多通道相控PWM信號(hào)源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/單玉潔 李淑萍 張磊磊

多通道相控PWM信號(hào)源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/單玉潔 李淑萍 張磊磊

信號(hào)源是發(fā)射分機(jī)的重要組成部分，為發(fā)射機(jī)提供高精度幅度、相位可控、抗干擾能力強(qiáng)的信號(hào)，它的穩(wěn)定性和抗干擾性對(duì)整個(gè)發(fā)射分機(jī)至關(guān)重要。本文提出了一種多通道相控PWM信號(hào)源的設(shè)計(jì)方法，該信號(hào)源多通道可高精度相控、耗費(fèi)資源少、抗干擾能力強(qiáng)。在海試、湖試實(shí)際的測(cè)試結(jié)果表明，這種電路設(shè)計(jì)具有高精度、幅度相位可控、傳輸距離長(zhǎng)及抗噪聲干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。

高精度 相控 PWM信號(hào)源

1 引言

相控信號(hào)源基于相位補(bǔ)償原理，采用精度高、控制方便的數(shù)字式發(fā)射延遲實(shí)現(xiàn)。PWM控制技術(shù)由于具有抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在機(jī)械控制中獲得廣泛的應(yīng)用。PWM控制的基本原理主要是依據(jù)采樣控制理論中的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)是數(shù)字形式的，可將噪聲影響降到最低，增強(qiáng)了噪聲抵抗能力，極大的延長(zhǎng)通信距離。多通道相控PWM信號(hào)源可滿(mǎn)足幅度、相位高精度可控、存儲(chǔ)資源耗費(fèi)少、抗干擾能力強(qiáng)等要求。

2 工作原理

2.1 信號(hào)波形計(jì)算

信號(hào)源波形包括CW脈沖信號(hào)、雙曲調(diào)頻信號(hào)（HFM）和逆雙曲調(diào)頻信號(hào)（IHFM）三種信號(hào)，其脈寬為25ms、50ms、100ms和200ms。

2.1.1 CW脈沖信號(hào)

若CW脈沖信號(hào)脈寬為T(mén)，中心頻率為f0，本艦航速為v，發(fā)射方位為θ，則CW脈沖信號(hào)可表示為：

圖1：CW脈沖信號(hào)

2.1.2 調(diào)頻信號(hào)

調(diào)頻信號(hào)包括雙曲調(diào)頻信號(hào)和逆雙曲調(diào)頻信號(hào)，其中逆雙曲調(diào)頻信號(hào)的低頻對(duì)應(yīng)HFM的高頻，其高頻對(duì)應(yīng)HFM的低頻。若雙曲調(diào)頻信號(hào)的脈寬為T(mén)，帶寬為B，中心頻率為f0，則HFM信號(hào)可表示為：

式中，A是幅度，fl=f0-B/2，fh=f0+B/2，k=B/(Tfh)。 圖 2給 出 T=0.1s，B=500Hz，fs=150kHz，f0=1250Hz的雙曲調(diào)頻信號(hào)。

圖2：HFM信號(hào)

2.2 信號(hào)窗函數(shù)

信號(hào)源波形在延遲前通常需要對(duì)其進(jìn)行加窗處理，以提高主旁瓣比。若窗函數(shù)選擇漢寧窗，則可表示為：

式中，N為窗的長(zhǎng)度，n=0,1,…,N-1。考慮到DSP計(jì)算量限制，DSP處理時(shí)并不是實(shí)時(shí)計(jì)算出每個(gè)脈沖寬度的對(duì)應(yīng)窗，而是根據(jù)脈沖寬度將窗分為T(mén)＜30ms，30ms≤T＜100ms和T≥100ms三個(gè)區(qū)間進(jìn)行處理，并預(yù)先計(jì)算每個(gè)窗區(qū)間的對(duì)應(yīng)窗值，因此DSP只需根據(jù)脈寬選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)窗。若脈寬T=0.1s，B=500Hz，fs=150kHz，f0=1250Hz， 窗 長(zhǎng) 為2000，則加窗的CW脈沖信號(hào)和雙曲調(diào)頻信號(hào)分別如圖3和圖4所示。

圖3：加窗的CW脈沖信號(hào)

圖4：加窗的HFM信號(hào)

2.3 信號(hào)時(shí)延

假設(shè)主被動(dòng)信號(hào)源的平面陣垂直放置xoz平面，它由3×48個(gè)陣元組成，在x軸上有48個(gè)陣元，相鄰間距為d，在z軸上有3個(gè)陣元，其中每個(gè)陣元由相鄰兩個(gè)陣元構(gòu)成，其等效陣元間距為4d。若以平面陣的左上角的陣元為參考點(diǎn)，信號(hào)入射到第k個(gè)陣元上，相對(duì)于參考陣元的時(shí)延為：

