前言
調相脈沖信號可以獲得較大的壓縮比，它作為一種常用的脈沖壓縮信號，在現代雷達及通信系統中獲得了廣泛應用。隨著近年來軟件無線電技術和電子技術的發展，DDS(直接數字頻率合成)用于實現信號產生的應用越來越廣。DDS技術從相位的概念出發進行頻率合成，它采用數字采樣存儲技術，可以產生點頻、線性調頻、ASK、PSK及FSK等各種形式的信號，其幅度和相位一致性好，具有電路控制簡單、相位精確、頻率分辨率高、頻率切換速度快、輸出信號相位噪聲低、易于實現全數字化設計等突出優點。
目前，DDS的ASIC芯片如AD公司的AD9852、AD9854等，對于相位調制信號，可方便地產生BPSK，但是，對QPSK或8PSK等則實現困難，它們對控制更新脈沖要求極高，一旦偏差超過DDS內極高的系統時鐘，輸出相位就會錯誤。本文介紹了一種通過FPGA實現QPSK或更高階PSK信號的方法，可靈活地通過上位機的PCI總線控制參數，產生不同載波頻率、不同脈沖寬度、不同占空比、不同重復周期等的QPSK信號，對雷達等系統的設計者具有很好的借鑒意義。
QPSK信號源的設計方案
DDS原理
DDS是一種全數字化的頻率合成器，由相位累加器、正弦波形ROM存儲器、D/A轉換器和低通濾波器構成，其基本原理如圖1。
輸出信號的頻率為fout=fclk·Δφ/2N，而最小頻率分辨率為Δfo=fomin=fo/2N，可見改變頻率控制字N即可改變輸出信號的頻率。當參考時鐘頻率給定后，輸出信號的頻率取決于頻率的控制字，頻率分辨率取決于累加器的位數，相位分辨率取決于ROM的地址線位數，幅度量化取決于ROM的數據字長和D/A轉換器的位數。
為了提高DDS輸出信號的頻譜指標和降低正弦的ROM存儲器，近來發展了如在相位截斷后加數字反sinc濾波，利用三角函數對稱性只存取1/4周期查找表，基于CORDIC、泰勒級數加權的頻率合成方法等技術。
QPSK信號源的設計方案
在FPGA中，通過正弦查找表和相位累加器實現DDS，通過計數器實現QPSK信號的起停控制。在計數器計數到零時，設置標志位，讀取寄存器中的QPSK控制碼，從而設置初始相位。在計數到根據QPSK脈沖寬度設定的值后，計數器置0并重新開始計數。運行完設置碼元的個數及次數后，使能輸出禁止標志位。
QPSK信號的重復周期也通過計數器實現。根據周期的范圍和系統時鐘，設置計數器的位數并使其滿足要求。在計數器計數到設定值后，清除輸出禁止的標志位。需要注意的是周期計數器應該與QPSK碼元寬度計數器同步。
QPSK信號參數控制通過PCI總線實現，包括QPSK信號的開始、結束、碼元個數、次數、碼字以及QPSK信號重復周期等。在FPGA內通過寄存器讀取、保存參數。
硬件設計
系統組成與結構
FPGA選用XILINX公司Spartan3系列的XC3S1000，為100萬門大規模可編程器件。它內部具有432kbit的Block Ram和120kbit的Distributed Ram；4個時鐘管理單元DCM；24個乘法器。配置采用XILINX的專用PROM XCF04S，4M位的串行Flash PROM。XC3S1000通過XCF04S實現主串配置，M0、M1、M2均置低。系統框圖如圖2。
高速DAC選用AD公司的AD9767，它是雙通道14位精度的高速CMOS DAC。它內部集成1.2V的電壓基準，SFDR和IMR可達83dBc，最高轉換率為125MSPS，滿量程電流可調范圍為2mA~20mA，兩路D/A輸出后經兩片高速、寬帶放大器AD8047放大，然后經濾波器輸出，AD8047增益為1，實現電流到電壓的轉換。
