CN104570861A - 一种基于fpga的射频信号源电路 - Google Patents

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张宇
苗尧飞
宋光伟
孙光
莫晓婷
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的射频信号源电路。本设计包括电源电路、FPGA芯片及含有工作程序、DDS芯片电路、恒温晶振电路、低通滤波器电路、射频放大器和数控衰减器电路、时钟电路、片外程序存储电路、JTAG程序下载调试电路和UART串口电路。本发明的特点是：采用单片集成DDS芯片技术；使用FPGA对DDS芯片进行高速控制；DDS芯片工作时钟可达1GHz，输出正弦频率可达400MHz；具有射频输出信号功率软件控制功能；可通过UART串口由外部设备对射频信号发生器电路进行控制；采用恒温晶振提高射频输出信号的精准度；频率精度为0.23Hz；DDS芯片内部含14位DAC。

Description

一种基于FPGA的射频信号源电路
技术领域
本发明涉及无线通信系统，尤其涉及一种基于FPGA的射频信号源电路。
背景技术
在现代雷达、通信和电子对抗领域中，信号发生器得到广泛应用，同时对信号的指标要求也越来越高。在目前信号频率合成的各种类型中，直接数字频率合成（DDS）技术是近年来迅速发展起来的频率合成方法。DDS采用数字存储技术，通过相位累加、幅度查表以及数模变换来实现波形产生，因具有超宽的相对带宽，超高的频率捷变速度，超细的频率分辨力，相位连续，全数字化，便于单片集成等优越性能而得到广泛应用。
目前射频信号源电路多为模拟实现，采用超外差式电路设计，通过PLL锁相环控制VCO压控振荡器产生所需的信号频率，这种方式仅能产生单一的正弦信号和简单的模拟调制方式，受温度等环境影响较大，若要输出频率范围较宽的信号对环路滤波器等电路实现难度较大。
发明内容    
鉴于现有技术存在的问题和缺陷，本发明提供一种基于FPGA的射频信号源电路。本设计通过使用DDS芯片的新设计方案，实现一种基于FPGA的射频信号源电路。该电路主要应用于无线通信领域。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案是：一种基于FPGA的射频信号源电路，其特征在于：包括电源电路、FPGA芯片以及包含的工作程序、DDS芯片电路、恒温晶振电路、低通滤波器电路、射频放大器和数控衰减器电路、时钟电路、片外程序存储电路、JTAG程序下载调试电路和UART串口电路；所述的FPGA芯片分别与电源电路、DDS芯片电路、射频放大器和数控衰减器电路、时钟电路、片外程序存储电路、JTAG程序下载调试电路及UART串口电路相连接，DDS芯片电路分别与恒温晶振电路及低通滤波器电路相连接，低通滤波器电路与射频放大器和数控衰减器电路相连接。
本发明的特点是：（1）采用单片集成DDS芯片技术。（2）使用FPGA对DDS芯片进行高速控制。（3）DDS芯片工作时钟可达1GHz，输出正弦频率可达400MHz。（5）具有射频输出信号功率软件控制功能。（6）可通过UART串口由外部设备对射频信号发生器电路进行控制。（7）采用恒温晶振提高射频输出信号的精准度。（8）频率精度为0.23Hz。（9）DDS芯片内部含14位DAC。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图；
图2为图1中DDS芯片电路原理框图；
图3为图1中 FPGA芯片工作程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
