CN115166640B - 一种时域Frank码信号产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种时域Frank码信号产生方法。该方法包括步骤：Frank码相位产生以及频率控制字查找表；对四分之一周期的余弦信号进行满足使用要求点数的采样处理得到相应点数的余弦信号查找表；对Frank码字系数进行整数量化；现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray‑FPGA)根据Frank码相位产生公式生成频率控制字查找表地址；直接数字式频率合成DDS根据频率控制字生成Frank码信号。本发明实现了基于现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray‑FPGA)的Frank码信号的实时产生。

Description

一种时域Frank码信号产生方法
技术领域
本发明涉及时域Frank码信号产生方法，用于通信和雷达信号处理场合。
背景技术
随着电子对抗技术的发展，低截获概率雷达成为雷达系统中关键的工作模式。多相码信号结合了相位编码信号和调频信号的优点，并且改善两者的缺点，有着高距离分辨率和大多普勒容限的特点，是较好的低截获概率雷达信号形式。Frank码是一种常见的多相码。
在低截获概率雷达系统的研发中需要雷达系统搭载Frank码信号生成能力，同样为了测试新研发的雷达接收机的性能，需要相应雷达模拟器具备Frank码信号产生能力，现有技术中，缺乏实时高精度Frank码信号生成技术，无法满足实际系统需求。
发明内容
针对现有技术中缺乏实时Frank码信号产生技术，本发明的目的是提供一种时域Frank码信号产生方法，在FPGA中搭建数字电路，使用硬件电路完成Frank码信号实时产生，满足对实时性要求较高的应用场景的需求。
为了实现上述目的，采用以下技术方案：
一种时域Frank码信号产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array-FPGA)量化需求量化Frank码相位差步进值；
2)根据时序逻辑进行嵌套循环产生Frank码信号实时相位，内部循环每循环一次Frank码相位累加一次相位差。每当内部循环完成一个周期，外部循环将相位差累加相位差步进值；
3)确定波形查找表；
4)数字式频率合成DDS根据相位产生多路并行的Frank信号实时波形；
5)经过并串转换，得到串行的Frank信号；
6)将所得到的Frank信号通过模数转换，输出模拟Frank信号波形；其中，数字式频率合成DDS设计采用以下方法：
把信号幅度位宽记为I，1/4周期余弦信号采样点数记为N，利用FPGA中BlockRAM(随机存储器：Random Access Memory-RAM)资源，建立1个位宽为I且深度为N的RAM用于储存余弦信号查找表，所述Block RAM为FPGA中特定的硬件资源。
其中，Frank信号相位产生采用以下方法：
Frank码实质是对线性调频波进行阶梯近似得到，共M个步进频率，每个步进频率有M个采样点，因此Frank码的编码长度为Nc＝M2，是完全平方数，脉压比也为Nc＝M2。第j个步进频率上的第i个采样点的相位为：
其中i(i＝0，1，2，...，M-1)为给定频率的采样点数，j(j＝0，1，2，...，M-1)为步进数。
在FPGA实现时只需进行加法运算就能实现Frank码相位的实时产生。当j为某一个步进数时，相位累加因子为因此每当j变化时把/>累加/>在i变化时相位累加/>因此只需加法就能实现Frank码信号相位变化。
每当j变化时相位累加值按照公式(2)方式变化，当i变化时相位加上deltaphase既是所需相位值。
deltaphase＝deltaphase+Mn (2)
其中，Frank信号参数量化采用以下方法：
FPGA实现浮点数较为复杂，所以首先对需要产生的信号参数通过公式(3)进行量化计算；计算得出相位累加值。
Mn是量化后的相位步进值，M是多相码相位数，216是相位量化位数。
其中，信号缓存采用以下方法：
对需要产生的信号参数通过公式(3)进行量化计算；计算得出相位累加值；
Mn是量化后的相位步进值，M是多相码相位数，216是相位量化位数。
进一步地，实时相位值通过公式(1)产生
进一步地，为了节省片内RAM资源，查找表使用四分之一周期，将产生信号相位进行镜像变换获取对应幅度值。
进一步地，公式(1)中的乘法均在FPGA中通过累加的方式实现。
进一步地，对FPGA运算数据进行2N量化处理提高算法在FPGA上的运行效率。
进一步地，相位累加值在每个频点加上固定步进值，步进值通过公式(3)产生：
本发明提供的一种一种时域Frank码信号产生方法，其有益效果如下：
1)通过循环累加的方式实现二元乘法运算，节约芯片内部乘法器资源。
2)信号通过流水线并行产生，保证产生信号的高精度。
3)本设计通过FPGA计算实现，最大程度保证处理延时固定、可控和减少传输延时。
4)外部参数可灵活配置增加产生信号的灵活性与多样性。
附图说明
图1是本发明实施例的Frank码产生流程图；
图2是本发明实施例的实时Frank码信号产生流程图；
图3是本发明实施例的Frank码相位产生流程图；
图4是本发明实施例产生的Frank码信号频域图。
具体实施方式
为了充分阐述本发明的目的、技术内容及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细的介绍和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种时域Frank码信号产生方法，用于解决现有通信和雷达信号处理场合对实时Frank码信号产生的需求。为更好地说明本发明流程，以下通过描述八相Frank码信号产生流程进行说明。
