CN105978559B - 宽带线性调频微波信号发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽带线性调频微波信号发生器。其中，压控振荡器产生线性调频信号；其被功分器分为三路，其中A路信号直接输出，B路信号直接输入混频器的第一输入端口，C路信号由延迟线进行时间延迟后输入混频器的第二输入端口；混频器的输出信号进行模数转换后生成数字信号，被输入至FPGA信号处理模块进行分析处理，生成数字形式的微调信号；该微调信号进行数模转换后，生成的模拟形式的微调信号被输入至压控振荡器，以控制压控振荡器输出信号的频率。本发明在保留了原有模拟技术大带宽的优点的同时，借助FPGA强大的数据处理能力，搭建反馈回路克服传统模拟法频率不稳，线性度不佳的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种宽带线性调频微波信号发生器。
背景技术
雷达的测速精度和速度分辨率，主要取决于信号的时域结构，为了提高测速精度和速度分辨率，要求信号有大的时宽。测距精度和距离分辨率主要取决于信号的频域结构。为了提高测距精度和距离分辨率，要求信号具有大的带宽。使用大宽带信号可以提高距离分辨率，使雷达的目标精细成像成为可能。此外，大宽带信号可以提供更多的关于目标频域信息，更好的为目标识别提供依据。近年来，随着对大时带积信号的深入研究，逐渐形成了超宽带雷达信号这一新技术。而目前国内外超宽带雷达信号普遍采用的就是线性调频信号。
线性调频信号产生的方式有两种，即模拟法和数字法。其中，模拟法采用锯齿电压控制压控振荡器(VCO)产生线性调频信号，此方法不足之处在于：缺乏应有的灵活性；模拟电路抗干扰性差导致频率不稳，随温度漂移；线性度不佳。数字法采用直接数字频率合成技术具有很高的可靠性行和灵活性，用它产生的线性调频信号频率分辨率高，相位噪声低，线性度好。此方法的不足之处在于带宽小，而后续的扩频方法又会一定程度的损坏输出信号的线性度和频率分辨率等优良特性，这就大大限制了雷达的测距精度和距离分辨率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种宽带线性调频微波信号发生器。
(二)技术方案
本发明宽带线性调频微波信号发生器包括：压控振荡器1、功分器2、延迟线3、混频器4、FPGA信号处理模块8和D/A数模转换模块9。其中，所述压控振荡器1产生线性调频信号；该线性调频信号被所述功分器2分为三路，其中A路信号作为宽带线性调频微波信号发生器的输出信号直接输出，B路信号直接输入所述混频器4的第一输入端口，C路信号由所述延迟线3进行时间延迟后输入所述混频器4的第二输入端口；所述混频器4的输出信号进行模数转换后生成数字信号，该数字信号被输入至所述FPGA信号处理模块8进行分析处理，生成数字形式的微调信号；该微调信号经由D/A数模转换模块9进行数模转换后，生成的模拟形式的微调信号被输入至所述压控振荡器1，以控制所述压控振荡器1输出信号的频率。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明宽带线性调频微波信号发生器具有以下有益效果：
(1)带宽大，满足高分辨率雷达等需要宽带信号的场合；
(2)引入反馈机制，提高了信号线性度；
(3)利用FPGA信号处理模块输出的数字信号控制信号参数，使得信号参数调节灵活方便。
附图说明
图1为根据本发明实施例宽带线性调频微波信号发生器；
图2为图1所示宽带线性调频微波信号发生器中FPGA模块进行数据处理的流程图。
【符号说明】
1-压控振荡器； 2-功分器； 3-延迟线；
4-混频器； 5-低通滤波器； 6-中频放大器；
7-A/D模数转换模块； 8-FPGA信号处理模块；
9-D/A数模转换模块。
具体实施方式
本发明提供了一种基于VCO的宽带线性调频微波信号发生器，其保留了原有模拟技术大带宽的优点的同时，借助FPGA强大的数据处理能力，搭建反馈回路克服传统模拟法频率不稳，线性度不佳的缺点。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种宽带线性调频微波信号发生器。请参照图1，本实施例宽带线性调频微波信号发生器包括：压控振荡器1、功分器2、延迟线3、混频器4、低通滤波器5、中频放大器6、A/D模数转换模块7、FPGA信号处理模块8和D/A数模转换模块9。
其中，压控振荡器1产生线性调频信号，该线性调频信号被功分器2分为三路，其中A路信号直接输出，B路信号直接输入混频器4的第一输入端口，C路信号由延迟线3进行时间延迟后输入混频器4的第二输入端口。混频器4对输入的两路信号进行混频，输出混频信号，该混频信号由低通滤波器5进行滤波和中频放大器6进行放大后，由A/D模数转换模块7进行模数转换，生成数字信号。该数字信号被输入至FPGA信号处理模块8进行分析处理，生成数字形式的微调信号。该微调信号由D/A数模转换模块9进行数模转换后，生成的模拟形式的微调信号被输入至压控振荡器1，从而控制压控振荡器1输出信号的频率。
