非線性節點探測系統的FPGA設計與實現?

劉曉杰，宋占偉，張 旻

（1.江蘇技術師范學院電氣信息工程學院，江蘇常州213001；2.吉林大學電子科學與工程學院，長春131012；3.江蘇技術師范學院計算機工程學院，江蘇常州213001）

非線性節點探測系統的FPGA設計與實現?

劉曉杰1，宋占偉2，張 旻3

（1.江蘇技術師范學院電氣信息工程學院，江蘇常州213001；2.吉林大學電子科學與工程學院，長春131012；3.江蘇技術師范學院計算機工程學院，江蘇常州213001）

根據非線性半導體PN結再輻射特性，設計了一種基于二次諧波接收的非線性節點探測系統。系統仿真與實驗表明：該系統裝置使信號檢測具有足夠大的增益，并能較好地完成非線性節點的探測。

諧波雷達；非線性節點；探測系統；信號檢測；硬件設計

1 引言

諧波雷達探測是采用高頻電磁波輻射目標體，同步接收目標的散射與反射回來的電磁波，利用各物質間的介電常數差異性，通過分析接收到的信號來獲知目標的類型、性質等特征信息。與一般探測技術相比，諧波雷達能為非線性節點的探測提供更多的信息，以增加其識別率。

非線性節點探測系統能主動探測出被埋藏或隱藏在建筑物、墻體、家具、裝飾品或其它物體中的電子類引爆器、竊聽器和其它危險的電子裝置，通過接收發射波的散射或反射的高次諧波分量，以及檢測接收諧波分量來分析危險電起爆裝置半導體物體的存在與否，無論該裝置是否開啟。與常規雷達探測機理區別在于它是接收由目標產生的反射高次諧波，而一般自然物并不產生反射諧波，因此諧波雷達探測對抗自然物等背景干擾具有明顯的優勢，從而使非線性節點探測系統得到了安全、機要等相關部門的關注和重視［1］。但由于諧波雷達探測的高靈敏性，易受噪聲影響，且需保證探測系統信號實時性，故信號處理成為諧波探測系統的關鍵技術。

2 非線性節點探測原理

非線性節點探測系統主要用于探測目標物體中是否攜帶或含有非線性半導體元件。該探測系統的基本原理是，探測系統主動產生一個調制的小功率信號高頻電磁波發射，去激發探測目標物體中的半導體元件或裝置，當探測目標物體中含有非線性半導體元件或電子裝置時，利用半導體PN結的非線性電特性，即當半導體PN結受到電磁波輻射激發時，會向外散射出入射波的高次諧波［2］，通過系統對反射或散射的高次諧波分析，來判斷探測目標物體中是否攜帶有非線性半導體器件。

典型非線性半導體PN結點的伏安特性表達式為

式中，I是信號電流，Is是反向飽和電流，q是電子電量，V是電壓，K是波爾茲曼常數，T代表熱力學溫度。

由式（1）可知道，非線性半導體PN結點的伏安特性是一條非對稱的曲線，但其曲線形狀與金屬結特性曲線不同，因此可將式（1）改寫為

由電磁感應原理可知，在高頻電磁波場功率較小時，當半導體PN結點受到一定頻率的電磁波照射時，非線性半導體PN結點的兩端可產生感應電壓V（f），進而產生相應感應的二次諧波誘導電流I（2f），由于輸出阻抗的存在，I（2f）在節點兩端便產生出二次諧波散射電壓V（2f），向空間再輻射高次諧波，所產生的再輻射場二次諧波分量的幅度將大于三次及以上諧波分量的幅度。而對于金屬結的情況下，它受到入射高頻電磁波場輻射后，所產生的金屬結再輻射的二次諧波分量的幅度將小于三次諧波分量的幅度，這正好與PN結的非線性再輻射特征相反。因此，在小功率高頻電磁波輻射的情況下，兩種結點呈現出不同的特征，可以用它來區分這兩類結點，因此利用該半導體PN結的非線性再輻射特征［3］，作為探測領域中檢測電子產品的一個主要判斷指標。

3 非線性節點探測系統的結構

要實現基于非線性PN結的探測技術方案，就必須對PN結的非線性反射電磁波的特性進行深入細致的研究，在大量實驗的基礎上，建立模型，摸索規律。需要解決的問題包括特定探測信號的發射和接收、信號特征分析、真偽PN結的判斷和識別等。通過對非線性節點探測原理的分析，依據半導體PN結的非線性再輻射特征，設計出了非線性節點探測系統的總體結構框圖，如圖1所示。

