专利名称：一种用于星载设备的线性调频信号产生装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种波形信号产生装置，尤其涉及一种用于星载设备的线性调频信号产生装置。
背景技术：
海洋二号卫星是一颗海洋动力环境卫星，主要用于海面风场、海面高度、有效波高和海面温度等海洋动力环境要素的监测。作为星载系统，其体积、重量和功耗又受到很大的限制，因此对于可用于星载设备的线性调频信号产生装置就要求其具有高可靠性、体积小、重量轻、功耗低等特点。 现在多数星载设备上的线性调频产生装置，多采用DDS专用芯片。如图I所示为一现有的线性调频产生装置的结构示意图，此种设计的优点是累加器，查找表和数字模拟转换器(D/A)已经集成在芯片中，只需按照要求设定频率控制字和幅度信息等就可实现，但随之而来的是由于DDS是专用芯片，内部电路的结构形式及D/A转换器位数等参数已经设定好，在使用DDS专用芯片时要适应它所能实现的功能，不能根据需求去调整；DDS专用芯片是通过对频率和相位累加的双累加器方式实现线性调频，这种方式相对比较复杂，要控制频率字和变化速度等；另外由于星载设备对可靠性要求很高，高性能高可靠性的DDS专用芯片成为关注的焦点，现有芯片常为塑封器件，对适应不同系统的技术和可靠性的要求具有很大的局限性。本发明采用了 FPGA、三模冗余及复位电路相结合的方式很好的解决了这一问题，得到了高可靠性。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决上述线性调频信号产生装置的问题，本发明提供了一种用于星载设备的线性调频信号产生装置。本发明提供一种可用于星载设备的线性调频信号产生装置，一方面可以根据系统的需求进行器件上的选取和自由组合，另一方面可以根据所需产生数字波形信号。为了实现上述目的，本发明提供了一种用于星载设备的线性调频信号产生装置，其特征在于，所述装置包含控制及数据产生转换电路，用于接收输入的触发及带宽选择信号并根据协议生成所需带宽和所需时宽的波形信号，该波形信号作为被调制的信号；信号调制合成电路，用于接收输入的本振信号作为载频，将所述控制及数据产生转换部分生成的波形信号合成调制到该载频上；和复位遥测电路，用于根据协议要求对控制及数据产生转换部分进行状态监测及重配置；其中，所述复位遥测电路的输入端与带宽选择信号相连接，用于产生使FPGA重新下载软件的复位信号；
所述复位遥测电路输出端与所述控制及数据产生转换电路的另一输入端相连接，所述控制及数据产生转换电路的输出端与所述信号调制合成电路的输入端相连接，所述信号调制合成电路接收输入的本振信号并对输入它的波形信号进行调制，该信号调制合成电路的输出端作为线性调频信号产生装置的输出端。上述技术方案中，所述控制及数据产生转换电路通过在FPGA中采用一种双累加的方法，产生不同带宽和时宽的数字线性调频信号，通过带宽选择信号的逻辑组合，输出所需波形信号。上述技术方案中，所述控制及数据产生转换部分进一步包含数据波形产生电路、程序存储器、两个数字模拟转换器，两个变压器和两个低通滤波器；其中所述数字波形产生电路基于现场可编程门阵列实现，其进一步依次包括串联连接的计数器，设定计数器初始值，以步进2进行计数，得到输出值A=A+2 ;累加器，对计数器的输出数据进行累加，得到累加值C=C+A ;查找表电路，从Sine-Cosine查找表中查找C对应 的数值，得到相应的数字波形信号。所述现场可编程门阵列的两个输出端依次与所述数模转换器、变压器和低通滤波器串联连接；其输入端与所述程序存储器、时钟信号、触发及带宽选择信号相连接，程序存储器用于存储FPGA软件；时钟信号是FPGA所需工作频率信号；当接收到触发信号时，FPGA内部产生时序控制信号及所需波形的数字信号；通过对带宽选择信号逻辑组合的判读，确定所需输出波形信号的带宽或产生使FPGA重新下载软件的复位信号。上述技术方案中，所述程序存储器可使用PROM或者E2PROM,其容量依据所选现场可编程门阵列型号而定；所述数字模拟转换器根据实际所需带宽和精度要求而定；所述低通滤波器采用相位均衡设计，以保证输出信号的相位线性度。