论文部分内容阅读
摘 要:本文介绍了一种基于CPLD的产生LFM信号的系统设计方法。首先简单说明了LFM信号和CPLD的突出特点,然后给出了系统的硬件设计原理框图和系统软件设计流程图,及其主要芯片特点和在系统中的功能,最后给出了系统的时序仿真图,证明了系统软件设计的正确。实验最后的输出信号证明该系统结构简单,成本低,性能稳定。
关键词:CPLDLFM信号
中图分类号:TN957 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(c)-0100-01
LFM(线性调频)信号是一种瞬时频率随时间呈线性变化的信号。线性调频信号的突出优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感,即使回波信号有较大的多普勒频移,原来的匹配滤波器仍能起到脉冲压缩的使用。这将大大简化信号处理系统。因此它在雷达、声纳等场合得到广泛应用。
线性调频信号的数学表达式可写作[1]
(1)
其中——中心频率;——调频斜率;——频率变化范围;——脉冲宽度;——线性调频矩形脉冲的包络。
上式中信号的最高频率为,根据采样定理,直接对其采样所需的采样频率应满足。
1 系统整体硬件设计
系统主要由驱动电路,CPLD及配置电路,D/A,模拟量转换电路及一,二阶滤波电路放大等组成。
系统原理流程:驱动电路及其CPLD配置电路、CPLD、DA、模拟量转换电路及一阶滤波放大电路、二阶压控滤波放大电路、LFM信号输出。
驱动电路由5V直流电源和DC/DC模块组成,直流电源给DC/DC模块供電,DC/DC模块产生+5V和-5V的电压,使得后序电路中的放大芯片得到可以正常工作的双电压,CPLD及其配置电路不间断的生成数字序列给D/A芯片,D/A将数字序列转换成相对应的电流大小输出,再由模拟量转换电路将电流转换成相应的电压输出,然后由一阶滤波放大电路进行滤波整形放大,此后送入二阶压控滤波放大电路进行再一次的滤波整形放大,最后可以从放大电路的输出端得到LFM信号。
线性调频信号由CPLD产生,CPLD是数字器件,由于数字量化存在量化误差,会产生很多杂波分量,加之电路中会不可避免的存在各种形式的噪声。所以,需要低通滤波电路使输出的信号纯和、平滑。系统低通滤波电路主要分为两部分:一阶RC有源低通滤波电路和二阶压控电压源低通滤波电路(简称二阶压控电压源LPF)。一阶RC有源低通滤波电路主要起到对信号最初级的滤波作用。系统低通滤波电路的核心是二阶压控电压源LPF[4]。二阶电路使输出电压在高频段以更快的速率下降,相比一阶电路大大改善了滤波效果。
影响二阶压控电压源LPF性能的三个重要参数分别为通带增益、频率响应、品质因数Q。参数表达式如下所示:
分析以上三式可知:
(1)当Q=1时,在的情况下,即维持了通带内的电压增益,故滤波效果最佳
(2)当时,Q将趋于无穷大,意味着LPF将产生自激现象。因此,电路参数必须满足,,且要求元器件参数性能稳定。
由此,系统设定电路参数时使Q=1,,,这时所得信号波形必将最为理想。
2 系统软件设计
系统的软件部分采用VHDL语言编写,主要分为三部分。第一部分为LFM正弦信号产生程序。第二部分为正弦信号离散点生成程序,这部分用MATLAB编写,生成供CPLD中ROM使用的200个数据。第三部分为CPLD中ROM的例化程序,这部分程序由CPLD编译软件自动生成。按照开始进程、CPLD外部信号设定、CPLD内部信号设定、对外部时钟分频、由MATLAB生成正弦信号所需数据点、例化CPLD的ROM即将数据存入ROM、调用CPLD例化程序、不间断发送离散点数据、结束进程系统软件流程图编程,便可实现LFM信号发送。
利用CPLD中ROM的使用例化,在此时刻加入由MATLAB生成的产生LFM信号的200个数据点。然后作CPLD时序仿真图,从中可以看出各输入输出变量间的时序关系。
从产生数据点和仿真图中可以对比看出,CPLD的确是按照ROM表中所存储的把数据发送。在第一个时钟边沿发送数据125,在第二个时钟边沿发送数据226,在第三个时钟边沿发送数据244…,证明所编写的程序正确。LFM信号输出,将产生中心频率为180K,带宽为20K,脉宽为0.0002s,采样率为4000K的线性调频信号。
3 结语
本设计是基于CPLD芯片EPF570T100,采用EDA技术开发的LFM信号发生器,在芯片设计过程中采用了自顶而下的设计方法,整个系统具有结构简单,性能稳定,有效性、可靠性高。除此之外其优点还体现在设计者不受芯片结构的影响,避免了重复设计,缩短了开发周期;设计的模块化,提高了软硬件的组合度,使设计成果可以重复利用;在选择实现系统的目标器件的类型、规模、硬件结构等方面具有更大的自由度;总的设计方案和功能结构被确定后,就可以进行多人多任务的并行工作方式,扩大了设计的规模,提高了设计的效率。
参考文献
[1] 薛维,付国华,钟耀霞.一种线性调频信号产生器的设计[J].电脑与信息技术.2007,15(3),52～55.
[2] 王福昌,潘晓明.通信原理实验[M].武汉华中理工大学出版社,1999.
