通用任意波形產生模塊設計

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

隨著雷達技術和電子對抗技術的發展，目前雷達信號仿真對信號的頻率、脈寬、功率、調制的控制要求越來越靈活，要求多個參數可以任意組合，對仿真的復雜度和仿真可信度提出了更高的要求。雷達信號半實物仿真，其實質就是通過任意波形產生器在適當的時域、頻域、空域產生被試裝備所需要的信號，對被試裝備的技戰指標進行檢驗、測試、評估。［1］

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

隨著雷達信號仿真技術的發展，仿真信號波形產生器具備了一定的任意波形產生功能，但大多功能比較單一，結構形式多樣，接口繁多，沒有統一的標準架構。通用雷達仿真基帶任意波形產生模塊就是專門針對雷達信號仿真的特點，如切換時間快、脈沖沿陡、波形調制復雜而設計的通用化模塊。

1 技術設計

通用雷達仿真基帶任意波形產生模塊將外圍總線接口電路、基帶波形編輯產生電路、時鐘產生電路、開關濾波組件、放大濾波組件、電源等集成在一個3U殼體內。模塊和主機之間通過總線通信，與外圍系統通過自定義總線進行系統擴展，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性能。模塊框圖見圖1。

（1）基帶波形編輯產生電路由一個FPGA與兩片DAC組成。在FPGA上通過編程的方式完成所有基帶數字信號的產生，通過DAC以及后端開關濾波組件產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 模塊設計框圖

圖2 基帶波形編輯產生電路圖

在本設計中要求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。 根據采樣定理，信號基于每一采樣域無限被復制。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。但是如果不經過特殊處理，信號在高采樣域功率和頻譜質量遠遠不能滿足實際要求。在變換采樣率的情況下，可以改善各個采樣域頻譜分量結構。對于要求在第1、第2采樣域有較好的帶內平坦度，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，其本質是將原序列某一采樣點持續的時間分成多段（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構。 要實現 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。

任意波形發生器其核心要求波形任意可編程，具體表現在頻率調制、相位調制、幅度調制、脈沖沿形狀調制等方面，而用于仿真的任意波形發生器主要體現在頻率調制、相位調制、以及部分幅度調制。當然在要求苛刻的場合要求脈沖沿形狀調制，由于脈沖沿形狀的調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。

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

（2）時鐘產生電路主要由晶振、開關、功分器、放大器和諧波發生器等組成，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。

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

（3）開關濾波組件主要由開關、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，先經帶通濾波器進行濾波。為了滿足調頻帶寬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 時鐘產生電路原理框圖

圖4 開關濾波組件原理框圖

（4）放大濾波組件主要由放大器、低通濾波器和開關等組成，其原理框圖如圖5所示，其主要功能為開關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要求。

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

2 測試結果

圖6～8給出了頻譜儀測出的雷達仿真基帶任意波形產生模塊產生的調幅、調頻和調相信號。從圖中可看出，產生的信號是理想可用的，達到了設計要求。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、調幅深度40 dBc的調頻加調幅信號

圖7 帶寬1 GHz的線性調頻信號

圖8 7位巴克碼調相信號

3 結束語

本文采用通用雷達仿真基帶任意波形產生模塊，利用其強大的軟件編輯和系統升級功能，實現在一個基帶內的頻率、脈寬、功率、調制等任意可編程，參數切換時間優于商用任意波形發生器、形成標準模塊。該模塊應用于雷達信號仿真，可以適應大多數雷達信號仿真的需求，并可以逐步推廣到其他領域。