CN110535798A - 一种基于fpga的lfm_bpsk复合调制信号实时产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法，包括如下步骤：(1)从ROM中读取线性调频信号调频率和每路输出数据数，生成LFM信号；(2)重复读取存储于ROM中的二进制数据，根据数据的相位值确定BPSK信号的符号，并形成数据序列；(3)将LFM信号和BPSK信号进行正交调制，得到LFM_BPSK复合调制信号。本发明中基带信号的频率范围、采样率可变，LFM信号的带宽、雷达发射脉冲宽度和用于相位编码的数据长度均可控，频域和时域仿真结果验证了算法的可行性。本发明的结论对射频目标模拟器设计具有重要的理论指导意义。

Description

一种基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法
技术领域
本发明涉及信号生成技术领域，尤其是一种基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法。
背景技术
目前，线性调频信号和相位编码信号均广泛地应用于现代高性能雷达体制中。其中，线性调频信号有良好的距离分辨率和径向速度分辨率，且可以用同一个匹配滤波器来处理不同多普勒频移的雷达回波信号，这样极大地简化了雷达回波信号处理系统。相位编码信号在满足作用距离和分辨力的同时，具有良好的抗干扰能力。LFM_BPSK复合调制信号兼具LFM信号和BPSK信号的优点，适用于复杂的电磁环境，近年来引起人们的关注。
FPGA(在线可编程逻辑阵列)广泛应用于各种数字信号处理中。使用FPGA芯片实时并行产生LFM_BPSK复合调制信号，对硬件的处理速率要求大大降低，提高了设计的时序可靠性。传统的LFM信号和复合调制信号的产生方法中，FPGA控制DDS芯片从内部存储器中读取波形数据，对FPGA内部存储器的资源要求较高，实时性和自适应性不足。因此，寻求实时性高、自适应性强且占用FPGA内部存储资源较少的复合调制信号产生方法很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法，解决了用FPGA实时产生多路并行LFM_BPSK复合调制信号的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法，包括如下步骤：
(1)从ROM中读取线性调频信号参数调频率μ和每路输出数据数M，生成线性调频信号的三角函数系数cos[μπ(mΔt)2)]和sin[πμ(mΔt)2]，其中m＝0，1，2，......M-1，Δ，＝1/fs，fs是基带信号采样率；将生成的三角函数系数分别存入RAM；
(2)读取存储于ROM中待编码的二进制数据C、数据长度L和每路输出数据数M，根据数据的相位值确定BPSK信号的符号，并形成数据序列cos[2πfIΔt+θ(m)]和sin[2πfIΔt+θ(m)]，其中m＝0，1，2，......M-1，Δt如前所述，θ(m)＝π·d2(m)，且d2(m)∈{0，1}；将生成的三角函数系数分别存入RAM；
(3)从RAM中读取LFM和BPSK信号的三角函数系数，将LFM信号和BPSK信号进行正交调制，得到LFM_BPSK复合调制信号
s(m)＝exp[j(2πfIΔt+μπ(mΔt)2+θ(m))]。
优选的，FPGA包括正弦和余弦函数表存储模块，各包括4096×16bit存储区，用于存储(215-1)×cos(n×2π/4096)的数值和(215-1)×sin(n×2π/4096)的数值，其中n＝0，1，2...4095；步骤(1)(2)条件下，分别以μπ(mΔt)2和2πfIΔt+θ(m)为地址从所述存储的函数表查找三角函数系数，地址长度为12bit。
优选的，步骤(1)(2)(3)条件下，m保持同步变化，每个时钟脉冲完成变化。
优选的，步骤(1)中，LFM信号8路实时数据角度的初值为
第1路：Θ(0)＝4μ0·2-18
...
第i路：Θ(i-1)＝(i+3)μ0·2-18
其中μ0＝233·(Δt)2·μ，长度为18bit，由上位机计算下传，i＝0，1，2...7；第qm个时钟周期时，LFM信号8路数据实时角度为
第1路：Θ(8qm-8)＝Θ(8qm-16)+8μ0(qm-1)·2-18
...
