CN216623078U - 一种基于fpga的信号源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于FPGA的信号源，所述信号源包括上位机和FPGA，所述FPGA与上位机之间设有STM32模块，所述STM32模块把从上位机接收到的命令转化成FPGA能接收的方式；所述FPGA生成目标信号传输至AD芯片进行数模转换，并通过FPGA配置本振芯片，所述AD芯片输出信号与本振芯片输出信号混频调制，可达到更高的频段范围，然后经放大器输出，最后通过天线发射。本实用新型通过结合STM32和FPGA，不需要复杂的硬件电路就可以实现合理的资源分配，通过上位机达到实时控制信号源的目的，提高了整个系统数据传递的稳定性和准确性。

Description

一种基于FPGA的信号源

技术领域

本实用新型涉及电子信息领域，具体涉及一种基于FPGA的信号源。

背景技术

随着电子技术的发展，雷达、电子侦察与对抗、无线通信等电子系统对信号源提出了越来越高的要求。一般信号发生器的实现方法通常是采用分立元件或单片专用集成芯片，但其频率不高，稳定性较差，且不易调试，开发和使用上都受到较大限制，随着现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)的不断发展，直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesizer，DDS)技术应用得越来越成熟，以DDS为核心，在FPGA上开发高性能的多种波形信号发生器，改变了传统硬件化信号发生器的整体设计思路，成本更低，操作更加灵活，而且还能根据要求在线更新配置，系统开发趋于软件化、自定义化。

直接数字式频率合成技术是近年来随着数字集成电路和微电子技术的发展而迅速发展起来的一种新的频率合成技术。其基本原理就是将波形数据先存储起来，然后在频率控制字的作用下，通过相位累加器从存储器中读出波形数据，最后经过数模转换和低通滤波后输出目标信号。这种频率合成方法可以获得高精度频率和相位分辨率、快速频率转换时间和低相位噪声的频率信号，而且结构简单，集成度高。在DDS的波形存储器中存入任意波形、方波、三角波、锯齿波等大量非正弦波形数据，然后通过手控或用计算机编程对这些数据进行控制，就可以任意改变输出信号的波形。利用DDS具有快速频率转换、连续相位变换、精确的细调步进的特点，它与外围的模拟数字混合电路相结合是构成精确模拟仿真各种信号源的最佳方式和手段。图1所示为直接数字频率合成基本框图，主要包括相位累加器，波形存储器ROM以及低通滤波器，相位累加器不断的进行累加频率控制字，在ROM进行寻址，把相位信息转化为幅度信息，输出对应频率的波形，并通过低通滤波器得到纯净的目标信号。设输出目标信号的频率为f0，系统时钟频率为fc，频率控制字为M，相位累加器的位宽为n， ROM中存储所需波形一个周期的2N点(N≤n)，则取相位累加器的高N位作为地址对ROM进行寻址，有如下关系：

由于信号源具有高精度、高稳定性、可重复性和易操作性等特点，而被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。它不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统。在各种实验应用和实验测试处理中，既可根据使用者的要求，作为激励源来仿真各种测试信号，并提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要，也可作为一种测量仪器来完成一定的测试功能。然而，由于应用背景的不同和对测试、测量技术要求的提高，对信号源的频率精度、幅值精度、信号形式等要求也越来越高，因此开发高精度信号源具有重大的意义，并使之能在无人机干扰具有一定的应用。

实用新型内容

本实用新型通过无源晶振产生FPGA的时钟信号，通过Matlab生成的目标信号以一定频率采样后存入FPGAROM，再基于直接数字频率合成(DDS)原理，选择不同的频率控制字可实现任意频率任意波形的信号发生器，如正弦波、方波、锯齿波、线性调频信号、随机信号、噪声信号等等。然后将目标信号再通过AD芯片进行数模转换，形成模拟信号，以及配置本振芯片将目标信号调制到目标频段，这在无人机干扰、手机干扰方面具有广泛的应用。除此之外，本设计带有STM32模块，STM32模块通过MAX3485电平转换芯片与上位机进行RS485串口通信，而STM32与FPGA之间可实现SPI、I2C通信，因此可实现通过上位机将指令送给STM32模块，再由STM32模块把上位机下发的命令转换成FPGA能接收的方式来配置FPGA。

