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M i c r o c o n t r o l l e r s &E m b e d d e d S y
s t e m s 2021年第6期w w w .m e s n e t .c o m .c n
基于F P G A 的G M 4943A 雷达信号源设计 陈坤1，穆仕博2，潘亮1,
3
(1.中国空空导弹研究院，洛阳471009;2.驻中国空空导弹研究院军事代表室;3.
航空制导武器航空科技重点实验室)摘要：本文在研究国产四通道雷达信号源芯片GM 4943A 的工作机理和内部寄存器操作的基础上，基于F P G A 技术其
及信号源控制模块，并在V i v a d o 16.2软件环境中进行软件编程和设计实现㊂测试结果表明，该雷达信号源模块具有频率㊁相位和幅度可调可控的能力，具有数字化高分辨率㊁高稳定㊁大带宽和快速切换 等特点，基本满足工程应用需求，对雷达信号源的开发设计具有一定参考价值㊂
关键词:D D S 技术;GM 4943A ;F P G A 技术;
雷达信号源中图分类号:T P 333 文献标识码:A
D e s i g n o f G M 4943A R a d a r S i g
n a l S o u r c e B a s e d o n F P G A C h e n K u n 1
,M u S h i b o 2,P a n L i a n g
1,3
(1.C h i n a A i r b o r n e M i s s i l e A c a d e m y ,L u o y a n g 471009,C h i n a ;2.C h i n a M i l i t a r y R e p
r s e n t a t i v e O f f i c e i n C h i n a A i r b o r n e M i s s i l e A c a d e m y ;3.A v i a t i o n K e y L a b o r a t o r y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o n A i r b o r n e G u i d e d W e a p
o n )A b s t r a c t :B y s t u d y o f t h e w o r k i n g m e c h a n i s m a n d i n t e r n a l r e g i s t e r o
p e r a t i o n o f t h e d o m e s t i c f o u r -c h a n n e l r a d a r s i g n a l s o u r c e c h i p
GM 4943A ,a s i g n a l s o u r c e c o n t r o l m o d u l e i s d e s i g
n e d w i t h t h e V i v a d o 16.2s o f t w a r e e n v i r o n m e n t b a s e d o n F P G A.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e r a d a r s i g n a l s o u r c e m o d u l e h a s t h e a d j u s t a b l e a n d c o n t r o l l a b l e c a p a b i l i t y o f f r e q u e n c y ,p h a s e a n d a m p
l i t u d e ,a n d h a s t h e c h a r a c -t e r i s t i c s o f d i g i t a l h i g h r e s o l u t i o n ,h i g h s t a b i l i t y ,l a r g e b a n d w i d t h a n d f a s t s w i t c h i n g ,w h i c h b a s i c a l l y m e e t s t h e n e e d s o f e n g i n e e r i n g a p p l i -c a t i o n a n d h a s c e r t a i n r e f e r e n c e v a l u e f o r t h e d e v e l o p m e n t a n d d e s i g n o f r a d a r s i g
n a l s o u r c e .K e y