式中，c為聲速，θ為信號(hào)入射方位角，表示與x軸的夾角，φ為俯仰角，表示與z軸的夾角，(xk,zk)為平面陣的每個(gè)陣元在xoz平面的坐標(biāo)。與常規(guī)的平面陣不同的是主被動(dòng)平面陣的陣元采用相互交錯(cuò)的布陣方式，因此每個(gè)陣元時(shí)延需根據(jù)平面陣在水面艦艇的安裝位置來(lái)確定。若以本艦航行方向?yàn)閤軸，以垂直本艦指向水面為z軸，則平面陣奇數(shù)列的時(shí)延為：

平面陣偶數(shù)列的時(shí)延為：

若發(fā)射信號(hào)為CW脈沖信號(hào)，陣元間距d=0.06m，方位角θ=60°，俯仰角φ=0°，沿著x軸取平面陣的某一行來(lái)分析各通道間的時(shí)延關(guān)系。圖5給出了5個(gè)通道對(duì)應(yīng)的延時(shí)信號(hào)。

圖5：經(jīng)過(guò)延時(shí)的通道信號(hào)

2.4 PWM信號(hào)設(shè)計(jì)

脈寬寬度調(diào)制式（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。

在信號(hào)源設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA接收來(lái)自DSP算好的波形數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到SRAM里，按時(shí)延讀出各通道的波形數(shù)據(jù)，并輸出PWM波形。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

信號(hào)源的作用有：一是與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)的發(fā)射方式命令并將發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)報(bào)告上位機(jī)；二是根據(jù)按照要求產(chǎn)生多路信號(hào)給功放模塊。

發(fā)射機(jī)工作時(shí)受上位機(jī)控制，設(shè)置信號(hào)類(lèi)型、脈沖寬度、脈沖周期、波束角度等參數(shù)，信號(hào)源接收到這些命令后，DSP計(jì)算信號(hào)波形，將波形數(shù)據(jù)、時(shí)延數(shù)據(jù)傳送給FPGA，由FPGA產(chǎn)生PWM信號(hào)，并發(fā)給各路發(fā)射機(jī)。同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)，在發(fā)生故障時(shí)也將故障代碼送至上位機(jī)，以便知道發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)。信號(hào)源系統(tǒng)核心為FPGA芯片，通過(guò)串口接收上位機(jī)工作參數(shù)與波形數(shù)據(jù)、時(shí)延數(shù)據(jù)等。DSP負(fù)責(zé)控制命令的解釋?zhuān)盘?hào)的生成、傳輸。FPGA接收DSP輸出的信號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)各通道延遲數(shù)據(jù)，產(chǎn)生各個(gè)通道的PWM信號(hào)，如圖6所示。

圖6：信號(hào)源DSP處理流程圖

FPGA接收DSP送出的波形數(shù)據(jù)，產(chǎn)生PA、PB信號(hào)，根據(jù)延遲信息，送出通道數(shù)據(jù)，相移精度為75MHz。其內(nèi)部邏輯框圖見(jiàn)下圖7。

圖7：FPGA內(nèi)部邏輯框圖

由外部同步，F(xiàn)PGA根據(jù)各通道延遲參數(shù)對(duì)基本波形數(shù)據(jù)精確延時(shí)輸出，以PWM形式形成波束。

FPGA與DSP接口為存儲(chǔ)器方式，與DSP連線為三總線方式，并包括給DSP的中斷INT，F(xiàn)PGA的使能CTL。這里INT為數(shù)據(jù)請(qǐng)求中斷。在FPGA接到CTL后，根據(jù)參數(shù)設(shè)置初始化配置FPGA。當(dāng)CTL有效時(shí)，在FPGA接到同步之后，F(xiàn)IFO中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量少于512時(shí)則置INT一次有效。

4 結(jié)語(yǔ)

本文描述信號(hào)源具有幅度、相位高精度可控、存儲(chǔ)資源耗費(fèi)少、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該信號(hào)源已在多個(gè)設(shè)備中得到了應(yīng)用，通過(guò)在湖試、海試中實(shí)際測(cè)量，證明這種設(shè)計(jì)滿(mǎn)足設(shè)備技術(shù)需求。

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作者工作單位上海船舶電子設(shè)備研究所 上海市 201108