可见，本实施例宽带线性调频微波信号发生器引入了反馈机制，可以提高信号的线性度，同时输出信号的带宽大，满足高分辨率雷达等需要宽带信号的场合。
以下分别对本实施例宽带线性调频微波信号发生器的各个组成部分进行详细描述。
请参照图1，压控振荡器1是输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，常以符号(Voltage Controlled Oscillator，简称VCO)表示。使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。
请参照图1，压控振荡器1的输出端口连接至功分器2的输入端口。功分器2全称为功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件。压控振荡器1输出的线性调频信号经过功分器2分为三路，A路输出高线性度宽带线性调频信号供用户使用，B、C两路作为反馈信号，被输入至混频器4。
请继续参照图1，功分器2的B输出端口连接至混频器4的第一输入端口；功分器2的C输出端口经由延迟线3后连接至混频器4的第二输入端口。功分器2输出的两路反馈信号中，B路信号直接进入混频器，C路信号经过延迟线3进入混频器，两路微波信号在混频器中进行混频。
混频器4的输出信号中同时包含频率等于两输入信号频率之和以及两路输入信号频率之差的信号分量，通过后续低通滤波器滤除后，只剩下频率等于两输入信号频率之差的信号分量。
延迟线3的使用需兼顾时宽，中频频率分辨率，采样时间极限等因素综合考虑。混频后信号经过低通滤波器5去除高频信号保留中频信号S(t)。
请继续参照图1，混频器4的输出端口连接至低通滤波器5的输入端口。其中，经过该低通滤波器后，混频后的信号被滤除高频信号，仅保留中频信号S(t)。
请继续参照图1，低频滤波器5的输出端口连接至中频放大器6的输入端口。中频放大器6是一种功率放大器，同时也具有选频的功能，即对特定频段的功率增益高于其他频段的增益。本实施例充分利用其放大中频信号、抑制噪声和相邻通道的干扰以及自动增益控制(AGC)等功能，保证反馈信号的有效性。
本实施例中，低通滤波器的通带为直流到几百MHz，中频放大器对几十MHz到几百MHz频段的信号增益至少为10dB，一般为几十dB。
本领域技术人员应当理解，通过增加低频滤波器5和中频放大器6可以保证反馈信号的有效性，从而提升后端FPGA信号处理模块8的精度，而该低频滤波功能以及信号放大功能也可以集成至其他模块中，而不单独设立，例如集成于FPGA信号处理模块中，或者在精度要求不高的情况下，省略该低频滤波器5和中频放大器6，同样可以实现本发明。
请继续参照图1，中频放大器6的输出端口连接至A/D模数转换模块7。而AD转换模块7的输出端口连接至FPGA信号处理模块8的输入端口。该A/D模数转换模块7将中频放大器6输出的信号转换为数字信号后，输出至FPGA信号处理模块8。
其中，FPGA信号处理模块8进行分析处理，生成数字形式的微调信号。请参照图1和图2，FPGA信号处理模块8包括：
采样子模块，用于对输入的数字信号进行采样；
峰值频率提取子模块，用于对采样子模块输出的采样信号进行傅里叶变换(FFT)，其中，FFT可通过蝶形运算实现，也可通过调用FPGA自带FFT核完成，对于傅里叶变换的结果通过寻峰得到输入信号的峰值频率f′；
分析子模块，用于将峰值频率f′与目标频率fc做差，即Δf＝f′-fc，，根据比较结果Δf得到压控振荡器的数字形式的微调信号。
其中，目标频率fc等于欲得到的线性调频信号频率随时间变化的斜率k与延迟线的延迟时间τ的乘积。宽带线性调频微波信号发生器在理想情况下输出的频率f满足：
f＝f0+k(t-nT)
其中，f0为初始频率，k为频率随时间变化的斜率，t为时间，T为宽带线性调频微波信号发生器频率变化的周期，n取整数。
比较结果Δf值的正负代表调节方向，当Δf值为正时，向压控振荡器叠加负微调信号，使得输出频率减小；当Δf值为负值，向压控振荡器叠加正微调信号，使得输出频率增大。比较结果Δf的绝对值反映需要调节量的大小，根据比较结果Δf得到压控振荡器的数字形式的微调信号。如此持续执行，直至Δf等于0，微调信号值等于0。
其中，FPGA信号处理模块8实时监测压控振荡器1的输出信号，不断对中频信号进行采样，并根据监测结果生成微调信号对压控振荡器的控制电压进行微调，从而保证压控振荡器输出信号具有良好的线性度。
