一種數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生方法，其特征在于:FPGA產(chǎn)生N路可具有不同時(shí)延的1bit流信號(hào)，前述N路信號(hào)相應(yīng)依次經(jīng)過(guò)N路隔離型驅(qū)動(dòng)器、N路去偏置電路以及N路濾波器后，輸出N路高信噪比的模擬信號(hào)。
【專利說(shuō)明】一種數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著數(shù)字電子器件和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA、DSP、單片機(jī)、ARM等數(shù)字器件被逐步應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。在聲吶、雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域中，多通道模擬信號(hào)發(fā)生器是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)備或系統(tǒng)模塊，特別是相控發(fā)射技術(shù)對(duì)具有不同時(shí)延值的高信噪比多通道模擬信號(hào)產(chǎn)生提出了高技術(shù)指標(biāo)的要求。
[0003]但目前數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:(I)電路結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)化。數(shù)字式模擬信號(hào)發(fā)生器多采用“數(shù)字器件+DAC+濾波器”的設(shè)計(jì)方案，但對(duì)于多通道模擬信號(hào)發(fā)生器來(lái)說(shuō)，隨著通道數(shù)的增加使用DAC(nbits)的數(shù)量將隨之增加，同時(shí)占用數(shù)字器件I/O資源也成倍增加(ηX通道數(shù))，對(duì)具有多I/O的高性能數(shù)字器件也提出了更高的要求，DAC和數(shù)字器件I/O占用數(shù)量的增加既耗費(fèi)了大量的硬件資源，也增加了研制成本；(2)對(duì)濾波器性能指標(biāo)要求高。為了保證高信噪比的模擬信號(hào)輸出，需對(duì)DAC輸出信號(hào)的量化噪聲進(jìn)行高性能濾波處理，這通常要求濾波器過(guò)渡帶更加陡峭(階數(shù)足夠高)，而更高階的濾波器意味著電路復(fù)雜度的增加和集成度的下降。(3)信號(hào)帶內(nèi)信噪比進(jìn)一步提高受限。由于量化噪聲在頻域是均勻分布的，即便采用更高性能的濾波器也不能去除帶內(nèi)信號(hào)與噪聲間的耦合，因此，在產(chǎn)生模擬信號(hào)時(shí)，僅采用基于濾波技術(shù)的設(shè)計(jì)方案無(wú)法有效提高帶內(nèi)信號(hào)信噪比，特別是對(duì)于寬帶信號(hào)這一問(wèn)題更為突出。
[0004]Δ Σ變換器主要由差分器、積分器、比較器和I位DAC構(gòu)成的反饋結(jié)構(gòu)組成，可將輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差作積分處理，將積分結(jié)果輸出至比較器，并持續(xù)利用反饋控制使積分器輸出最小，從而使比較器輸出Ibit編碼序列(I比特流信號(hào))中的量化噪聲偏向于較高頻域，即實(shí)現(xiàn)了量化噪聲的整形；同時(shí)，由于采用了過(guò)采樣技術(shù)，使用低階次的濾波器即可實(shí)現(xiàn)變換器輸出1比特流信號(hào)的濾波解碼，得到帶內(nèi)具有高信噪比特性的模擬信號(hào)。核心期刊“儀表技術(shù)與傳感器”中發(fā)表文章“基于高階△ Σ調(diào)制的任意波形發(fā)生器(2011,2:74-80)”提出了采用FPGA和多位Λ Σ調(diào)制器實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器的方案，充分利用了Δ Σ變換器噪聲整形等特性實(shí)現(xiàn)了高信噪比模擬信號(hào)的產(chǎn)生，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:通過(guò)FPGA內(nèi)部自行計(jì)算或外部提供的方式得到產(chǎn)生波形的離散數(shù)據(jù)序列；經(jīng)過(guò)M位△ Σ調(diào)制器后實(shí)現(xiàn)量化噪聲整形，使大部分噪聲集中到更高的頻段，使頻帶內(nèi)信噪比得到大幅提高；將調(diào)制后數(shù)據(jù)序列存入FPGA的RAM存儲(chǔ)空間；采用循環(huán)讀取地址的方式將存儲(chǔ)空間的每個(gè)數(shù)據(jù)樣本并行地輸出到M位的DAC，轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)；通過(guò)抗混疊濾波器濾波輸出高信噪比的模擬信號(hào)。該方案可在降低模擬電路復(fù)雜度及對(duì)元器件間匹配要求的情況下實(shí)現(xiàn)高信噪比模擬信號(hào)的產(chǎn)生，對(duì)于進(jìn)一步提高傳統(tǒng)數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器輸出模擬信號(hào)信噪比具有重要的科學(xué)意義。