w o r d s :D D S t e c h n o l o g y ;GM 4943A ;F P G A t e c h n o l o g y ;r a d a r s i g n a l s o u r c e 0 引 言
信号发生器也称为信号源，其输出信号类型有正弦
波㊁函数信号㊁调制信号等，常采用频率合成技术进行设
计㊂频率合成技术[1]
的发展大致经历了三个阶段：第一阶
段是直接模拟合成技术，它是利用一个或多个不同的晶振作为基准信号源，经过混频㊁倍频㊁低通滤波等电路调理后，产生需要的离散频率，输出信号具有稳定的优点，不过信号频率低㊁形式单一，同时调试难度大；第二阶段是间接锁相环频率合成技术，主要利用模拟锁相环路实现频率合成，具有方便调试的优点，不过信号频率切换速度较慢；第三阶段是直接数字频率合成技术，实现了数字化控制相位㊁频率和幅度，产生信号具有频率高㊁任意波形㊁频率分辨率高㊁快速频率转换㊁相位连续等优点㊂本文利用国产
的D D S 芯片，采用F P G A 技术[2]设计实现雷达信号源㊂
1 G M 4943A 芯片简介频率控制字
1.1 性 能
GM 4943A [3]
作为一款具有4个通道超宽带的信号
源，在雷达信号处理领域有广泛应用㊂作为一款成熟的国产化D D S 芯片,
具有丰富的功能，内部包括4路独立的D D S 通道,
每路有独立的相位㊁频率和幅度控制，支持线性扫描㊁非线性扫描㊁频率键控㊁相位键控㊁幅度控制和R AM 扫描等功能㊂ 1.2 功 能
GM 4943A 主要实现单频点信号产生㊁
信号调制以及多种模式的扫频信号产生㊂内部集成D D S _C O R E 电路，采用两路并行的结构以降低芯片功耗㊂D D S _C O R E 电路内主要有串行S P I 接口㊁
配置寄存器㊁线性扫描模块㊁R AM 相关模块㊁D A C 模块等㊂
1.3 D D S 原理
直接数字频率合成技术D D S (D i r e c t D i g i t a l S y
n t h e -s i z e r
)，是利用奈奎斯特采样定理把一系列数字信号通过D /A 转换器转换为模拟信号，即数字化控制频率㊁相位和幅度㊂通过配置寄存器,D D S _C O R E 实现控制逻辑产生频率㊁相位和幅度，进而输出相应正弦波形㊂D D S _C O R E
基本结构如图1所示㊂
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(t o u g
a o .m e s n e t .c o m.c n )
2021年第6期
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图1 D D S _C O R E 基本结构
f 0=f s ˑF
TW /248
(1)P h a s e =360ˑP OW /2
16
(2
)A m=A m a x ˑA
S F /214(3
)式中,f 0㊁
P h a s e 和A m 分别表示输出波形的频率㊁相位和幅度,F TW ㊁P OW 和A S F 分别表示频率字㊁
相位字和幅度字,f s 和A m a x 分别表示系统时钟频率和输出波形最大幅度值㊂
1.4 工作模式
D D S _C O R
E 工作时,
根据产生频率控制字㊁相位控制字和幅度控制字的方式不同，芯片的工作模式大致可分为如下6种：单频点模式；使用外部I /O 接口直接调频模
式；键控模式；线性扫描调试模式；分段式非线性扫描调制模式;R AM 扫描模式㊂
当GM 4943A 工作于以上任何一种模式时,
均可开启混频功能，实现第二奈奎斯特带信号的输出，芯片D A C 频谱特性如图2所示
㊂
图2 D A C 频谱特性
2 硬件及软件设计
作为一款功能强大的雷达信号产生芯片，在雷达信号领域具有广泛应用㊂基于中频信号的应用需求，设计产生
4通道的线性调频信号[5]
,
信号波形要求如下：通道一：从f 1频点向上扫描10MH z
㊂通道二：从f 1频点向下扫描10MH z
㊂通道三：从f 2频点向上扫描10MH z
㊂通道四：从f 2频点向下扫描
10MH z ㊂注意:f 1和f 2为两个中心频点㊂
2.1 硬件设计
本文将F P G A 作为主控芯片,
采用8线S P I 接口配置GM 4943A 芯片
的工作模式及其相应寄存器㊁相应电
源转换芯片，提供GM 4943A 工作所需要的1.2V 和
2.5V 电压㊂
2.2 软件设计
GM 4943A 支持线性扫描和分段式非线性扫描
[3]
，其
中分段式非线性扫描由4段线性扫描组合而成，每段线性扫描有相应的起始频率㊁终点频率㊁扫描率㊁
扫描步进以及扫描控制方式等，实现的扫描方式有C h i r p 扫描㊁正三角扫描㊁上斜三角扫描㊁下斜三角扫描以及任意方向扫描㊂
扫描模式的功能寄存器配置如表1所列㊂
表1 扫描模式的功能寄存器配置
S w e e p
_m o d e [2:0]扫描方式000任意方向扫描001上斜三角扫描010下斜三角扫描011正三角扫描100
C h i r p 扫描
