LFM信號和CPLD的突出特點，然后給出了系統的硬件設計原理框圖和系統軟件設計流程圖，及其主要芯片特點和在系統中的功能，最后給出了系統的時序仿真圖，證明了系統軟件設計的正確。實驗最后的輸出信號證明該系統結構簡單，成本低，性能穩定。

關鍵詞:CPLDLFM信號

中圖分類號:TN957文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0100-01

LFM(線性調頻)信號是一種瞬時頻率隨時間呈線性變化的信號。線性調頻信號的突出優點是匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感，即使回波信號有較大的多普勒頻移，原來的匹配濾波器仍能起到脈沖壓縮的使用。這將大大簡化信號處理系統。因此它在雷達、聲納等場合得到廣泛應用。

線性調頻信號的數學表達式可寫作[1]

(1)

其中——中心頻率;——調頻斜率;——頻率變化范圍;——脈沖寬度;——線性調頻矩形脈沖的包絡。

上式中信號的最高頻率為，根據采樣定理，直接對其采樣所需的采樣頻率應滿足。

1 系統整體硬件設計

系統主要由驅動電路，CPLD及配置電路，D/A，模擬量轉換電路及一，二階濾波電路放大等組成。

系統原理流程:驅動電路及其CPLD配置電路、CPLD、DA、模擬量轉換電路及一階濾波放大電路、二階壓控濾波放大電路、LFM信號輸出。

驅動電路由5V直流電源和DC/DC模塊組成，直流電源給DC/DC模塊供電，DC/DC模塊產生+5V和-5V的電壓，使得后序電路中的放大芯片得到可以正常工作的雙電壓，CPLD及其配置電路不間斷的生成數字序列給D/A芯片，D/A將數字序列轉換成相對應的電流大小輸出，再由模擬量轉換電路將電流轉換成相應的電壓輸出，然后由一階濾波放大電路進行濾波整形放大，此后送入二階壓控濾波放大電路進行再一次的濾波整形放大，最后可以從放大電路的輸出端得到LFM信號。

線性調頻信號由CPLD產生，CPLD是數字器件，由于數字量化存在量化誤差，會產生很多雜波分量，加之電路中會不可避免的存在各種形式的噪聲。所以，需要低通濾波電路使輸出的信號純和、平滑。系統低通濾波電路主要分為兩部分:一階RC有源低通濾波電路和二階壓控電壓源低通濾波電路(簡稱二階壓控電壓源LPF)。一階RC有源低通濾波電路主要起到對信號最初級的濾波作用。系統低通濾波電路的核心是二階壓控電壓源LPF[4]。二階電路使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，相比一階電路大大改善了濾波效果。

影響二階壓控電壓源LPF性能的三個重要參數分別為通帶增益、頻率響應、品質因數Q。參數表達式如下所示:

分析以上三式可知:

(1)當Q=1時，在的情況下，即維持了通帶內的電壓增益，故濾波效果最佳

(2)當時，Q將趨于無窮大，意味著LPF將產生自激現象。因此，電路參數必須滿足，，且要求元器件參數性能穩定。

由此，系統設定電路參數時使Q=1，，，這時所得信號波形必將最為理想。

2 系統軟件設計

系統的軟件部分采用VHDL語言編寫，主要分為三部分。第一部分為LFM正弦信號產生程序。第二部分為正弦信號離散點生成程序，這部分用MATLAB編寫，生成供CPLD中ROM使用的200個數據。第三部分為CPLD中ROM的例化程序，這部分程序由CPLD編譯軟件自動生成。按照開始進程、CPLD外部信號設定、CPLD內部信號設定、對外部時鐘分頻、由MATLAB生成正弦信號所需數據點、例化CPLD的ROM即將數據存入ROM、調用CPLD例化程序、不間斷發送離散點數據、結束進程系統軟件流程圖編程，便可實現LFM信號發送。

利用CPLD中ROM的使用例化，在此時刻加入由MATLAB生成的產生LFM信號的200個數據點。然后作CPLD時序仿真圖，從中可以看出各輸入輸出變量間的時序關系。

從產生數據點和仿真圖中可以對比看出，CPLD的確是按照ROM表中所存儲的把數據發送。在第一個時鐘邊沿發送數據125，在第二個時鐘邊沿發送數據226，在第三個時鐘邊沿發送數據244…，證明所編寫的程序正確。LFM信號輸出，將產生中心頻率為180K，帶寬為20K，脈寬為0.0002s，采樣率為4000K的線性調頻信號。

3 結語

本設計是基于CPLD芯片EPF570T100，采用EDA技術開發的LFM信號發生器，在芯片設計過程中采用了自頂而下的設計方法，整個系統具有結構簡單，性能穩定，有效性、可靠性高。除此之外其優點還體現在設計者不受芯片結構的影響，避免了重復設計，縮短了開發周期;設計的模塊化，提高了軟硬件的組合度，使設計成果可以重復利用;在選擇實現系統的目標器件的類型、規模、硬件結構等方面具有更大的自由度;總的設計方案和功能結構被確定后，就可以進行多人多任務的并行工作方式，擴大了設計的規模，提高了設計的效率。

參考文獻

[1]薛維，付國華，鐘耀霞.一種線性調頻信號產生器的設計[J].電腦與信息技術.2007，15(3)，52～55.

[2]王福昌，潘曉明.通信原理實驗[M].武漢華中理工大學出版社，1999.

[3]潘松，黃繼業.EDA技術使用教程[M].北京科學出版社，2002.

[4]祝明波，常文革，梁甸農.采用數字方法實現寬帶線性調頻信號產生[J].系統工程與電子技術，2000，22(5)，94～98.