基于FPGA的QPSK信号源的设计与实现

前言

调相脉冲信号可以获得较大的压缩比，它作为一种常用的脉冲压缩信号，在现代雷达及通信系统中获得了广泛应用。随着近年来软件无线电技术和电子技术的发展，DDS(直接数字频率合成)用于实现信号产生的应用越来越广。DDS技术从相位的概念出发进行频率合成，它采用数字采样存储技术，可以产生点频、线性调频、ASK、PSK及FSK等各种形式的信号，其幅度和相位一致性好，具有电路控制简单、相位精确、频率分辨率高、频率切换速度快、输出信号相位噪声低、易于实现全数字化设计等突出优点。

目前，DDS的ASIC芯片如AD公司的AD9852、AD9854等，对于相位调制信号，可方便地产生BPSK，但是，对QPSK或8PSK等则实现困难，它们对控制更新脉冲要求极高，一旦偏差超过DDS内极高的系统时钟，输出相位就会错误。本文介绍了一种通过FPGA实现QPSK或更高阶PSK信号的方法，可灵活地通过上位机的PCI总线控制参数，产生不同载波频率、不同脉冲宽度、不同占空比、不同重复周期等的QPSK信号，对雷达等系统的设计者具有很好的借鉴意义。

QPSK信号源的设计方案

DDS原理

DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、正弦波形ROM存储器、D/A转换器和低通滤波器构成，其基本原理如图1。

输出信号的频率为fout=fclk·Δφ/2N，而最小频率分辨率为Δfo=fomin=fo/2N，可见改变频率控制字N即可改变输出信号的频率。当参考时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率的控制字，频率分辨率取决于累加器的位数，相位分辨率取决于ROM的地址线位数，幅度量化取决于ROM的数据字长和D/A转换器的位数。

为了提高DDS输出信号的频谱指标和降低正弦的ROM存储器，近来发展了如在相位截断后加数字反sinc滤波，利用三角函数对称性只存取1/4周期查找表，基于CORDIC、泰勒级数加权的频率合成方法等技术。

QPSK信号源的设计方案

在FPGA中，通过正弦查找表和相位累加器实现DDS，通过计数器实现QPSK信号的起停控制。在计数器计数到零时，设置标志位，读取寄存器中的QPSK控制码，从而设置初始相位。在计数到根据QPSK脉冲宽度设定的值后，计数器置0并重新开始计数。运行完设置码元的个数及次数后，使能输出禁止标志位。

QPSK信号的重复周期也通过计数器实现。根据周期的范围和系统时钟，设置计数器的位数并使其满足要求。在计数器计数到设定值后，清除输出禁止的标志位。需要注意的是周期计数器应该与QPSK码元宽度计数器同步。

QPSK信号参数控制通过PCI总线实现，包括QPSK信号的开始、结束、码元个数、次数、码字以及QPSK信号重复周期等。在FPGA内通过寄存器读取、保存参数。

硬件设计

系统组成与结构

FPGA选用XILINX公司Spartan3系列的XC3S1000，为100万门大规模可编程器件。它内部具有432kbit的Block Ram和120kbit的Distributed Ram；4个时钟管理单元DCM；24个乘法器。配置采用XILINX的专用PROM XCF04S，4M位的串行Flash PROM。XC3S1000通过XCF04S实现主串配置，M0、M1、M2均置低。系统框图如图2。

高速DAC选用AD公司的AD9767，它是双通道14位精度的高速CMOS DAC。它内部集成1.2V的电压基准，SFDR和IMR可达83dBc，最高转换率为125MSPS，满量程电流可调范围为2mA~20mA，两路D/A输出后经两片高速、宽带放大器AD8047放大，然后经滤波器输出，AD8047增益为1，实现电流到电压的转换。

PCI接口芯片采用PCI9054，是PlX公司应用广泛的32位、33MHz的PCI桥芯片，实现PCI总线和本地总线的转换。PCI9054可工作在主、从模式，支持DMA，支持猝发操作。PCI9054的上电通过2k位的EEPROM NM93CS56配置，包括PCI9054的本地总线控制、PCI配置空间寄存器的配置等。PCI9054在PCB设计中应注意PCI总线和时钟的长度约束。

为了提高板上的存储容量，FPGA通过CYPRESS的CY7C1372C-200扩展了(512k×36)/1M×18位的ZBT SRAM。以零等待状态读写速率可达200MHz，最大访问时间为3ns，支持Burst操作，适用高速的数据读写。

系统通过SMA外接时钟，同时内部50MHz晶振经时钟缓冲芯片CY2308输出，分别作为PCI9054和FPGA的本地时钟。外接时钟的输入阻抗为50Ω，注意通过信号源提供时钟时应使其峰峰值在2V以上。

复位电路采用MAXIM的看门狗及电压监控芯片MAX708实现。

电源由PCI总线提供，3.3V电压直接从PCI总线的3.3V引出，通过凌特公司的LT1764实现2.5V电压，采用TI公司的TPS54612实现1.2V电压，分别作为FPGA的辅助电压Vccaux和核电压Vccint。TPS54612输入电压为3-6V，在3.3V、5V均可使用，输出可高达6A，且开关控制器内部集成FET场效应管，方便应用。AD8047的正负电压输入分别为+5V和-5V，分别由从PCI总线接入的+12V和-12V电压经稳压器7805和7905提供。

软件设计

QPSK信号的生成

QPSK信号产生的原理在前面已作详述，FPGA的外接60MHz时钟通过内部的时钟管理器倍频实现120MHz时钟，通过Block RAM资源实现只读ROM，然后通过累加器进程、读QPSK码字进程、重复周期计数进程等实现DDS功能，通过乘法器还可实现输出信号的幅度控制。以下是部分源程序，采用Verilog HDL语言编写。

时钟管理单元，使用XILINX的DCM实现倍频，由60MHz变为120MHz。

单口只读ROM，使用IP核，实现正弦查找表，数据宽度为14位，深度为16384字(14地址位)。ROM核接收的数据文件为COE文件，然后转换为mif二进制文件格式，COE文件可通过C语言或MATLAB生成。ROM核的实现如下：

相位累加器位数设置为32位，系统时钟120MHz，这样可实现小于0.03Hz的频率分辨率，查找表相位截取低14位。累加器进程如下：

DDS信号的控制实现

上位机通过PCI总线实现信号参数的读写控制。因本系统中只需PCI实现信号参数的控制，数据量不大，故配置PCI9054为PCI的从目标(Slave)，C模式。

在FPGA中实现参数寄存器，实时读取PCI总线的数据并更新。FPGA本地总线的读写通过三态门控制。实现代码如下：

读写实现通过状态机程序实现，读写状态流程图如图3。

上位机程序设计

上位机安装Windows系统，传统上，PCI的驱动通过微软的DDK实现WDM驱动程序，本信号源设计中采用Windriver软件，可方便地读写主机给PCI9054系统板分配的内存及I/O资源，并可生成inf文件和基于VC等开发环境的程序文件。

结论

试验表明，以本文所介绍的方法产生的信号源具有很好的性能，5MHz时连续波点频的杂散SFDR达到70dB以上，输出信号的频率覆盖短波波段，可达30MHz以上。在实际应用中，还可以加上线性调频等其他信号形式。若信号频段在超短波以上，可用DDS产生固定中频，经数字上变频和DAC芯片(如AD公司的AD9857)上变频后输出，该方法具有很强的可扩展性。