专利名称：多波形雷达信号的模块化产生方法
技术领域：
本发明涉及雷达频率综合技术领域，应用在基于DDS (Direct Digital FrequencySynthesis，直接数字频率合成)技术的频率综合器设计中，该方法采用自主开 发的模块化软件配置不同DDS芯片，可快速实现点频、线性调频、非线性调频和相位编码等 多种雷达信号的产生。
背景技术：
随着20世纪30年代雷达的出现以及在军事领域的大规模应用，波形产生一直成 为雷达领域的重要研究内容。现代数字技术和大规模集成电路技术迅猛发展，波形合成已 经由传统的纯模拟方法发展到现在的直接数字合成，数字方法生成的波形具有严格的相干 性、可重复性、高稳定性和可编程的优点，能够方便地实现波形参数捷变以及产生任意复杂 波形。直接数字频率波形产生技术目前大多采用FPGA(Field Programmable Gate Array)控制DDS芯片的方法产生。FPGA的使用非常灵活，同一片FPGA通过不同的编程数 据可以实现不同的电路功能；DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、 D/A转换器和低通滤波器构成，有如下优点频率分辨率高，输出频点多；频率切换速度快； 频率切换时相位连续；可以输出宽带正交信号；输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪 声有改善作用；可以产生任意波形；全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。但是在目前的设计中，首先针对不同芯片的控制软件设计占用了开发人员很大精 力，而且针对同一芯片，不同开发人员采用各种开发方式，编制了各种不同程序，但实际工 作结果却相差无几，这无疑造成了重复开发和人力资源浪费，同时也使得研发周期的缩短 变得极为困难。其次各种波形信号的设计、产生需要不同FPGA程序的编写、调试和反复下 载、烧制，过程非常繁琐、费时。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述问题，采用模块化软件设计，缩短开发周 期，基于图形用户界面MATLAB⑶I (Graphical User Interfaces)技术开发可视化软件操 作界面，实现FPGA在线编程，数据实时更新。本发明解决问明的技术方案包括模块化软件、FPGA和DDS芯片三部分。各部分功 能详细介绍如下1、模块化软件，该部分具有人机交互界面和模块化串口时序模块，完成DDS芯片 控制参数及与波形数据相关的运算，存储、与FPGA的数据通信等功能，同时完成适用于AD 公司DDS系列芯片的模块化串口时序控制模块设计(1)、控制参数的产生完成DDS芯片控制参数的修改、运算和存储。其中包括DDS 系统时钟的设定，输出信号频率，幅度和相位参数的设定。O)、波形数据的产生对指定的波形形式、脉宽、带宽等参数的信号进行仿真，包括时域波形数据的运算、显示并保存数据。可生成线性调频，非线性调频和相位编码等信号 基带数据，如需要可添加任意波形。(3)、计算机与FPGA的数据通信通过计算机串口连接频率合成器硬件部分的接 口以实现基于RS-232接口的异步串行数据通信，接口简单，配置方便。目的是实现所需控 制参数、波形数据由计算机到波形产生硬件存储器的下载、校验。(4)、模块化串口时序模块通过自己设计好的模块化串口时序模块可以方便、简 单、快捷的完成AD公司DDS系列芯片的串口控制时序设计。该该模块设计完成后固化在 FPGA中，通过3中的计算机通信功能完成数据获取和更新。2、FPGA，该部分完成与计算机数据通信、DDS芯片控制参数及波形数据的存储、DDS 芯片控制等功能，设置RAM、UART收发器和DDS控制模块(1)、计算机数据通信通过UAR收发器完成FPGA与计算机之间的数据通信，包括 数据的双向传输及数据校验。(2)、数据存储将UART收发器接收的DDS芯片控制参数、波形采样数据存储到 RAM中，供控制时序调用。(3)、DDS芯片控制有序调用DDS芯片控制参数、波形采样数据，完成DDS芯片的 初始化配置、工作模式和输出信号切换等功能。