本发明提出的技术方案如下：

一种基于FPGA的信号源，所述信号源包括上位机和FPGA，所述FPGA与上位机之间设有STM32模块，所述STM32模块把从上位机接收到的命令转化成FPGA能接收的方式；

所述上位机与STM32模块之间通过通讯接口RS485进行RS485串口通信，STM32模块和FPGA之间通过SPI接口或I2C接口通信，进而实现通过上位机直接配置FPGA；

所述FPGA生成目标信号传输至AD芯片进行数模转换，并通过FPGA配置本振芯片，所述AD芯片的输出端与本振芯片的输出端分别与混频器的一输入端连接，混频器的输出端与放大器输入端连接，放大器输出端与天线连接以通过天线发射信号。通过上述电路结构，能够使得AD芯片输出信号与本振芯片输出信号经混频调制后达到更高的频段范围，且调制后的信号经放大器输出后通过天线发射。

进一步的，所述STM32模块通过MAX3485电平转换芯片与上位机进行RS485串口通信。

本实用新型中，上位机的功能是提供人机交互的界面、产生控制信号和波形数据，并将这些数据通过串口发送给STM32模块，进而发送给FPGA。本实用新型中的上位机可发送特定指令选择信号波形数据、频率数据等对FPGA进行控制。

本实用新型在FPGA与上位机之间加入STM32模块，STM32模块把从上位机接收到的命令转化成FPGA能接收的方式。

本实用新型具有以下优点：

1、在人机交互界面进行信号源参数的设置，且结合STM32模块和FPGA不需要复杂的硬件电路就可以实现合理的资源分配，通过上位机达到实时控制信号源的目的，提高了整个系统数据传递的稳定性和准确性。

2、将FPGA与STM32相连，STM32通过MAX3485与上位机进行485串口通信，可实现通过上位机直接配置FPGA。

3、配置AD芯片的同时配置本振芯片，可扩展所需目标信号频段范围，在无人机干扰、手机干扰具有广泛的应用。

附图说明

图1为直接数字频率合成基本框图；

图2为FPGA结构示意图；

图3为STM32模块连接示意图；

图4为本实用新型总体框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图4所示，本实用新型所述一种基于FPGA的信号源，包括上位机和FPGA，所述FPGA 与上位机之间设有STM32模块，所述STM32模块把从上位机接收到的命令转化成FPGA能接收的方式；

所述上位机与STM32模块之间通过通讯接口RS485进行RS485串口通信，STM32模块和FPGA之间通过SPI接口或I2C接口通信，进而实现通过上位机直接配置FPGA；

所述FPGA生成目标信号传输至AD芯片进行数模转换，并通过FPGA配置本振芯片，所述AD芯片的输出端与本振芯片的输出端分别与混频器的一输入端连接，混频器的输出端与放大器输入端连接，放大器输出端与天线连接以通过天线发射信号。通过上述电路结构，能够使得AD芯片输出信号与本振芯片输出信号经混频调制后达到更高的频段范围，且调制后的信号经放大器输出后通过天线发射。

进一步的，所述STM32模块通过MAX3485电平转换芯片与上位机进行RS485串口通信。

图2所示为FPGA结构，其为本实用新型产生目标信号的主要模块，首先通过无源晶振产生时钟信号，再通过时钟模块生成不同频率的时钟，分别输入DDS模块，DAC_SPI模块、LO_SPI模块。DDS模块基于直接数字频率合成原理，根据频率控制字，Matlab生成的目标信号的coe文件产生对应频率的波形信号，再传输至AD芯片进行数模转换。DAC_SPI模块和LO_SPI模块将配置AD芯片和本振芯片的文件通过SPI方式传输至AD芯片和本振芯片，充分利用了FPGA内部资源，技术成本大大降低，并提高了信号发生器的性能。

FPGA芯片内部电路的DDS模块，采用相位累加振荡方法构成直接数字合成系统，其输出频率正比于时钟频率和频率控制字，以此去读取ROM中相应的数据，此数据即目标波形的幅度，然后经D/A重构波形。