注：其中下斜三角扫描时，注意频率字配置寄存器一定
按照顺序设置，否则不能产生向下线性调频信号㊂
扫描率取决于扫描定时控制寄存器(s w e e p _r a m p
r a t e S R R )，确定相邻两扫描点变化的时间间隔㊂扫描时间间隔由式t =S R RˑT s w e e p 决定,T s w e e p 为扫描定时器时钟周期，与系统时钟的关系为f s w e e p =f s y s _c l k /8，即系统时钟八分频
㊂S R R 为扫描定时控制寄存器中的16位配置字,
可分为向上扫描定时控制字S R R 0和向下扫描定时控制字S R R 1,
分别控制上斜/下斜扫描的间隔时间㊂扫描步进取决于扫描步进寄存器，提供扫描的步进量，在扫描率定时器配置的时间间隔下，扫描累加器一次
累加一个步进值，可分为向上扫描步进寄存器D F TW 0和向下扫描步进寄存器D F TW 1，分别控制上斜/下斜的扫描步进㊂
以上斜三角扫描为例，其配置步骤如下:①配置m o d e 寄存器为100;
②配置s w e e p
_m o d e 寄存器为001;③配置F TWO ㊁F TW 1㊁D F TW 0㊁D F TW 1㊁S R R 0寄存器;
④初始化P S X _0为0值;
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⑤提供I O _U P D A T A 脉冲信号;
⑥P S X _0为高电平时,
则启动向上扫描㊂若扫描功能r e t u r n _z e r o 开启,
则扫描完成后频率字累加器和相位累加器自动清零，即0频0相输出；若c o n -
t i n u e 开启，则自动重新扫描；若扫描功能r e t u r n _s t a r t 开
启，则自动恢复到起始频率并输出；若扫描功能s t a y _e n d 开启，则保持终点频率并输出㊂设计中，考虑数字化会导致输出波形掺杂着大量的杂散信号
[5]
，为获得较干净的频谱输出，采取下列方式进行
优化设计:
a .合理选择输出频段，一般选择时钟频率的1/4~
1/3，且输出频段尽量窄;b .输出频点避免如f s y s _c l k /3㊁f s y s _c l k /4㊁f s y s _c l k /5等整数分之输入参考系统时钟频率附近㊂
如b 中f s y
s _c l k /n 谐波的引入会引起假信号，分析带宽中应避免㊂
2.3 设计实现
基于以上软硬件设计，在V i v a d o 16.2软件开发环境中，针对芯片GM 4943A 设计实现雷达信号源控制模块㊂设计中采用有限状态机技术，利用V H D L 语言编写雷达信号源控制模块文件，其中有限状态机涉及的程序流程状态有：初始化/工作模式/模式参数生成/总线传输及配置和波形输出等状态，程序流程如图3所示
㊂
图3 雷达信号源控制模块程序流程图
3 实验测试
经过调试，该系统可达到预计的设计需求，实现了4通道频率㊁
相位和幅度的可调可控线性调频波形输出㊂图4为不同通道的同相调制，图5为生成的线性调频信
号㊂设计中采用的系统时钟频率为1.2G H z ，则该系统的时钟分辨率为4.26ˑ10e (-6)H z ，相位分辨率为0.0055ʎ
；同时，为避免分析带宽中的时钟谐波，系统响应时间及切换
时间采用了最精确扫描时间，即T s w e e p 约为6
.67n s
㊂图4
不同通道的同相调制
图5 线性调频信号
4 结 语
本文基于F P G A 技术和D D S 芯片GM 4943A ,
利用V H D L 语言设计实现一个具有4通道频率㊁相位和幅度可调可控的信号发生器㊂测试结果表明，该设计得到的信号发生器能够实现频率精度高㊁波形质量好和频带范围宽的线性调频信号波形，满足课题的工程应用需要，具有国产化应用的借鉴价值
㊂
参考文献
[1]郑朋伟.基于A D 9957的款第信号发生器的设计与实现[D ].
西安：西安电子科技大学,2018.[2]梁状.基于D D S 的高频函数信号发生器设计与实现[D ].
哈尔滨：哈尔滨理工大学,2018.[3]成都振芯科技股份有限公司.GM 4943A 四通道2.5G S P S 超
宽带雷达信号源,2017.[4]卓康.基于D D S 的复杂雷达信号发生器设计[D ].
成都：电子科技大学,2017.
[5]王韧.基于D D S 的高性能雷达信号发生器的设计与实现
[D ].西安：西安电子科技大学,2017.
陈坤，主要研究方向为雷达导引头信号处理设计及开发和质量工程等；潘亮(工程师)，主要研究方向为雷达导引头信号处理嵌入式系统开发及航空电子设备总线嵌入式设计㊂通信作者：潘亮,j
i l e r c o m -e r @163.c o m ㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2020-12-07
)
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