但由于仍采用了“DAC+濾波器”的設(shè)計(jì)方案將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，在多通道模擬信號(hào)產(chǎn)生時(shí)仍未解決傳統(tǒng)數(shù)字式模擬信號(hào)發(fā)生器存在的電路結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)化、對(duì)濾波器性能指標(biāo)要求高、硬件規(guī)模和研制成本隨通道數(shù)增加而增加等問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生方法，具有更優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)，更少的硬件資源，且適用于產(chǎn)生包括單頻信號(hào)、線性調(diào)頻(Linear FrequencyModulation, LFM)、幅度調(diào)制信號(hào)等多種形式的具有數(shù)字信號(hào)表達(dá)式的模擬信號(hào)。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案:
[0007]—種數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生方法，其特征在于:FPGA產(chǎn)生N路可具有不同時(shí)延的Ibit流信號(hào)，前述N路信號(hào)相應(yīng)依次經(jīng)過(guò)N路隔離型驅(qū)動(dòng)器、N路去偏置電路以及N路濾波器后，輸出N路高信噪比的模擬信號(hào)。
[0008]FPGA產(chǎn)生N路可具有不同時(shí)延的Ibit流信號(hào)，通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)，
[0009]M個(gè)信號(hào)參量輸入至數(shù)字信號(hào)計(jì)算模塊，數(shù)字信號(hào)計(jì)算模塊計(jì)算獲得與待產(chǎn)生模擬信號(hào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，前述數(shù)字信號(hào)輸入至Λ Σ變換器，Λ Σ變換器產(chǎn)生的Ibit流信號(hào)經(jīng)過(guò)N個(gè)時(shí)延器后由N個(gè)I/O引腳輸出。
[0010]Δ Σ變換器可以是一階、二階或多階。
[0011]濾波器可以是帶通濾波器或低通濾波器，其截止頻率由信號(hào)頻率范圍確定。
[0012]本發(fā)明具有的有益效果:
[0013]本發(fā)明數(shù)字信號(hào)計(jì)算模塊計(jì)算生成的數(shù)字信號(hào)不必存儲(chǔ)而直接輸入Λ Σ變換器，降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的同時(shí)有效節(jié)約了 FPGA的片上存儲(chǔ)空間；本發(fā)明通過(guò)Λ Σ變換器產(chǎn)生Ibit流信號(hào)，數(shù)字處理器(FPGA)的一個(gè)I/O即可實(shí)現(xiàn)I比特流信號(hào)的輸出，不必采用DAC變換器，極大地節(jié)約了數(shù)字處理器的I/O資源，特別是多通道設(shè)計(jì)時(shí)這一優(yōu)越性更為明顯，在簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)的同時(shí)有效降低了研制成本；本發(fā)明采用△ Σ變換器，Δ Σ變換器過(guò)采樣和噪聲整形的技術(shù)特點(diǎn)使得采用更低指標(biāo)的低階濾波器即可實(shí)現(xiàn)高信噪比模擬信號(hào)的輸出，與高指標(biāo)的高階濾波器相比，低階濾波器的使用可降低濾波電路的復(fù)雜度，提高電路集成度；本發(fā)明量化噪聲整形以及高的過(guò)采樣率使得量化噪聲集中分布于奈奎斯特率附近的高頻頻譜區(qū)域，而信號(hào)頻帶內(nèi)量化噪聲很少，從源頭上有效提高信號(hào)帶內(nèi)信噪比的同時(shí)支持了采用低階濾波器獲得高信噪比模擬信號(hào)的設(shè)計(jì)方案；本發(fā)明產(chǎn)生多通道信號(hào)間可具有相同的時(shí)延值，也可具有不同的時(shí)延值，這一設(shè)計(jì)增加了多通道信號(hào)使用的靈活性，也擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。
[0014]另外，本發(fā)明適用于多種信號(hào)形式模擬信號(hào)的多通道產(chǎn)生，不同形式信號(hào)在數(shù)字信號(hào)計(jì)算模塊中采用不同的數(shù)字信號(hào)表達(dá)式，同時(shí)根據(jù)信號(hào)參數(shù)設(shè)計(jì)濾波器即可實(shí)現(xiàn)可具有不同時(shí)延的、多通道高信噪比模擬信號(hào)的產(chǎn)生。本發(fā)明具有廣闊的應(yīng)用前景，例如:應(yīng)用于具有相控發(fā)射能力的多通道發(fā)射機(jī)、具有不同回波時(shí)延的多通道回波信號(hào)模擬器等，用于提供不同形式的高信噪比多通道模擬信號(hào)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2產(chǎn)生LFM信號(hào)的波形及頻譜；