参照图1，一种基于FPGA的射频信号源电路包括电源电路、FPGA芯片及含有工作程序、DDS芯片电路、恒温晶振电路、低通滤波器电路、射频放大器和数控衰减器电路、时钟电路、片外程序存储电路、JTAG程序下载调试电路和UART串口电路；所述的FPGA芯片分别与电源电路、DDS芯片电路、射频放大器和数控衰减器电路、时钟电路、片外程序存储电路、JTAG程序下载调试电路及UART串口电路相连接，DDS芯片电路分别与恒温晶振电路及低通滤波器电路相连接，低通滤波器电路与射频放大器和数控衰减器电路相连接，电源电路与所有电路相连接。
本发明的FPGA芯片是整个系统的控制核心，其中时钟电路为FPGA芯片提供工作时钟，电源电路为整个系统提供所需的电源，JTAG程序下载调试电路用于对FPGA芯片进行调试和程序下载，DDS芯片电路根据FPGA芯片的控制输出所需的射频信号，恒温晶振电路为DDS芯片提供稳定高精度时钟源，低通滤波器电路用于对DDS芯片输出的阶梯模拟信号进行滤波，从而输出平滑的模拟信号，射频放大器和数控衰减器电路用于将射频信号进行输出功率控制，UART串口电路用于实现标准的串口电气信号。
参照图2，DDS芯片主要由五部分组成：相位累加器、正弦查询表、数模转换器、低通滤波器和参考时钟。DDS芯片工作时，通过改变相位累加器的频率控制字(Frequency Tune Word，FTW)来改变相位增量，相位增量的不同，将导致一周内的取样点数不同。取样是在系统时钟控制下进行的，即取样周期是一定的，根据相位增量的不同，从ROM中读取的信号周期就不同。ROM输出的二进制数送到DAC进行D/A变换，得到模拟形式量化（阶梯式）的正弦波。最后经过滤波器滤除不需要的频率分量，平滑得到正弦波。
    参照图3，FPGA芯片的工作程序流程是：系统上电，FPGA芯片加载程序，FPGA通过UART串口接收来自外部控制设备的控制指令， FPGA芯片对控制指令进行译码，并分析指令含义，根据指令含义通过DDS芯片专用的并行或串行总线对DDS芯片进行相应控制，同时FPGA芯片根据指令含义控制射频放大器和数控衰减器电路。
此电路设计可实现任意波发生器，如锯齿波、方波、脉冲、三角波、正弦波；可进行ASK、FSK、PSK等调制方式；整个电路通过FPGA软件控制，也可通过UART串口由外部设备控制，使用方便、灵活。FPGA芯片通过串口接收来自外部控制设备（可以是上位机和具有串口功能的微处理器）的控制指令，该控制指令事先已根据自身的需要规定好帧格式和命令格式，FPGA芯片根据命令功能通过DDS芯片专用的并行或串行总线控制DDS芯片输出信号的频率、幅度等，还可以进行FSK、PSK、ASK等调制信号，通过DDS专用并口FPGA对其进行高速数据传输，使设备成为任意波发生器，如三角波、方波、锯齿波、脉冲、正弦波等。通过FPGA对电路中数控衰减器的控制可以在一定范围内控制最终信号输出的功率。该设备使用方便灵活，可根据自身需要扩展其功能（如输出波形种类、调制信号种类）。

Claims (2)

1. 一种基于FPGA的射频信号源电路，其特征在于：包括电源电路、FPGA芯片以及包含的工作程序、DDS芯片电路、恒温晶振电路、低通滤波器电路、射频放大器和数控衰减器电路、时钟电路、片外程序存储电路、JTAG程序下载调试电路和UART串口电路；所述的FPGA芯片分别与电源电路、DDS芯片电路、射频放大器和数控衰减器电路、时钟电路、片外程序存储电路、JTAG程序下载调试电路及UART串口电路相连接，DDS芯片电路分别与恒温晶振电路及低通滤波器电路相连接，低通滤波器电路与射频放大器和数控衰减器电路相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的射频信号源电路，其特征在于：FPGA芯片的工作程序流程是：系统上电，FPGA芯片加载程序，FPGA通过UART串口接收来自外部控制设备的控制指令， FPGA芯片对控制指令进行译码，并分析指令含义，根据指令含义通过DDS芯片专用的并行或串行总线对DDS芯片进行相应控制，同时FPGA芯片根据指令含义控制射频放大器和数控衰减器电路。
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