非線性節點探測系統主要由DDS產生250 kHz的基帶源信號，將該基帶源信號與頻率合成器鎖相環（Phase Locked Loop，PLL）產生的900 MHz載波信號進行混頻調制，再經射頻功率放大器放大后，通過發射天線發射出頻率為900 MHz±250 kHz的探測信號，去激發非線性電子元件節點。探測系統再通過接收天線在接收端將接收到的再輻射信號，經前置濾波放大器后送至二倍頻混頻器解調，與本振產生的二倍頻載波信號1 800 MHz進行混頻，解調得到基帶信號作用于PN結再輻射的二次諧波，將該基帶二次諧波信號送入基帶處理板FPGA［4］中進行處理和判斷，并通過基帶處理板FPGA的通信接口將探測判斷結果發送至PC或其它設備顯示。

非線性節點探測器系統主要用于探測目標物體中是否攜帶非線性器件，主要用于探測非線性節點器件。非線性節點探測系統就是研究如何從探測的反饋信號中準確獲得基帶二次諧波信號，也就是對檢測到的信號進行頻譜分析，信號檢測算法與裝置成為該非線性節點探測系統的核心部件，FFT算法則是這一部件實現的關鍵技術。

4 基于VHDL語言的FFT的實現

基于VHDL的語言可以利用FPGA實現快速傅里葉變換（FFT），以達到其系統對實時性的要求［5］。FFT的實現方法有多種，不僅在硬件有很多的可選方案，而且軟件算法也有很多方案。該系統具體技術指標是數據量大于5 000的浮點數變換時間要求小于1 ms，綜合考慮算法實現的難易程度和硬件資源的利用，本文選擇在FPGA的硬件平臺上，應用VHDL語言編程，采用按時間抽取的基二算法來實現FFT算法。根據實現系統需求，選用1 024點的DIT算法定點FFT運算，它與DIF算法原理上稍微有點差別，但就其在FPGA上實現的系統性能是沒有差異的［6］。整個系統FFT算法設計流程圖及FPGA系統的算法模塊設計如圖2和圖3所示，包括碟形運算單元、兩個用于存儲實部和虛部數據的RAM、兩個用于存儲旋轉因子的ROM、地址產生單元、時序控制單元、溢出控制單元、總線數據選擇單元、PLL、倍頻分頻單元、輸出單元等。因為系統AD采樣精度確定選用為12位的，而AD與FFT運算單元之間的接口是FIFO的存儲結構，12位的FIFO和18位的FIFO所占用FPGA的硬件資源是一樣的，所以為了充分利用FPGA的硬件資源，本文所有碟形運算單元、存儲單元都采用18位的運算結構。

系統各單元簡述如下。

（1）系統的輸入信號是由12位的AD采樣器采樣模擬信號得來，將12位無符號數據處理成18位有符號的數據存入到FIFO中。

（2）FIFO單元存儲初始化碟形運算單元中的RAM，之所以選擇FIFO的原因是其對外的接口很簡單，且其所占用資源較少。與AD的接口有4個，分別為18位的輸入數據、寫使能、寫時鐘（此時鐘應該和AD的采樣時鐘一樣）、寫滿信號。當寫滿信號無效時，AD就可以不斷地向FIFO寫數據。而與FFT的計算單元之間的接口信號有讀使能、讀時鐘、18位數據輸出、空信號4個。當FIFO空信號無效時，并且前一次運行的FFT已結束，就可以重新初始化RAM進行下一次的FFT運算。

（3）蝶形運算單元完成一個數據與旋轉因子的復數乘法和兩個復數的相加。本設計中只采用了一個蝶形運算單元。

（4）地址產生單元，產生運算過程中所需的RAM的讀、寫地址，雙口RAM的寫地址。

（5）RAM用于存儲計算過程中蝶形單元的寫回數據。

（6）雙口RAM用于存儲FFT最后輸出的實部與虛部的平方和的結果。

（7）時序控制單元完成對各個模塊的時序控制。

5 系統仿真與實驗結果

對非線性節點探測系統的FPGA核心算法FFT進行實驗性測試，利用DDS函數發生器產生一個峰-峰值為7 mV、頻率為2 MHz的單頻正弦信號，將其輸入到FPGA系統板中，經過放大后，峰-峰值達到928 mV，經采樣率為10 MHz的AD采樣器采樣，后經FPGA系統內FFT處理單元進行變換。將實驗測試數據頻率按式（3）進行處理：

