基于ADC和FPGA脈沖信號測量的設計方案

　0引言

　　測頻和測脈寬現在有多種方法。通常基于MCU的信號參數測量，由于其MCU工作頻率很低，所以能夠達到的精度也比較低，而基于AD10200和 FPGA的時域測量精度往往可達10 ns，頻率測量精度在100 kHz以內。適應信號的脈寬范圍在100 ns～1 ms之間；重復周期在0.05～100ms：頻率在0.1 Hz～50 MHz。

　　AD10200是高速采樣芯片，其中內嵌變壓器，因此采樣電路外部不再需要變壓器，使得電路設計更為簡單；最低采樣速率為105 MSPS，具有3.3 V或者5 V CMOS兼容輸出電平，雙通道12位采樣，補碼形式輸出，每個通道功耗為0.850W。通常可應用于雷達中頻信號接收機、相位組接收機、通信接收機、 GPS抗干擾接收機等。

　　StratixⅡ是Altera公司的中高端主流產品，該產品采用1.2 V、90 nm、9層信號走線，全銅SRAM工藝制造。StratixⅡ內嵌RAM塊、DSP塊、鎖相環(PLL)和外部存儲器接口，同時，StratixⅡ也增加了全新的邏輯結構一自適應邏輯模塊(ALM)，因而增加了動態相位對準(DPA)電路和對新的外部存儲器接口的支持。AD芯片可以穩定工作在100 MHz，FPGA速度可高達幾百MHz，故可保證系統的測量精度。

　　1測量原理

　　1.1時域測量原理

　　時域測量包括脈寬(PW)測量和脈沖重復周期(Pri)測量，時域測量在FPGA中可利用數字化技術實現。AD的兩路輸入為兩路正交中頻信號。經過Cordic算法，即幅相解算之后獲得幅度和相位信息，其中利用幅度信息測得時域參數，其原理圖如圖1所示。

　　當脈沖信號進入FPGA后，將首先進行門限判定，以將不規則的脈沖信號進行整形并變為規則的脈沖信號。整形后，在脈沖信號上升沿啟動脈寬計數器和重復周期計數器，而在該脈沖信號的下降沿鎖存脈寬計數器并且在下個脈沖信號上升沿鎖存重復周期計數器；由此即可得到脈寬和重復周期的量化值N和M，然后再通過工作時鐘的計算，就可得出脈寬和重復周期。

　　1.2頻域參數測量

　　頻域參數測量可由兩路正交信號所攜帶的相位信息得到。對于輸入正交采樣I、Q兩路序列，則可通過求反正切得到角度序列 θ(n)=arctg(I(n／Q(n)，但此時得到的角度序列是周期性分布在(0，2π)之間的，因此需對此角度進行解模糊，可將角度序列解為遞增直線，然后按照如下公式進行解模糊，并得到新的角度序列φ(n)：

　　通過以上公式可以準確計算出脈內信號頻率，從而達到測頻的目的。

　　2系統硬件電路設計

　　基于AD10200和FPGA芯片EP2S30F48414的脈沖信號測量系統的硬件電路原理如圖2所示。此系統的輸入信號要求為兩路正交信號，正交信號在基帶數字信號處理中經常要用到，它可以通過多種方法來實現，如模擬器件下變頻或者是數字正交下變頻等技術。IQ兩路正交信號的特點為幅度相仿，相位相差90度。AD采樣芯片負責將模擬信號轉換為數字信號；電源芯片用于為AD、FPGA和MAX232供電；晶振用于提供工作時鐘，選擇24.576 MHz晶振的原因是因為FPGA與計算機串口通信時還要實現一個模擬串口，而選用24.576 MHz可以剛好模擬出9600 bit／s的波特率，從而可減少誤碼率：外部復位可為FPGA提供外部復位信號。MAX232是一個常用的電平轉換芯片，可以將FPGA輸出的LVTTL 3.3 V電平轉換為串口電平，以便被計算機UART口所識別和接收。由以上芯片組成的系統工作頻率為100 MHz，可實現快速、高精度地脈寬和頻率測量。其中采樣芯片和FPGA的硬件連接圖如圖3所示。

?

　　3FPGA軟件設計

　　本系統中的時域參數測量和頻域參數測量工作由FPGA擔任，其輸入為正交信號兩路序列，輸出分別為脈寬(PW)、重復周期(Pri)和頻率(f)。FPGA中的數字信號處理流程如圖4所示。

　　圖中，I(n)和Q(n)為兩路正交信號序列；A (n)為幅度信息序列；為相位信息序列。

　　兩路正交信號I(n)和Q(n) 序列經過幅相解算后，即可得到幅度序列和相位序列。對于幅度序列，經過低通濾波和歸一化，可得到規則脈沖，再按時域參數測量原理得到PW和Pri；對于相位序列，按照頻率測量原理可得到頻率f；然后將PW、Pri及f值存人雙口RAM，再將所存數據通過模擬串口從FPGA的通用I／O口傳出，經MAX232電平轉換后輸入到計算機串口中，最后通過上位機顯示出來，以實現人機通信。

　　4結束語

　　本系統的輸入信號要求為正交信號，通常可用于通信和雷達信號的后端數字信號處理。本系統采用相位差分算法來計算頻率，運算簡單，FPGA速度可以優化到200 M本系統利用了采樣芯片和FPGA的高速性，從而實現了很高的測量精度和實時檢測的目的；由于采用模擬串口進行傳輸，故其抗干擾性能較好。