3、DDS芯片在FPGA的有效控制下，输出参数设定的各种信号。当前采用较多的 有 AD 公司的 AD9858、AD9910、AD9957 等芯片。本发明与现有技术相比较具有益效果(1)模块化软件设计。本设计中实现对AD公司DDS系列芯片串口控制程序的模 块化设计，为今后这类器件的应用打下了良好的基础，可以大大提高开发速度，缩短开发周 期。使软件系统具有良好的通用性、兼容性和可扩充性。(2)可视化软件操作界面的应用，可简单、方便、快捷的实现不同参数多波形雷达 信号波形产生。(3)在线编程，DDS芯片控制参数、波形数据实时更新。通过在软件界面中输入DDS 芯片控制参数、波形参数、采样率等数据，通过软件算法，产生数据并将据送入FPGA内置的 RAM中，在FPGA控制时序的控制下，将采样数据送入DDS芯片中。，实现了在线编程、数据实 时更新，在频率合成器的调试测验阶段是非常方便和灵活的。
图1多波形雷达信号模块总体结构2本发明对AD9957开发模块化软件界面示意3本发明设计的串口时序产生电路(STGMaster模块)示意4本发明的串口时序产生电路STGMaster模块仿真波形5通用串口控制程序的32位寄存器串口时序波形6STGMaster配置32位寄存器仿真波形7AD9957工作在单频输出模式下，185MHz点频频谱测试8185MHz点频信号相噪曲线图9AD9957工作在正交调制模式下，带宽5MHz非线型调频频谱图
图10非线性调频信号时间-频率曲线图IlSPAN为IOOkHz 二相编码频域波形12线性调频信号时间-频率曲线
具体实施方式
下面以模块化软件在AD9957中的应用为例，介绍该多波形雷达信号模块化产生 方法的具体实施方式
。本发明的多波形雷达信号模块总体结构如图1所示，由模块化软件、FPGA和DDS芯 片构成，各部分功能简介如下1、模块化软件包括人机交互界面、模块化串口时序两部分。1. 1人机交互界面图2所示为本发明编写的为模块化软件在AD9957中应用，基于MATLAB GUI技术 开发的软件操作界面。该软件界面分为串口控制、并口控制和串并口数据控制三部分，各部 分功能如下1. 1. 1串口控制该部分完成DDS芯片控制参数的修改和运算，即系统时钟设定， AD9957工作模式选择，8个寄存器中输出信号频率、相位、幅度及CIC插值速率等参数的设定。1. 1.2并口控制该部分完成波形数据的产生，即输出波形选择(线性调频、非线 性调频和相位编码等波形)；基带信号时宽、带宽、采样率和中心频率(AD9957中DDS内核 输出频率)的设定；基带信号时域波形、频率/时间关系显示。1. 1. 3串/并口数据存储和下载分别完成串口数据(控制参数)，并口数据(波 形采样数据)的存储、及计算机与FPGA间的通信功能(由计算机下载到FPGA的RAM)。
1.2模块化串口时序模块串口时序采用本发明编写的 STGMaster (Serial Timing Generate Master，串口 时序生成控制)模块实现。1. 2. IAD 系列 DDS 芯片AD公司的一系列DDS芯片的工作状态的控制，是通过串口向其各自的控制寄存器 写入控制字来进行的。归纳、分析这些不同DDS芯片各个寄存器的地址位数关系，找到它们 的最大共同点。表1所示为三种AD系列DDS芯片的寄存器地址和寄存器位数的列表。表1 9858/9910/9957 寄存器列表
985899109957CFR地址CFR位数CFR地址CFR位数CFR地址CFR位数0x0032OxOO320x0032OxOl320x01320x01320x02320x02320x0232
权利要求
1.多波形雷达信号的模块化产生方法，由模块化软件、FPGA和DDS芯片三部分组成，其 特征在于(1)模块化软件，具有人机交互界面和模块化串口时序模块，人机交互界面进行DDS芯 片控制参数及与波形数据相关的运算、存储，与FPGA进行数据通信，模块化串口时序模块 固化在FPGA中，产生适用于DDS系列芯片的模块化串口控制时序设计，通过计算机的通信 完成数据获取和更新；(2)FPGA，设置RAM、UART收发器和DDS控制模块，通过UART收发器完成计算机与FPGA 之间的双向通信及数据校验，将UART收发器接收的DDS芯片控制参数、波形采样数据存储 到RAM中，为波形发生器提供需要的波形数据与控制参数，供控制时序调用，DDS控制模块 有序调用DDS芯片控制参数、波形采样数据，完成DDS芯片的初始化配置、工作模式和输出 信号切换；(3)DDS芯片在FPGA的有效控制下输出参数设定的各种信号。