[0017]圖3 二階Λ Σ變換器結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖4產(chǎn)生LFM信號(hào)對(duì)應(yīng)的I比特流信號(hào)圖；[0019]圖5產(chǎn)生LFM信號(hào)對(duì)應(yīng)I比特流信號(hào)的頻譜圖；
[0020]圖6低通濾波器的幅頻和相頻特性圖；
[0021 ]圖7低通濾波輸出LFM模擬信號(hào)圖；
[0022]圖8具有不同時(shí)延的五路bit流信號(hào)及模擬信號(hào)圖；
[0023]圖9單頻信號(hào)對(duì)應(yīng)I比特流信號(hào)的頻譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]如圖1所示，F(xiàn)PGA產(chǎn)生N路可具有不同時(shí)延的Ibit流信號(hào)，時(shí)延權(quán)值Iii可根據(jù)需要設(shè)計(jì)取值，i e [1，2，...，N]，前述N路信號(hào)相應(yīng)依次經(jīng)過(guò)N路隔離型驅(qū)動(dòng)器、N路去偏置電路以及N路濾波器后，輸出N路高信噪比的模擬信號(hào)。
[0025]FPGA產(chǎn)生N路可具有不同時(shí)延的Ibit流信號(hào)，通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)，
[0026]M個(gè)信號(hào)參量輸入至數(shù)字信號(hào)計(jì)算模塊，數(shù)字信號(hào)計(jì)算模塊計(jì)算獲得與待產(chǎn)生模擬信號(hào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，前述數(shù)字信號(hào)輸入至Λ Σ變換器，Λ Σ變換器產(chǎn)生的Ibit流信號(hào)經(jīng)過(guò)N個(gè)時(shí)延器后由N個(gè)I/O引腳輸出。
[0027]Δ Σ變換器可以是一階、二階或多階。濾波器可以是帶通濾波器或低通濾波器，其截止頻率由信號(hào)頻率范圍確定。
[0028]本發(fā)明中輸入FPGA的M個(gè)參量與描述待產(chǎn)生模擬信號(hào)S (t)的數(shù)字信號(hào)表達(dá)式中的參量相對(duì)應(yīng)，不同的模擬信號(hào)S(t)對(duì)應(yīng)不同的信號(hào)參量和數(shù)字信號(hào)表達(dá)式，根據(jù)該數(shù)字表達(dá)式在數(shù)字信號(hào)計(jì)算模塊(如圖1所示)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的計(jì)算產(chǎn)生。下面以LFM信號(hào)為例，進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明高信噪比多通道模擬信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程。
[0029]首先，LFM信號(hào)的數(shù)字信號(hào)表達(dá)式為:
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生方法，其特征在于:FPGA產(chǎn)生N路可具有不同時(shí)延的Ibit流信號(hào)，前述N路信號(hào)相應(yīng)依次經(jīng)過(guò)N路隔離型驅(qū)動(dòng)器、N路去偏置電路以及N路濾波器后，輸出N路高信噪比的模擬信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生方法，其特征在于:FPGA產(chǎn)生N路可具有不同時(shí)延的Ibit流信號(hào)，通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)， M個(gè)信號(hào)參量輸入至數(shù)字信號(hào)計(jì)算模塊，數(shù)字信號(hào)計(jì)算模塊計(jì)算獲得與待產(chǎn)生模擬信號(hào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，前述數(shù)字信號(hào)輸入至Λ Σ變換器，Λ Σ變換器產(chǎn)生的Ibit流信號(hào)經(jīng)過(guò)N個(gè)時(shí)延器后由N個(gè)I/O引腳輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生方法，其特征在于:ΛΣ變換器可以是一階、二階或多階。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)字式多通道模擬信號(hào)發(fā)生方法，其特征在于:濾波器可以是帶通濾波器或低通濾波器，其截止頻率由信號(hào)頻率范圍確定。
【文檔編號(hào)】H03M1/66GK104022782SQ201410264271
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】朱建軍, 李海森, 陳寶偉, 魏玉闊, 徐超, 周天, 杜偉東, 魏波 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)