基于虚拟仪器与FPGA的多类型信号模拟器设计
顾鹏程;张力川;王立;卢建川
【摘 要】随着现有各类信号接收机不断推陈出新,为满足接收机测试所使用的信号多样性、参数可调等需求,对信号产生技术进行了研究,根据现有主流雷达、通信等信号,设计了一种新颖的基于虚拟仪器与FPGA的多类型信号模拟器;其中多类型信号模拟软件使用C语言基于LabWindows/CVI开发;通过模拟软件与FPGA控制数据的传输,使用PCIE接口与总线先将信号数据传输至硬件部分的DDR3存储器中进行缓存,而后从DDR3存储器读取到DAC模块中,最终经数模转换,通过两个通道输出模拟信号;与传统的模拟器相比,所提出的软硬件体系架构在集成度、通用性、灵活性、可扩展性、系统成本等方面均取得较为显著的提升;测试结果表明模拟器能正常工作,性能满足使用需求.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2019(027)003
【总页数】modulate6页(P177-182)
【关键词】信号模拟器;测试;虚拟仪器;LabWindows/CVI;现场可编程门阵列
【作 者】顾鹏程;张力川;王立;卢建川
【作者单位】西南电子技术研究所,成都610036;西南电子技术研究所,成都610036;西南电子技术研究所,成都610036;西南电子技术研究所,成都610036
【正文语种】中 文
【中图分类】TP311
0 引言
信号模拟器在接收机研发、生产、测试过程中均发挥着重要的作用，一款可靠而优秀的信号模拟器既能准确而全面地对接收机进行测试，也能客观而真实地评价接收机的理论设计与实际性能。当前雷达回波信号模拟器[1-3]、塔康地面信标信号发生器[4]、水下目标回波发生器[5]等各类专用的信号模拟/发生器层出不穷。然而由于各类信号体制不一、生成方式各异，同时考虑到灵活性、成本等因素，难以通过对各类专用信号模拟/发生器进行简单叠
加，从而得到普遍适用于各类接收机测试的多类型信号模拟器。为解决这一问题，一些学者对信号的软件模拟方法进行了研究[6-8]，取得了一些成果。然而完成信号在软件中的生成后，普遍使用信号源、USB+FPGA或美国国家仪器公司(National Instruments, NI)的数据采集卡输出模拟信号。前者提高了系统成本，且一体化程度不高；后两者采集速率一般为1～10 MS/s，速率过低。因此开展兼具灵活性、低成本和高采集速率等特性的信号模拟器研究具有十分重要的意义。
基于虚拟仪器技术的系统开发平台可采用编程语言对各类信号的产生进行软件实现，其人机界面简单友好，参数设置灵活，具备一定的扩展性，对设计开发多类型信号模拟器的软件部分具有极大的优势。使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)平台进行处理，通过数模转换器(Digital Analog Converter, DAC)输出信号，具有成本较低与系统集成度高的优势。
本文以接收机测试常用的雷达、通信、杂波、干扰、噪声、回波等信号为对象，以LabWindows/CVI与Vivado为主要开发平台，基于虚拟仪器技术与FPGA技术，开展多类型信号模拟器的软硬件设计，实现多种类型信号的生成与输出。
1 系统总体方案设计
模拟器系统的结构如图1所示，使用单板机中的多类型信号模拟软件，通过设置各类参数，生成模拟信号数据，其中信号数据可导出为数据文件。同样，满足格式要求的外部数据文件可读取到模拟软件中。软件模拟箔条干扰信号时，需调用Matlab软件以提高计算速度。单板机通过外部控制器接口传输(Peripheral Component Interconnect Express, PCIE)总线与搭载FPGA的信号处理板相连，从而实现从多类型信号模拟软件到模拟器硬件的数据下载。
用户通过软件与FPGA，控制信号数据的数据下载、停止传输、断开连接。最终通过DAC模块输出低频、高频两路信号。
图1 系统结构框图
2 硬件电路设计
系统硬件集中在两块板卡上，其中单板机负责运行多类型信号模拟软件和Matlab软件。信号处理板负责对收到的信号进行存储与数模转换。两块板卡的载体为PXIe/PCIe机箱，通过
背板上的PCIE总线实现两板卡之间的高速通信。
单板机系统为Windows7专业版，处理器为i7-2710QE，主频为2.1 GHz。满足LabWindows/CVI与Matlab对系统的要求。
信号处理板主要由FPGA、PCIE模块、DAC模块和第三代双倍数据速率(Double Data Rate 3 Gen, DDR3)存储器组成。
2.1 信号处理板设计
信号处理板的组成如图2所示，主要由FPGA单元和管理单元组成。其中管理单元负责板卡内电源管理、FPGA接口电平转换、时钟电源控制和配置。前面板配置有多路RS422和调试接口，支持外部参考时钟输入。背板连接8路吉比特收发器(Gigabyte Transceiver, GTx)接口、4路串行高速输入输出(Serial RapidIO, SRIO)接口和多路低压差分信号(Low Voltage Differential Signaling, LVDS)接口。
图2 信号处理板组成框图
信号处理板选用Xilinx Virtex-7系列的高性能FPGA xc7vx690tffg1761作为主控处理器，板卡上挂载了两片DDR3同步动态随机存取存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory, SDRAM)。
2.2 硬件接口设计
硬件接口包括存储接口、FMC接口、背板接口。
存储接口主要由一片闪存Flash、两组DDR3存储器组成。Flash容量为256 MB，用于加载FPGA软件。每组DDR3存储器容量为2 GB，用于数据缓冲。
FMC接口包括80组LVDS和8组GTx，其中GTx支持PCIE。
背板接口由4组SRIO(支持PCIE)，多组LVDS和8组GTx组成。
2.3 DAC模块设计
DAC模块为信号处理板上搭载的一片FMC230子卡，采用4DSP公司SD180，系统结构如图3所示。模块内含两枚AD9129芯片与一枚AD9517芯片，前者提供双通道数模(D/A)转换与
输出(分别为D0与D1)，分辨率可达14位，更新速率最高可达5.6 GSPS；后者提供最高可达12路的稳定时钟，集成了锁相环(Phase Locked Loop, PLL)和压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator, VCO)。由于设计输出信号频率最高达到5 GHz，故开启一枚AD9129芯片的混频模式，以正确输出高频信号。