式中，f0為信號的頻率，fs為采樣頻率。

因此，當輸入信號頻率為2 MHz、峰-峰值為7 mV時，信號的頻譜峰值應該出現在205處，如圖4所示；當輸入信號頻率為2 MHz、峰-峰值為3 mV的信號時的頻譜圖如圖5所示。

利用該非線性節點探測系統進行實驗測試，系統探測端發射出900 MHz±250 kHz頻率的探測信號。當探測接收端不存在有非線性器件節點時，系統所截獲反射信號得到的頻譜圖如圖6所示；當探測接收端存在非線性器件節點時，所獲得的頻譜圖如圖7所示。由圖7可知，由頻率為250 kHz的基帶信號，經非線性元件PN結節點的再輻射的基波二次諧波頻率為500 kHz，該二次諧波信號（頻率為500 kHz）經過10 MHz采樣率的AD轉換器，其峰值位置按式（3）計算，應該出現在1 024點FFT的頻譜圖中52處。

系統仿真與實驗測試結果表明，探測系統發射高頻調制信號波，通過系統接收的反射信號頻譜特征可以獲知在探測端是否存在有非線性元件節點；同時也表明該系統具有良好的目標識別性和較強的抗背景干擾能力，能較好地完成非線性節點探測任務。

6 結論

非線性節點探測系統的FPGA算法設計是在ALTER公司Quartus II環境下進行軟件設計與實現的，利用FPGA對DIT算法定點FFT運算的模塊化可編程設計，使系統硬件設計軟件化，從而縮短了系統開發周期，降低了系統成本，增強了系統的穩定性，且提高了系統的適應性與靈活性。

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LIU Xiao-jie was born in Gejiu，Yunnan Province，in 1978. He received the Ph.D.degree from Jilin University in 2009.He is now a lecturer at Jiangsu Teachers University of Technology.His research interests include signal＆information processing and embedded system applications.

Email：liuxiaojie1978＠gmail.com

宋占偉（1962—），男，吉林長春人，1998年于吉林工業大學獲博士學位，現為吉林大學教授、碩士生導師，主要研究方向為信號與信息處理、非線性系統控制、混沌的控制與同步；

SONG Zhan-wei was born in Changchun，Jilin Province，in 1962.He received the Ph.D.degree from Jilin University of Technology in 1998.He is now a professor and also the instructor of graduate students.His research interests include signal＆information processing，nonlinear control systems，control and synchronization of chaos.

Email：songzw＠jlu.edu.cn

張旻（1977—），女，吉林省吉林市人，2006年于東北師范大學獲碩士學位，現為江蘇技術師范學院講師，主要研究方向為信息技術應用。

ZHANG Min was born in Jilin City，Jilin Province，in 1977. She received the M.S.degree from Northeast Normal University in 2006.She is now a lecturer.Her research concerns the information technology application.

Email：zhangmin＠jstu.edu.cn

Design and Implementation of Nonlinear Node Detection System Based on FPGA

LIU Xiao-jie1，SONG Zhan-wei2，ZHANG Min3
（1.College of Electric Information Engineering，Jiangsu Teachers University of Technology，Changzhou 213001，China；2.College of Electronic Science and Engineering，Jilin University，Changchun 131012，China；3.College of Computer Engineering，Jiangsu Teachers University of Technology，Changzhou 213001，China）

According to the nonlinear re-radiation characteristic of semiconductor PN node，the nonlinear node detection system for semiconductor junction targets based on second harmonic reception is designed.System simulation and experiment results show that the system can detect well the node of nonlinear component with gain high enough for signal detection.

harmonic radar；nonlinear node；detection system；signal detection；hardware design

The National High-tech R＆D Program of China（863 Program）（2009AA11Z210）；The Key Technology R＆D Program of Jilin Province Research Project（20100314）；Doctor Start-up Fund Research Project of the University（KYY09008）

TN952

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.008

劉曉杰（1978—），男，云南個舊人，2009年于吉林大學獲博士學位，現為江蘇技術師范學院講師，主要研究方向為信號與信息處理及嵌入式系統應用；

1001-893X（2011）05-0037-05

2011-01-10；

2011-03-22

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2009AA11Z210）；吉林省科技支撐計劃重點資助項目（20100314）；校博士啟動基金項目（KYY09008）