优化的，所述FPGA输入输出管脚与其内部软件全部采用三模冗余设计。上述技术方案中，所述复位遥测电路进一步包含复位电路和看门狗；所述复位电路，用于根据协议对所述控制及数据产生转换电路中的FPGA进行程序重新下载，一方面当程序工作状态异常时通过该复位电路，尽快使所述控制及数据产生转换电路恢复正常工作，另一方面通过定期使用复位的方式，达到抗单粒子翻转的目的；所述看门狗遥测电路，用于产生监测控制及数据产生转换电路工作状态信号。上述技术方案中，所述信号调制合成电路进一步包含依次串联连接的调制器和带通滤波器；所述调制器的输入端用于接收所述控制及数据产生转换电路的输出波形信号，将该波形信号与输入该调制器的本振信号混频并输出；所述带通滤波器的输入端与所述调制器的输出端相连，且其输出端作为该信号调制合成电路的输出端。与现有技术相比，本发明的一种可用于星载设备的线性调频信号产生装置，适用于系统可靠性要求很高，同时对重量、体积、功耗又有一定限制的系统。为了满足多方面的要求，未使用通用线性调频信号产生装置的设计，避免了其灵活性差和可靠性低的缺点，从而使线性调频产生装置在达到系统可靠性要求的同时尽可能简化设计。本发明通过采取现场可编程门阵列(FPGA)和数字模拟转换相结合的方式及三模冗余的设计，既避免了复杂的对外接口和大量芯片所带来的设计的局限性和可靠性降低的缺点，又适用于不同系统灵活产生所需波形信号的需求，同时又使系统的重量和体积减轻。即本发明通过采用FPGA、FPGA输入输出管脚和软件的完全三模冗余设计及FPGA复位电路相结合的方式大大提高了可靠性。该装置可适用于不同系统灵活产生所需波形信号的需求及可靠性的要求。
图I是现有的一种可用于星载设备的线性调频信号产生装置的结构示意图；图2是表示本发明的一种可用于星载设备的线性调频信号产生装置组成的框图；图3是构成本发明的一种可用于星载设备的线性调频信号产生装置的控制及数据产生转换电路的结构图；图4是构成本发明的一种可用于星载设备的线性调频信号产生装置的信号调制合成电路的结构图；图5是构成本发明的一种可用于星载设备的线性调频信号产生装置的复位遥测电路的结构图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例子对本发明的可用于星载设备的线性调频信号产生装置进行详细的说明。本发明提供了一种可用于星载设备的线性调频信号产生装置。该装置包括控制及数据产生转换部分、信号调制合成部分和复位遥测电路部分，所述控制及数据产生转换部分根据系统规定的协议要求，生成所需带宽和所需时宽的波形信号；所述信号调制合成部分将所述控制及数据产生转换部分生成的波形信号，合成调制到所需要的中心频率上；所述复位遥测电路部分根据系统规定的协议要求对控制及数据产生转换部分进行状态监测和FPGA重配置。本发明通过采取现场可编程门阵列(FPGA)和数字模拟转换相结合的方式及三模冗余的设计，既避免了复杂的对外接口、大量芯片所带来的设计的局限性和可靠性降低的缺点，又适用于不同系统灵活产生所需波形信号的要求，同时又使设备的重量和体积减轻。上述方案中，所述控制及数据产生转换部分通过在FPGA中产生不同带宽和时宽的数字线性调频信号，该调频信号的数字波形产生方法包含如下步骤I)假设计数器的计数位数n，其中B为带宽，T为时宽，F为时钟信号，按照协议给出的B、T和F值，用以下公式就可以得到计数器需设定的位数n 2n=F2*T/B ；2)计算计数器的初始值初始值=(F/B-l)*F*T+1 ；3)计数器按照初始值进行设置，以步进2进行计数，得到输出结果A=A+2 ；4)累加器按照计数器的位数对计数器的输出数据进行累加，得到累加值C=C+A ；5)从Sine-Cosine查找表中查找C对应的数值，得到相应的数字波形信号。