姓名：冯浩轩        学号：21021210683      学院：电子工程学院

【嵌牛导读】简要介绍verilog如何实现线性调频波的生成

【嵌牛鼻子】DDS，HLS，VERILOG

【嵌牛提问】如何使用DDS的IP核与HLS软件生成线性调频波形？

【嵌牛正文】

DDS波形生成函数说明书

1    DDS核生成波形原理

DDS技术是根据奈奎斯特取样定律，从连续信号的相位出发，将正弦信号取样，编码，量化，形成一个正弦函数表，存在EPROM中，合成时，通过改变相位累加器的频率字来改变相位增量。相位增量的不同导致一个周期内取样点的不同，在时钟频率即采样频率不变的情况下，通过相位的改变来改变频率。同时DDS核具有相位移动的通道，可以进行相位的移动。

1.1 接口说明

1.2 生成波形原理

本篇只讲述在标准模式下的波形原理。输出频率fout 是由设置的系统时钟的相位位宽和控制字决定的，其公式为：

所以根据公式可以计算得到想要输出某个频率的信号时，输入的频率控制字为

频率分辨率公式为：

可以得到控制字乘以频率分辨率便是期望的输出频率

对于产生相位偏移的信号（Phase Offset），在DDS中将“Phase Offset Programmability”设置为“Streaming”，IP核端口会增加一个PHASE的输入通道，该通道数据总线的位宽与设置的频率分辨率（Frequency Resolution）有关，可以在Summary界面中看到位宽（Phase Width）。该数据总线与360°的相位之间线性对应。比如Phase Width为16Bits，则0对应0°，FFFF对应360°，7FFF对应180°，以此类推。

2    PINC核原理

生成DDS控制字的ip核是用HLS编写，通过HLS进行一些乘除运算，生成一些必要的关键变量包括脉宽点数，脉冲重复周期点数，在一个CPI内脉宽之间的间隔点数等。生成的信号载频默认在16G。如果要改变载频，则需要改变HLS中的波长的参数,然后重新生成IP核即可。如果载频是一个常变的值可以修改该IP的端口增加一个载频信号的输入，在IP内计算波长即可。

2.1 参数说明

表1 雷达系统参数

输入参数

单位

初始值

备注

中频

MHz

150

范围是 25~175 MHz

PRT

Us

40

范围是 40~150 us

脉冲时宽

us

5

范围是 1~40us

信号总带宽

MHz

50

范围是 0~50 MHz

CPI

64

范围是 0~200

表2 目标参数

输入参数

单位

初始值

备注

目标速度

m/s

150

范围是-2000~2000 m/s

目标距离

m

2000

范围是 0~ 6000m

目标俯仰角

度

0

范围是 -30°~30°

目标方位角

度

0

范围是 -30°~30°

雷达的模式也进行改变，设置的雷达模式如下表：

表3 雷达模式

雷达模式

模式说明

点频模式

生成点频信号，信号的频率为雷达参数中的中心频率

数字阵列发射波形模式

根据雷达的系统参数模拟出发射波形，并乘以上DBF的权矢量，达到相位偏移的目的

数字阵列回波模型

该模型与发射模型相比的区别在于在DDS生成的波形中包含了目标的速度信息，之后再相位偏移。

2.2  IP接口说明

图2.1 综合接口

IP核的接口分为握手信号、输入和输出三部分。输入信号为雷达产生波形的必要参数其接口类型为ap_none。着重说明参数的中心频率的数据位宽类型是fixed_16_12，即位宽为16位，高12位是整数部分，低4位是小数部分。

输出部分中延迟点数与控制字为数组类型，所以他们的接口类型为ap_memory，便于直接与RAM核进行连接将数据存储便于反复读取生成目标波形。

2.3  控制字生成原理

2.3.1 频率的变化

1）要先计算出在系统时钟Fs=400MHZ时钟下脉宽和脉冲重读周期的点数。脉宽点数为：

脉冲重复周期点数为：

2)在设置DDS的IP核的时候系统时钟设置为400MHZ，为了达到高精度，位宽设置为32位，得到频率分辨率：

将控制字与相乘得到的结果便是该控制字对应的频率。

3)计算带宽B的频率控制字为：

4)计算最低频率的频率控制字，最低频率为中心频率减去一半的带宽。

控制字为：

5)求出点频的控制字：

6)为保证在脉宽点数内将频率由最低步进为最高频率，求在脉宽点数确定的前提下，每次时钟步进的控制字：

根据以上求出的这些定值求出控制字，控制字的个数为Tp_cnt个。

2.3.2目标距离的体现

       目标的距离为R，体现在回波上就是延迟的点数，因为每个PRT之间延迟点数会随着速度变化，所以该IP只进行了计算每个PRT的延迟点数作为数组输出，后续的延迟工作由Verilog程序实现。

根据目标距离信息可以求出目标的回波延迟点数为：

因为目标速度为V，目标距离R会随速度与时间变化。所以一个CPI中每次脉冲的延时点数会有所变化，可以根据公式进行递推最后生成CPI个延迟点数。这里默认速度的方向的定义是目标雷达速度为正，远离雷达速度为负。

2.3.3目标距速度的体现

目标的速度体现在时域和频域两个部分。频域的话在原始波形的基础上频移一个多普勒频率，时域上体现在相位的移动上。目标的回波公式为：

Slfm表示发射波形，频移体现在多普勒频率fd上，相移体现在

上，即时域上移动的弧度为

所以计算得到第i个PRT移动的相位的角度为如下公式：

所以在DDS中将要移动的角度根据1.2所述的原理转化为二进制输入，即可实现相位移动。

速度对应的多普勒频移的控制字：

      将生成的发射信号的控制字加上速度对应的多普勒频移的控制字，与相移动相配合即可生成目标回波。

3    例程说明

3.2  SIM仿真

图3.1 点频信号代码

图3.2 点频信号波形图

图3.3 点频信号波形图

图3.4 模式1发射波形代码

图3.5 模式1发射波形

图3.6 模式1发射波形

图3.7 模式2回波

由图3.7所示，在模式2下产生的波形中CPI_vld为整个CPI周期的使能；lmf_vld为信号脉宽的标志信号。在这两个标志信号上升沿相隔13.332500us在400MHZ下位5333个点，代表目标距离的延时点数。

3.3  与MATLAB对比

由于Verilog中ila观测点数的限制，所以只导出了16个PRT的回波信号数据，同时用MATLAB生成了同样含有16个PRT的回波数据，分别进行了下变频，脉压和MTD，经比较得到Verilog生成的波形与MATLAB生成的波形效果一致。

图3.8 脉压结果对比

由上图可知在距离上两种波形均脉压出目标距离位2000米。

图3.8 脉压增益结果对比

观测上图可知脉压的波形拟合效果较好。

图3.8 MTD结果对比

观测上图可知MTD拟合效果较好。由于PRT个数较少所以目标速度不是准确的200m/s。