第i路：Θ(8qm+i-1)＝Θ(8qm+i-9)+8μ0(qm-1)·2-18
其中m＝8×qm+i，i＝0，1，2，...7，Θ(8qm+i-9)是第(qm-1)个时钟周期时LFM信号第i路实时角度，即相邻两个时钟周期各路数据的实时角度变化量相差ΔΘ(qm)-ΔΘ(qm-1)＝8μ0·2-18。
优选的，步骤(2)中，待编码二进制数据C可取2bit～64bit，数据长度L对应可取1bit～6bit，相位编码信号精度Δjm可控，为12bit，与数据长度L和每路输出数据数M相关；其中，为大幅提高地址精度，设Δjmb＝Δjm·228/27为36bit，由上位机计算下传；
(21)Q分量地址产生方法：地址到0或4096，需要判断下一个信号周期相位是0或π，若是0，则不改变地址增量模式；若为π，下一个信号周期从2048开始附加地址增量生成新的地址码，地址码为12bit；
(22)I分量地址产生方法：
当前信号周期的相位为0时，若下个信号周期相位为π，则将地址3072改为1024，并附加地址增量生成新的地址码；若下个信号周期相位为0，则接着在地址3072基础上附加地址增量生成新的地址码，地址码为12bit；
当前信号周期的相位为π时，若下个信号周期相位为0，则将地址1024处改为3072，并附加地址增量生成新的地址码；若下个信号周期相位为π，则接着在地址1024基础上附加地址增量生成新的地址码，地址码为12bit。
优选的，步骤(3)中，LFM_BPSK复合调制信号的生成公式为
优选的，步骤(3)中，生成的LFM和BPSK三角函数系数存储于RAM，所有RAM均包括32×16bit存储器，所述的RAM均以一个时钟脉冲存储和读取数据；乘法器、加法器的输入均为16bit，输出为32bit，该生成的复合信号为32bit。
本发明的有益效果为：本发明中基带信号的频率范围、采样率可变，LFM信号的带宽、雷达发射脉冲宽度和用于相位编码的数据长度均可控；使用FPGA实时多路并行生成LFM_BPSK复合调制信号，大幅降低了对硬件存储器资源、处理速率的要求，本发明的结论对射频目标模拟器设计具有重要的理论指导意义。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明基于FPGA产生的待编码二进制数据为64’h0的BPSK信号和带宽为50MHz、时宽为100μs的LFM信号调制生成的复合信号示意图。
图3为本发明基于FPGA生成的待编码二进制数据为64’ha3c6_bdf1_14ce_aa79的BPSK信号示意图。
图4为本发明MATLAB生成待编码二进制数据为64’hffff_ffff_ffff_ffff的BPSK信号和带宽为50MHz、时宽为100μs的LFM信号调制生成的复合信号理论值仿真示意图。
图5为本发明基于FPGA产生的待编码二进制数据为64’hffff_ffff_ffff_ffff的BPSK信号和带宽为50MHz、时宽为100μs的LFM信号调制生成的复合信号示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法，包括如下步骤：
步骤1、从ROM中读取线性调频信号参数调频率μ和每路输出数据数M。LFM信号8路数据实时角度的初值为
第1路：Θ(0)＝4μ0·2-18
...
第i路：Θ(i-1)＝(i+3)μ0·2-18
其中μ0＝233·(1/fs)2·μ，长度为18bit，由上位机计算下传，fs是基带信号采样率；i＝0，1，2...7。第qm个时钟周期时，LFM信号8路数据实时角度为
第1路：Θ(8qm-8)＝Θ(8qm-16)+8μ0(qm-1)·2-18
...