2.根据权利要求1所述的多波形雷达信号的模块化产生方法，其特征在于所述模块 化软件的人机交互界面基于图形用户界面MATLAB GUI开发的软件操作界面，该人机交互界 面分为串口控制、并口控制和串并口数据控制三部分2. 1串口控制部分完成DDS芯片控制参数的修改和运算，即系统时钟设定，DDS芯片工 作模式选择，DDS芯片8个寄存器的输出信号频率、相位、幅度及CIC插值速率参数的设定；2.2并口控制部分完成波形数据的产生，对指定的波形形式、脉宽、带宽、采样率和中心 频率进行仿真，包括时域波形数据的运算、显示并保存数据，输出点频、线性调频，非线性调 频和相位编码多种雷达波形基带信号；2.3串/并口数据存储和下载分别完成串口数据，并口数据的存储及计算机与FPGA间 的通信。
3.根据权利要求1所述的多波形雷达信号的模块化产生方法，其特征在于 所述模块化串口时序模块的设计根据不同DDS芯片各个寄存器的地址长度、寄存器位数都为8的整数倍关系，以8位为单位的串口数据发送模块，加上其它管脚的配合，产 生芯片串口时序生成部分的模块，所述模块化串口时序模块设置空闲和发送数据两个工 作状态，工作状态是由rd、wr两个控制端口控制，并配置其余端口 复位信号RST引脚，工 作时钟信号CLK引脚，数据输入端口 datain[7. . 0]，判断控制芯片的片选信号是否被选中 Spies引脚，DDS芯片串口时钟信号Spiclk,串口数据输出Spido引脚，数据传输起始标志 位spibegin引脚和数据传输结束标志位spicom引脚。
4.根据权利要求3所述的多波形雷达信号的模块化产生方法，其特征在于 模块化串口时序模块工作一次送出8位串口数据，模块化串口时序模块与DDS芯片的通信是通过数据传输来完成的，模块采用串行通信协议，一位一位的传输数据，由spiclk 提供时钟脉冲，spido则基于此脉冲完成数据传输。数据通过spido线输出，数据在时钟上 升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取，完成一位数据传输，通过8次时 钟线号的改变完成8位数据的传输。
5.根据权利要求1或3所述的多波形雷达信号的模块化产生方法，其特征在于 采用模块化串口时序模块配置AD9957的32位寄存器进行波形仿真，加上8位地址位，用40位数据对此寄存器进行操作，将其按从高到低的顺序划分为5段，模块化串口时序模块需调用五次完成，采用模块化的串口时序模块也能完成AD9910的数字斜率调制工作模 式控制程序设计，与AD9957的控制程序相比只有调用次数和发送数据不同，实现了 AD公司 DDS系列芯片串口控制程序的模块化设计。
全文摘要
一种多波形雷达信号的模块化产生方法，由模块化软件、FPGA和DDS芯片组成。属于雷达频率综合技术领域，应用在基于DDS的频综设计。模块化软件具有人机交互界面和模块化串口时序模块，进行DDS芯片控制参数及与波形数据相关运算、存储，与FPGA数据通信，产生适用于DDS系列芯片的模块化串口控制时序，通过计算机通信完成数据获取和更新。FPGA设置RAM、UART收发器和DDS控制模块，完成与计算机数据通信、DDS芯片控制参数及波形数据的存储、DDS芯片控制功能。DDS芯片在FPGA控制下输出参数设定的各种信号。本发明开发的模块化软件配置不同DDS芯片，可快速实现点频、线性调频、非线性调频和相位编码多种雷达信号产生，软件支持在线编程，DDS芯片控制参数、波形数据实时更新。
文档编号G01S7/02GK102073032SQ20101053099
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月2日 优先权日2010年11月2日
发明者余铁军, 张春荣, 曹义, 李辉, 王栋 申请人:中国兵器工业第二○六研究所