上述方案中，所述控制及数据产生转换部分主要由，数字波形信号产生电路(且该电路采用现场可编程门阵列(FPGA)实现)、程序存储器、数字模拟转换器，变压器和低通滤波器完成，其中所述FPGA依据其所需完成的功能和数据量可采用不同型号的FPGA芯片，所述程序存储器可使用PROM或者E2PROM,其容量依据所选FPGA而定，所述数字模拟转换器可根据所需带宽和精度要求而定，所述低通滤波器采用相位均衡设计，以保证输出信号的相位线性度。上述方案中，所述控制及数据产生转换部分中FPGA输入输出管脚和FPGA内部软件全部采用三模冗余设计，有效的实现了抗单粒子翻转。上述方案中，所述信号调制合成部分包括调制器和带通滤波器，带通滤波器采用相位均衡设计，以保证输出信号的相位线性度。上述方案中，所述复位遥测电路部分，能够按照系统规定的协议要求，对FPGA进行程序重新下载，一方面在程序发生异常时能尽快地使系统恢复工作，另一方面定期使用复位的方式，也可达到抗单粒子翻转的目的。 上述方案中，所述复位遥测电路部分进一步包括看门狗遥测电路，以防止软件跑飞，从而在程序发生异常时能及时产生报警信号。图2是表示本发明的线性调频信号产生装置组成的框图，图3是构成本发明的线性调频信号产生装置的控制及数据产生转换电路的结构图，图4是构成本发明线性调频信号产生装置的信号调制合成电路的结构图，图5是构成本发明线性调频信号产生装置的复位遥测电路的结构图。如图2 5所示，本可用于星载设备的线性调频信号产生装置由控制及数据产生转换部分，信号调制合成部分和复位遥测电路部分组成。其中，控制及数据产生转换部分由FPGA系统组成，主要功能是根据带宽选择信号的产生不同带宽和时宽的数字线性调频信号；信号调制合成部分主要由滤波器和调制器组成，其作用就是将控制及数据产生转换部分生成的信号调制到所需要的中心频率上；复位遥测电路部分根据系统规定的协议要求对控制及数据产生部分进行状态监测和复位。本可用于星载设备的线性调频信号产生装置适用于不同系统灵活产生所需波形信号的需求。如图3所示，本发明的线性调频信号产生装置的控制及数据产生转换电路由FPGA、数字模拟转换器，变压器和低通滤波器组成，该部分的核心是FPGA，配以程序存储器。其中FPGA可以依据其所需完成的功能采用不同型号的FPGA ;程序存储器既可以使用PR0M，又可以使用E2PROM,容量依据所选FPGA而定。所述数字模拟转换器可根据所需带宽和精度要求而定。低通滤波器采用了相位均衡设计，以保证输出信号的相位线性度。通过在FPGA中采用一种双累加的方法，产生不同带宽和时宽的数字线性调频信号。FPGA输入输出管脚和FPGA内部软件全部采用了三模冗余设计，有效的实现了抗单粒子翻转。如图4所示，该装置的另一个组成部分可用于星载设备的线性调频信号产生装置的信号调制合成电路主要由调制器和带通滤波器组成。带通滤波器采用了相位均衡设计，以保证输出信号的相位线性度。如图5所示，该装置的另一个组成部分可用于星载设备的线性调频信号产生装置的复位遥测电路主要由门电路和看门狗组成。通过看门狗遥测电路，可以监测控制及数据产生转换电路工作状态，当发生异常时产生报警信号。根据系统协议可以通过复位电路对FPGA进行程序重新下载，一方面当程序工作状态异常时可以通过复位电路，尽快使系统恢复正常工作，另一方面也可以通过定期使用复位的方式，达到抗单粒子翻转的目的。
根据上述的设计方式，按照时宽分别为102.4US和12. 8us，带宽分别为80MHz，20MHz和5MHz的要求进行了产生线性调频信号的设计，我们编写了相应的程序。通过对软硬件的全面测试，设计满足系统要求，在轨运行验证了所述设计方案。表I给出了两种方案各项特性的比较。表I :
权利要求
1.一种用于星载设备的线性调频信号产生装置，其特征在于，所述装置包含 控制及数据产生转换电路，用于接收输入的触发及带宽选择信号并根据协议生成所需带宽和所需时宽的波形信号，该波形信号作为被调制的信号； 信号调制合成电路，用于接收输入的本振信号作为载频，将所述控制及数据产生转换部分生成的波形信号合成调制到该载频上；和 复位遥测电路，用于根据协议要求对控制及数据产生转换部分进行状态监测及重配置； 其中，所述复位遥测电路的输入端与带宽选择信号相连接，用于产生使FPGA重新下载软件的复位信号； 所述复位遥测电路输出端与所述控制及数据产生转换电路的另一输入端相连接，所述 控制及数据产生转换电路的输出端与所述信号调制合成电路的输入端相连接，所述信号调制合成电路接收输入的本振信号并对输入它的波形信号进行调制，该信号调制合成电路的输出端作为线性调频信号产生装置的输出端。