第i路：Θ(8qm+i-1)＝Θ(8qm+i-9)+8μ0(qm-1)·2-18
其中m＝8×qm+i，qm＝2，3，...，M，i＝0，1，2，...7，Θ(8qm+i-9)是第(qm-1)个时钟周期时LFM信号第i路实时角度，即相邻两个时钟周期各路数据的实时角度变化量相差ΔΘ(qm)-ΔΘ(qm-1)＝8μ0·2-18。
FPGA包括正弦和余弦函数表存储模块，各包括4096×16bit存储区，用于存储(215-1)×cos(n×2π/4096)的数值和(215-1)×sin(n×2π/4096)的数值，其中n＝0，1，2...4095。
FPGA实时计算过程中用加法器进行各路数据角度的递增，用生成的角度μπ(mΔt)2作为地址，地址长度为12bit，从所述存储的函数表查找三角函数系数。将生成的三角函数系数分别存入RAM，RAM包括32×16bit存储器，以一个时钟脉冲存储和读取数据。
步骤2、读取存储于ROM中待编码的二进制数据C(2bit～64bit)、数据长度L(1bit～6bit)、地址精度Δjm(12bit)和每路输出数据数M，根据数据的相位值确定BPSK信号的符号。其中，为大幅提高地址精度，设Δjmb＝Δjm·228/27为36bit，由上位机计算下传。
(1)Q分量地址产生方法：地址到0或4096，需要判断下一个信号周期相位是0或π，若是0，则不改变地址增量模式；若为π，下一个信号周期从2048开始附加地址增量生成新的地址码，地址码为12bit。
(2)I分量地址产生方法：
当前信号周期的相位为0时，若下个信号周期相位为π，则将地址3072改为1024，并附加地址增量生成新的地址码；若下个信号周期相位为0，则接着在地址3072基础上附加地址增量生成新的地址码，地址码为12bit。
当前信号周期的相位为π时，若下个信号周期相位为0，则将地址1024处改为3072，并附加地址增量生成新的地址码；若下个信号周期相位为π，则接着在地址1024基础上附加地址增量生成新的地址码，地址码为12bit。
用地址码从上述存储的函数表查找三角函数系数。将生成的三角函数系数分别存入RAM，RAM包括32×16bit存储器，以一个时钟脉冲存储和读取数据。
步骤3、从RAM中读取LFM和BPSK信号的三角函数系数，将LFM信号和BPSK信号进行正交调制，得到LFM_BPSK复合调制信号
s(m)＝
{cos[μπ(mΔt)2)]·cos[2πfIΔt+θ(m)]-sin[πμ(mΔt)2]·sin[2πfIΔt+θ(m)]}
+j{sin[πμ(mΔt)2]·cos[2πfIΔt+θ(m)]+cos[μπ(mΔt)2)]·sin[2πfIΔt+θ(m)]}
＝exp[j(2πfIΔt+μπ(mΔt)2+θ(m))]
本发明中采用ISE/Modelsim+Matlab工具仿真，仿真时改变待编码二进制数据的长度和值，改变LFM信号的调频率和带宽，频域和时域仿真验证了本发明的正确性、可行性和有效性。
图2为基于FPGA产生的待编码二进制数据为64’h0的BPSK信号和带宽为50MHz、时宽为100μs的LFM信号调制生成的复合信号示意图。
图3为基于FPGA生成的待编码二进制数据为64’ha3c6_bdf1_14ce_aa79的BPSK信号示意图。
图4为MATLAB生成待编码二进制数据为64’hffff_ffff_ffff_ffff的BPSK信号和带宽为50MHz、时宽为100μs的LFM信号调制生成的复合信号理论值仿真示意图。
图5为基于FPGA产生的待编码二进制数据为64’hffff_ffff_ffff_ffff的BPSK信号和带宽为50MHz、时宽为100μs的LFM信号调制生成的复合信号示意图。
从图中可以看出，本发明基带信号的频率范围、采样率可变，生成带宽、雷达发射脉冲宽度可变的LFM信号，待编码数据长度、值均可控的BPSK信号及LFM_BPSK复合调制信号。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)从ROM中读取线性调频信号参数调频率μ和每路输出数据数M，生成线性调频信号的三角函数系数cos[μπ(mΔt)2)]和sin[πμ(mΔt)2]，其中m＝0,1,2,……M-1，Δt＝1/fs，fs是基带信号采样率；将生成的三角函数系数分别存入RAM；