[3] 潘松,黄继业.EDA技术使用教程[M].北京科学出版社,2002.
[4] 祝明波,常文革,梁甸农.采用数字方法实现宽带线性调频信号产生[J].系统工程与电子技术,2000,22(5),94～98.
关键词:CPLDLFM信号
中图分类号:TN957 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(c)-0100-01
LFM(线性调频)信号是一种瞬时频率随时间呈线性变化的信号。线性调频信号的突出优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感,即使回波信号有较大的多普勒频移,原来的匹配滤波器仍能起到脉冲压缩的使用。这将大大简化信号处理系统。因此它在雷达、声纳等场合得到广泛应用。
线性调频信号的数学表达式可写作[1]
(1)
其中——中心频率;——调频斜率;——频率变化范围;——脉冲宽度;——线性调频矩形脉冲的包络。
上式中信号的最高频率为,根据采样定理,直接对其采样所需的采样频率应满足。
1 系统整体硬件设计
系统主要由驱动电路,CPLD及配置电路,D/A,模拟量转换电路及一,二阶滤波电路放大等组成。
系统原理流程:驱动电路及其CPLD配置电路、CPLD、DA、模拟量转换电路及一阶滤波放大电路、二阶压控滤波放大电路、LFM信号输出。
驱动电路由5V直流电源和DC/DC模块组成,直流电源给DC/DC模块供電,DC/DC模块产生+5V和-5V的电压,使得后序电路中的放大芯片得到可以正常工作的双电压,CPLD及其配置电路不间断的生成数字序列给D/A芯片,D/A将数字序列转换成相对应的电流大小输出,再由模拟量转换电路将电流转换成相应的电压输出,然后由一阶滤波放大电路进行滤波整形放大,此后送入二阶压控滤波放大电路进行再一次的滤波整形放大,最后可以从放大电路的输出端得到LFM信号。
线性调频信号由CPLD产生,CPLD是数字器件,由于数字量化存在量化误差,会产生很多杂波分量,加之电路中会不可避免的存在各种形式的噪声。所以,需要低通滤波电路使输出的信号纯和、平滑。系统低通滤波电路主要分为两部分:一阶RC有源低通滤波电路和二阶压控电压源低通滤波电路(简称二阶压控电压源LPF)。一阶RC有源低通滤波电路主要起到对信号最初级的滤波作用。系统低通滤波电路的核心是二阶压控电压源LPF[4]。二阶电路使输出电压在高频段以更快的速率下降,相比一阶电路大大改善了滤波效果。
影响二阶压控电压源LPF性能的三个重要参数分别为通带增益、频率响应、品质因数Q。参数表达式如下所示:
分析以上三式可知:
(1)当Q=1时,在的情况下,即维持了通带内的电压增益,故滤波效果最佳
(2)当时,Q将趋于无穷大,意味着LPF将产生自激现象。因此,电路参数必须满足,,且要求元器件参数性能稳定。
由此,系统设定电路参数时使Q=1,,,这时所得信号波形必将最为理想。
2 系统软件设计
系统的软件部分采用VHDL语言编写,主要分为三部分。第一部分为LFM正弦信号产生程序。第二部分为正弦信号离散点生成程序,这部分用MATLAB编写,生成供CPLD中ROM使用的200个数据。第三部分为CPLD中ROM的例化程序,这部分程序由CPLD编译软件自动生成。按照开始进程、CPLD外部信号设定、CPLD内部信号设定、对外部时钟分频、由MATLAB生成正弦信号所需数据点、例化CPLD的ROM即将数据存入ROM、调用CPLD例化程序、不间断发送离散点数据、结束进程系统软件流程图编程,便可实现LFM信号发送。
利用CPLD中ROM的使用例化,在此时刻加入由MATLAB生成的产生LFM信号的200个数据点。然后作CPLD时序仿真图,从中可以看出各输入输出变量间的时序关系。
从产生数据点和仿真图中可以对比看出,CPLD的确是按照ROM表中所存储的把数据发送。在第一个时钟边沿发送数据125,在第二个时钟边沿发送数据226,在第三个时钟边沿发送数据244…,证明所编写的程序正确。LFM信号输出,将产生中心频率为180K,带宽为20K,脉宽为0.0002s,采样率为4000K的线性调频信号。
3 结语
本设计是基于CPLD芯片EPF570T100,采用EDA技术开发的LFM信号发生器,在芯片设计过程中采用了自顶而下的设计方法,整个系统具有结构简单,性能稳定,有效性、可靠性高。除此之外其优点还体现在设计者不受芯片结构的影响,避免了重复设计,缩短了开发周期;设计的模块化,提高了软硬件的组合度,使设计成果可以重复利用;在选择实现系统的目标器件的类型、规模、硬件结构等方面具有更大的自由度;总的设计方案和功能结构被确定后,就可以进行多人多任务的并行工作方式,扩大了设计的规模,提高了设计的效率。
参考文献
[1] 薛维,付国华,钟耀霞.一种线性调频信号产生器的设计[J].电脑与信息技术.2007,15(3),52～55.
[2] 王福昌,潘晓明.通信原理实验[M].武汉华中理工大学出版社,1999.
[3] 潘松,黄继业.EDA技术使用教程[M].北京科学出版社,2002.
[4] 祝明波,常文革,梁甸农.采用数字方法实现宽带线性调频信号产生[J].系统工程与电子技术,2000,22(5),94～98.