2.根据权利要求I所述的用于星载设备的线性调频信号产生装置，其特征在于，所述控制及数据产生转换电路通过在FPGA中采用双累加的方法，产生不同带宽和时宽的数字线性调频信号，通过带宽选择信号的逻辑组合，输出所需波形信号。
3.根据权利要求2所述的用于星载设备的线性调频信号产生装置，其特征在于，所述控制及数据产生转换部分进一步包含数据波形产生电路、程序存储器、两个数字模拟转换器，两个变压器和两个低通滤波器；其中 所述数字波形产生电路基于现场可编程门阵列实现，其进一步依次包括串联连接的计数器，设定计数器初始值，按照步进2进行计数，得到输出值A=A+2 ;累加器，对计数器的输出数据进行累加，得到累加值C=C+A ;查找表电路，从Sine-Cosine查找表中查找C对应的数值，得到相应的数字波形信号； 所述现场可编程门阵列的两个输出端依次与所述数模转换器、变压器和低通滤波器串联连接；其输入端与所述程序存储器、时钟信号、触发及带宽选择信号相连接，程序存储器用于存储FPGA软件；时钟信号是FPGA所需工作频率信号；当接收到触发信号时，FPGA内部产生时序控制信号及所需波形的数字信号；通过对带宽选择信号逻辑组合的判读，确定所需输出波形信号的带宽或产生使FPGA重新下载软件的复位信号。
4.根据权利要求2所述的用于星载设备的线性调频信号产生装置，其特征在于，所述程序存储器可使用PROM或者E2PROM,其容量依据所选现场可编程门阵列型号而定； 所述数字模拟转换器根据实际所需带宽和精度要求而定； 所述低通滤波器采用相位均衡设计，以保证输出信号的相位线性度。
5.根据权利要求2或3所述的用于星载设备的线性调频信号产生装置，其特征在于，所述FPGA输入输出管脚与其内部软件全部采用三模冗余设计。
6.根据权利要求2所述的用于星载设备的线性调频信号产生装置，其特征在于，所述复位遥测电路进一步包含复位电路和看门狗； 所述复位电路，用于根据协议对所述控制及数据产生转换电路中的FPGA进行程序重新下载，一方面当程序工作状态异常时通过该复位电路，尽快使所述控制及数据产生转换电路恢复正常工作，另一方面通过定期使用复位的方式，达到抗单粒子翻转的目的；所述看门狗遥测电路，用于产生监测控制及数据产生转换电路工作状态信号。
7.根据权利要求I所述的用于星载设备的线性调频信号产生装置，其特征在于，所述信号调制合成电路进一步包含依次串联连接的调制器和带通滤波器； 所述调制器的输入端用于接收所述控制及数据产生转换电路的输出波形信号，将该波形信号与输入该调制器的本振信号混频并输出； 所述带通滤波器的输入端与所述调制器的输出端相连，且其输出端作为该信号调制合成电路的输出端。·
全文摘要
本发明提供一种用于星载设备的线性调频信号产生装置。该装置包括控制及数据产生转换部分，信号调制合成部分和复位遥测电路部分，所述控制及数据产生转换部分根据系统规定的协议要求，生成所需带宽和所需时宽的波形信号；所述信号调制合成部分将所述控制及数据产生转换部分生成的波形信号，合成调制到所需要的中心频率上；所述复位遥测电路部分根据系统规定的协议要求对控制及数据产生转换部分进行状态监测和FPGA重配置。本发明采取现场可编程门阵列和数字模拟转换相结合的方式完全三模冗余的设计，既避免了复杂的对外接口、大量芯片所带来的设计的局限性和可靠性降低的缺点，又适用于不同系统灵活产生所需波形信号和星载设备应用上的要求。
文档编号G06F1/02GK102749957SQ20121021128
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者刘和光, 林颖, 许可 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心