(2)读取存储于ROM中待编码的二进制数据C、数据长度L和每路输出数据数M，根据数据的相位值确定BPSK信号的符号，并形成数据序列cos[2πfIΔt+θm)]和sin[2πfIΔt+θ(m)]，其中m＝0,1,2,……M-1，Δt如前所述，θ(m)＝π·d2(m)，且d2(m)∈{0,1}；将生成的三角函数系数分别存入RAM；
(3)从RAM中读取LFM和BPSK信号的三角函数系数，将LFM信号和BPSK信号进行正交调制，得到LFM_BPSK复合调制信号
s(m)＝exp[j(2πfIΔt+μπ(mΔt)2+θ(m))]。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法，其特征在于，FPGA包括正弦和余弦函数表存储模块，各包括4096×16bit存储区，用于存储(215-1)×cos(n×2π/4096)的数值和(215-1)×sin(n×2π/4096)的数值，其中n＝0,1,2...4095；步骤(1)(2)条件下，分别以μπ(mΔt)2和2πfIΔt+θ(m)为地址从所述存储的函数表查找三角函数系数，地址长度为12bit。
3.如权利要求1所述的基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法，其特征在于，步骤(1)(2)(3)条件下，m保持同步变化，每个时钟脉冲完成变化。
4.如权利要求1所述的基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法，其特征在于，步骤(1)中，LFM信号8路实时数据角度的初值为
第1路：Θ(0)＝4μ0·2-18
…
第i路：Θ(i-1)＝(i+3)μ0·2-18
其中μ0＝233·(Δt)2·μ，长度为18bit，由上位机计算下传，i＝0,1,2...7；第qm个时钟周期时，LFM信号8路数据实时角度为第1路：Θ(8qm-8)＝Θ(8qm-16)+8μ0(qm-1)·2-18
…
第i路：Θ(8qm+i-1)＝Θ(8qm+i-9)+8μ0(qm-1)·2-18
其中m＝8×qm+i，i＝0,1,2,...7，Θ(8qm+i-9)是第(qm-1)个时钟周期时LFM信号第i路实时角度，即相邻两个时钟周期各路数据的实时角度变化量相差ΔΘ(qm)-ΔΘ(qm-1)＝8μ0·2-18。
5.如权利要求1所述的基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法，其特征在于，步骤(2)中，待编码二进制数据C可取2bit～64bit，数据长度L对应可取1bit～6bit，相位编码信号精度Δjm可控，为12bit，与数据长度L和每路输出数据数M相关；其中，为大幅提高地址精度，设Δjmb＝Δjm·228/27为36bit，由上位机计算下传；
(21)Q分量地址产生方法：地址到0或4096，需要判断下一个信号周期相位是0或π，若是0，则不改变地址增量模式；若为π，下一个信号周期从2048开始附加地址增量生成新的地址码，地址码为12bit；
(22)I分量地址产生方法：
当前信号周期的相位为0时，若下个信号周期相位为π，则将地址3072改为1024，并附加地址增量生成新的地址码；若下个信号周期相位为0，则接着在地址3072基础上附加地址增量生成新的地址码，地址码为12bit；
当前信号周期的相位为π时，若下个信号周期相位为0，则将地址1024处改为3072，并附加地址增量生成新的地址码；若下个信号周期相位为π，则接着在地址1024基础上附加地址增量生成新的地址码，地址码为12bit。
6.如权利要求1所述的基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法，其特征在于，步骤(3)中，LFM_BPSK复合调制信号的生成公式为
7.如权利要求1所述的基于FPGA的LFM_BPSK复合调制信号实时产生方法，其特征在于，步骤(3)中，生成的LFM和BPSK三角函数系数存储于RAM，所有RAM均包括32×16bit存储器，所述的RAM均以一个时钟脉冲存储和读取数据；乘法器、加法器的输入均为16bit，输出为32bit，该生成的复合信号为32bit。
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