图3为STM32模块连接于上位机与FPGA模块之间示意图，STM32把从上位机接收到的命令转化成FPGA能接收的方式。在人机交互界面进行信号源参数的设置，且结合STM32和FPGA不需要复杂的硬件电路就可以实现合理的资源分配，通过上位机达到实时控制信号源的目的，提高了整个系统数据传递的稳定性和准确性。基于RS485的半双工通信，通过控制MAX3485的相关引脚进行实现，RS485通信使用差分传输，提高整个系统的抗干扰性能。

无人机，在军用、表演等特殊应用场景中，为抵制黑飞无人机而进行的干扰手段是必需的，提及干扰，一般可以分为自然因素和人为因素。自然因素方面，磁场变化最为常见。而人为因素方面，一般会通过信号干扰、声波干扰、无线电劫持等方式对无人机进行干扰，其中信号干扰主要有以下三个方面：(1)对GPS的干扰。向无人机发送一定功率的定向射频，让搭载了GPS定位系统的无人机无法获知精准的坐标数据，从而只能悬停在空中。(2)对遥控信号的干扰。目前，遥控发射机已经普遍采用跳频、扩频技术，而且跳频参数还可以自适应，具有一定的抗干扰能力。在计算需要的干扰大小时，必须已知跳频、扩频的参数才能得到准确的结果，不过依然可以知道所需干扰的大致范围。(3)对图像、视频回传信号的干扰。这部分干扰与对遥控信号的干扰没有本质的区别。本实用新型可根据需要发送干扰信号，在无人机干扰方面具有广泛的应用。

除此之外，本实用新型在手机信号干扰也有一定的应用。手机工作时，是在一定的频率范围内，和基站通过无线电波联接起来，以一定的波特率和调制方式完成数据和声音的传输，针对这种通讯原理，本实用新型可发射频率达6G的干扰信号，满足大部分手机干扰信号的要求(2G、3G、4G、5G；以及无人机干扰信号2.4G、5.8G)，使得手机不能检测出从基站发出的正常微波信号数据，在一定范围内使手机不能与基站建立联接，手机表现为搜索网络、无信号、无服务系统等现象。且本实用新型成本较低，易实现，可直接通过上位机动态地生成所要求的干扰信号。

单边带调制是一种可以更加有效的利用电能和带宽的调幅技术。单边带调制技术是将消息的频谱从基带移到一个较高的频率上，而且在平移后的信号频谱内原有频率分量的相对关系保持不变的调制技术。调幅信号频谱由载频和上、下边带组成，被传输的消息包含在两个边带中，而且每一边带包含有完整的被传输的消息。因此，只发送单边带信号，也能不失真地传输消息。显然，把调幅信号频谱中的载频和其中一个边带抑制掉后，余下的就是单边带信号的频谱。相比于双边带调制，单边带调制可节省一半传输频带，从而提高了频带利用率，本实用新型可选择该调制技术发送目标信号进行干扰。

本实用新型充分利用了FPGA的内部资源，将时钟发生、相位累加器、波形数据存储器等逻辑电路都集成在一片FPGA内部，增强了信号发生器的硬件可重构特性，提高了信号发生器的性能。

本实用新型在人机交互界面进行信号源参数的设置，且结合STM32(模块)和FPGA不需要复杂的硬件电路就可以实现合理的资源分配，通过上位机达到实时控制信号源的目的，提高了整个系统数据传递的稳定性和准确性。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于FPGA的信号源，其特征在于：

所述信号源包括上位机和FPGA，所述FPGA与上位机之间设有STM32模块，所述STM32模块把从上位机接收到的命令转化成FPGA能接收的方式；

所述上位机与STM32模块之间进行RS485串口通信，STM32模块和FPGA模块之间实现SPI或I2C通信，进而实现通过上位机直接配置FPGA；

所述FPGA生成目标信号传输至AD芯片进行数模转换，并通过FPGA配置本振芯片，所述AD芯片的输出端与本振芯片的输出端分别与混频器的一输入端连接，混频器的输出端与放大器输入端连接，放大器输出端与天线连接以通过天线发射信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的信号源，其特征在于：

所述STM32模块通过MAX3485电平转换芯片与上位机进行RS485串口通信。

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