FPGA信号处理模块输出的数字形式的微调信号经过D/A数模转换模块9转化后对压控振荡器1进行微调，保证压控振荡器输出信号具有良好的线性度。压控振荡器的控制电压可根据Δf值调整后全部重新生成，也可以保留原线性电压信号不变，根据Δf值生成微调信号与原值进行叠加，即在不改变原有直流分量基础上叠加微调交流分量进行控制。
本实施例中，D/A数模转换模块9输出的模拟波形包含两部分：(a)线性电压信号；(b)FPGA信号处理模块8处理后得到的微调信号。(a)(b)两分量的叠加得到压控振荡器1的控制电压的模拟波形，此模拟波形使得压控振荡器1的输出频率保持稳定线性变化。
本实施例中，压控振荡器1在D/A数模转换模块9输出电压的控制下输出不同参数的线性调频信号；输出信号参数受D/A数模转换模块9输出电压控制，数字信号的灵活多变使得线性调频信号参数调整变得容易。如雷达测量静止目标距离需要锯齿波，测量运动目标距离需要三角波。通过改变数字量可得到所需信号，如数字量的步进量决定线性调频信号的步进量，数字量包含的数据范围决定线性调频信号的带宽。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明宽带线性调频微波信号发生器有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
综上所述，本发明借助FPGA强大的数据处理能力，搭建反馈回路克服传统模拟法频率不稳，线性度不佳的缺点，具有良好的应用前景。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种宽带线性调频微波信号发生器，其特征在于，包括：压控振荡器(1)、功分器(2)、延迟线(3)、混频器(4)、FPGA信号处理模块(8)和D/A数模转换模块(9)；
其中，所述压控振荡器(1)产生线性调频信号；该线性调频信号被所述功分器(2)分为三路，其中A路信号作为宽带线性调频微波信号发生器的输出信号直接输出，B路信号直接输入所述混频器(4)的第一输入端口，C路信号由所述延迟线(3)进行时间延迟后输入所述混频器(4)的第二输入端口；所述混频器(4)的输出信号进行模数转换后生成数字信号，该数字信号被输入至所述FPGA信号处理模块(8)进行分析处理，生成数字形式的微调信号；该微调信号经由D/A数模转换模块(9)进行数模转换后，生成的模拟形式的微调信号被输入至所述压控振荡器(1)，以控制所述压控振荡器(1)输出信号的频率；其中，
所述混频器(4)的输出信号中至少包括：两路输入信号频率之差的信号分量；
所述FPGA信号处理模块(8)包括：
采样子模块，用于对输入的数字信号进行采样；
峰值频率提取子模块，用于对采样子模块输出的采样信号进行傅里叶变换(FFT)，对于傅里叶变换的结果通过寻峰得到输入信号的峰值频率f＇；
分析子模块，用于将所述峰值频率f＇与目标频率fc做差，即△f＝f＇-fc，根据比较结果△f得到压控振荡器的数字形式的微调信号。
2.根据权利要求1所述的宽带线性调频微波信号发生器，其特征在于，所述分析子模块中，所述目标频率fc等于欲得到的线性调频信号频率随时间变化的斜率k与所述延迟线(3)的延迟时间τ的乘积。
3.根据权利要求1所述的宽带线性调频微波信号发生器，其特征在于，所述分析子模块中：
比较结果△f的绝对值反映需要调节量的大小；
比较结果△f值的正负代表调节方向，当△f值为正时，向压控振荡器叠加负微调信号，使得输出频率减小；当△f值为负值，向压控振荡器叠加正微调信号，使得输出频率增大。
4.根据权利要求1所述的宽带线性调频微波信号发生器，其特征在于，所述傅里叶变换通过蝶形运算，或通过调用FPGA自带FFT核来实现。
5.根据权利要求1所述的宽带线性调频微波信号发生器，其特征在于，所述D/A数模转换模块(9)向所述压控振荡器(1)输出的模拟信号的波形包括：线性电压信号和所述数字形式的微调信号。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的宽带线性调频微波信号发生器，其特征在于，还包括：
低通滤波器(5)，其输入端连接至所述混频器的输出端；
中频放大器(6)，其输入端连接至所述低通滤波器(5)的输出端；
其中，所述中频放大器(6)输出的信号进行模数转换后生成所述数字信号。
7.根据权利要求6所述的宽带线性调频微波信号发生器，其特征在于，所述混频器(4)的输出信号中包括：两路输入信号频率之差的信号分量；以及两路输入信号频率之和的信号分量；
其中，所述低通滤波器(5)将所述混频器(4)的输出信号中两路输入信号频率之和的信号分量滤除。
8.根据权利要求7所述的宽带线性调频微波信号发生器，其特征在于，所述低通滤波器的通带为直流到kMHz，所述中频放大器对预设频段的信号增益至少为10dB。
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