参考图1，本发明实施例提供的时域Frank码信号产生方法包括参数量化、相位产生、信号产生、并串转换，共四个步骤。各个步骤的实施方法如下：
(1)信号参数量化方法：
FPGA实现浮点数较为复杂，所以首先对需要产生的信号参数通过公式(1)进行量化计算。Mn是量化后的相位步进值，M是多相码相位数，这里产生八相Frank码所以M取值为8，216是相位量化位数。该步骤对应图1中的(1)
(2)参数传输
计算参数通过以太网口由PC传输给ZYNQ芯片，该步骤对应图1中的(2)。
(3)信号相位产生方法：
Frank码实质是对线性调频波进行阶梯近似得到，共8个步进频率，每个步进8个采样点，因此Frank码的编码长度为Nc＝M2＝64，是完全平方数，脉压比也为Nc＝M2＝64。第j个步进频率上的第i个采样点的相位为：
其中i(i＝0，1，2，...，7)为给定频率的采样点数，j(j＝0，1，2，...，7)为步进数。
在FPGA实现时只需进行加法运算就能实现Frank码相位的实时产生。当j为某一个步进数时，相位累加因子为因此每当j变化时把/>累加/>在i变化时相位累加/>因此只需加法就能实现Frank码信号相位变化。
每当j变化时相位累加值按照公式(3)方式变化，当i变化时相位加上deltaphase既是所需相位值。
deltaphase＝deltaphase+Mn (3)
如图3所示为相位产生器框图，j按照预先输入相位数8随后按照1步进循环变化，相位步进值通过当前j循环值累加参数Mn获得，每当j＝7时当前相位依据公式(3)的方式累加量化后的相位步进值得到当前实时相位步进值deltaphase，deltaphase与前一个运行周期的相位值相加得到当前相位值，通过查表的出波形幅度值，产生信号的频域图可见图4。该步骤对应图1中的(3)
(4)数字式频率合成DDS设计方法：
把信号幅度位宽记为16，数据位宽为15bit，最高位为符号位，通过Matlab软件产生1/4周期采样点数为1024点的余弦信号coe文件，利用FPGA中BlockRAM(随机存储器：Random Access Memory-RAM)资源，建立1个位宽为16且深度为1024的RAM用于储存余弦信号查找表，所述BlockRAM为FPGA中特定的硬件资源，将余弦文件coe文件导入IP核中。实时相位范围为0～4095，当超过1024时，根据余弦信号对称特性将相位值映射到为0～1023之间的值进行DDS查表，并根据x轴对称特性将相位在1024～3071之间的幅度值变为负数。该步骤对应图1中的(4)。
本发明选用Xilinx xczu19eg-ffvc1760芯片作为核心器件进行整个数字部分的设计。
(5)串并转换设计方法：
如图2所示，建立4个如图3相同的相位产生器，实时产生四路相邻相位值，四个DDS通过四个相位实时产生4个相邻幅度值。四位路输出信号通过DA芯片(如TI公司的dac38rf8x)的串并转换功能，转为高精度串行信号。该步骤对应图1中的(5)。
(6)信号输出口设计：
数字信号通过DA芯片转换成模拟信号，信号通过标准SMA连接器输出。该步骤对应图1中的(6)。
需要说明的是，以上所述具体实施例只是本发明的一个举例而已，目的是为了更进一步的阐述本发明的目的、技术内容及优点，让大家更容易理解本发明的内容，并不用于限制本发明。本发明的保护范围阐明于所附权利要求书中，凡是在本发明的宗旨之内做的任何显而易见的修改、等同替换和改进等，均应归于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种时域Frank码信号产生方法，其特征在于，包括以下步骤
1)根据现场可编程门阵列量化需求量化Frank码相位差步进值；
2)根据时序逻辑进行嵌套循环产生Frank码信号实时相位，内部循环每循环一次Frank码相位累加一次相位差，每当内部循环完成一个周期，外部循环将相位差累加相位差步进值；
3)确定波形查找表；
4)数字式频率合成DDS根据相位产生多路并行的Frank信号实时波形；
5)经过并串转换，得到串行的Frank信号；
6)将所得到的Frank信号通过模数转换，输出模拟Frank信号波形；
其中，数字式频率合成DDS设计采用以下方法：
把信号幅度位宽记为I，1/4周期余弦信号采样点数记为N，利用FPGA中Block RAM资源，建立1个位宽为I且深度为N的RAM用于储存余弦信号查找表；
其中，Frank信号相位产生采用以下方法：
Frank码实质是对线性调频波进行阶梯近似得到，共M个步进频率，每个步进频率有M个采样点，因此Frank码的编码长度为Nc＝M2，是完全平方数，脉压比也为Nc＝M2；第j个步进频率上的第i个采样点的相位为：
其中i为给定频率的采样点数，i＝0,1,2,…,M-1；j为步进数，j＝0,1,2,…,M-1；
当j为某一个步进数时，相位累加因子为每当j变化时把/>累加在i变化时相位累加/>
每当j变化时相位累加值按照公式(2)方式变化，当i变化时相位加上deltaphase既是所需相位值；
deltaphase＝deltaphase+Mn (2)
其中，Frank信号参数量化采用以下方法：
对需要产生的信号参数通过公式(3)进行量化计算；计算得出相位累加值；
Mn是量化后的相位步进值，M是多相码相位数，216是相位量化位数。
2.如权利要求1所述的一种时域Frank码信号产生方法，其特征在于，实时相位值通过公式(1)产生。
3.如权利要求1所述的一种时域Frank码信号产生方法，其特征在于，为了节省片内RAM资源，查找表使用四分之一周期，将产生信号相位进行镜像变换获取对应幅度值。
4.如权利要求2所述的一种时域Frank码信号产生方法，其特征在于，公式(1)中的乘法均在FPGA中通过累加的方式实现。
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