PCI接口芯片采用PCI9054，是PlX公司應用廣泛的32位、33MHz的PCI橋芯片，實現PCI總線和本地總線的轉換。PCI9054可工作在主、從模式，支持DMA，支持猝發操作。PCI9054的上電通過2k位的EEPROM NM93CS56配置，包括PCI9054的本地總線控制、PCI配置空間寄存器的配置等。PCI9054在PCB設計中應注意PCI總線和時鐘的長度約束。
為了提高板上的存儲容量，FPGA通過CYPRESS的CY7C1372C-200擴展了(512k×36)/1M×18位的ZBT SRAM。以零等待狀態讀寫速率可達200MHz，最大訪問時間為3ns，支持Burst操作，適用高速的數據讀寫。
系統通過SMA外接時鐘，同時內部50MHz晶振經時鐘緩沖芯片CY2308輸出，分別作為PCI9054和FPGA的本地時鐘。外接時鐘的輸入阻抗為50Ω，注意通過信號源提供時鐘時應使其峰峰值在2V以上。
復位電路采用MAXIM的看門狗及電壓監控芯片MAX708實現。
電源由PCI總線提供，3.3V電壓直接從PCI總線的3.3V引出，通過凌特公司的LT1764實現2.5V電壓，采用TI公司的TPS54612實現1.2V電壓，分別作為FPGA的輔助電壓Vccaux和核電壓Vccint。TPS54612輸入電壓為3-6V，在3.3V、5V均可使用，輸出可高達6A，且開關控制器內部集成FET場效應管，方便應用。AD8047的正負電壓輸入分別為+5V和-5V，分別由從PCI總線接入的+12V和-12V電壓經穩壓器7805和7905提供。
軟件設計
QPSK信號的生成
QPSK信號產生的原理在前面已作詳述，FPGA的外接60MHz時鐘通過內部的時鐘管理器倍頻實現120MHz時鐘，通過Block RAM資源實現只讀ROM，然后通過累加器進程、讀QPSK碼字進程、重復周期計數進程等實現DDS功能，通過乘法器還可實現輸出信號的幅度控制。以下是部分源程序，采用Verilog HDL語言編寫。
時鐘管理單元，使用XILINX的DCM實現倍頻，由60MHz變為120MHz。
單口只讀ROM，使用IP核，實現正弦查找表，數據寬度為14位，深度為16384字(14地址位)。ROM核接收的數據文件為COE文件，然后轉換為mif二進制文件格式，COE文件可通過C語言或MATLAB生成。ROM核的實現如下：
相位累加器位數設置為32位，系統時鐘120MHz，這樣可實現小于0.03Hz的頻率分辨率，查找表相位截取低14位。累加器進程如下：
DDS信號的控制實現
上位機通過PCI總線實現信號參數的讀寫控制。因本系統中只需PCI實現信號參數的控制，數據量不大，故配置PCI9054為PCI的從目標(Slave)，C模式。
在FPGA中實現參數寄存器，實時讀取PCI總線的數據并更新。FPGA本地總線的讀寫通過三態門控制。實現代碼如下：
讀寫實現通過狀態機程序實現，讀寫狀態流程圖如圖3。
上位機程序設計
上位機安裝Windows系統，傳統上，PCI的驅動通過微軟的DDK實現WDM驅動程序，本信號源設計中采用Windriver軟件，可方便地讀寫主機給PCI9054系統板分配的內存及I/O資源，并可生成inf文件和基于VC等開發環境的程序文件。
結論
試驗表明，以本文所介紹的方法產生的信號源具有很好的性能，5MHz時連續波點頻的雜散SFDR達到70dB以上，輸出信號的頻率覆蓋短波波段，可達30MHz以上。在實際應用中，還可以加上線性調頻等其他信號形式。若信號頻段在超短波以上，可用DDS產生固定中頻，經數字上變頻和DAC芯片(如AD公司的AD9857)上變頻后輸出，該方法具有很強的可擴展性。