厉沁知 周焚江 蒋旭辉

摘要：梳状谱发生技术是电子侦测系统的一项关键技术。本文介绍了一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生器的设计，该设计采用FPGA+DA的架构，仿真并实现了梳状谱间隔为250kHz、400kHz的梳状谱信号产生，该发生器具有梳状谱间隔可调整、幅度一致性高、频点数多等特点。

关键词：梳状谱发生器；FPGA 数字可控；幅度一致性高

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0159-03

梳状谱信号发生器是一种常用的射频器件，作为高可靠性、高频谱纯度信号源广泛应用于微波通信，微波计数器，示波器，电子雷达，电子侦测设备中。

现有的大多数为模拟梳状谱发生器，利用阶跃恢复二极管的非线性电抗特性或者利用双极性晶体管的非线性电阻特性实现的一定周期的脉冲信号输出，从而获得各次谐波的梳状谱信号。但模拟梳状谱发生器具有一定的使用局限性，如实际调试工作复杂，移植性差，工作频率范围有限，各次谐波幅度不一致，谱间隔不可调等[1][2]。比如阶跃恢复二极管梳状谱发生器产生的梳状谱的谱线间隔不能调节，同时因属于模拟电路，稳定性较差[3][4]。近年，数字梳状谱发生器得到了发展，基本利用FPGA或者其他数字模块的数字时钟模块（digital clock managers，DCM）来产生满足要求的窄脉冲，很好地解决了模拟电路实际调试工作复杂，移植性差的问题[5][6]。但由于还是采用脉冲信号产生各次谐波的梳状谱生成技术的限制，仍具有特定的使用局限性，如工作频率范围有限，各次谐波幅度不一致，有多余谐波，谐波谱间隔较大，很难达到kHz级别等[7]。

针对上述数字梳状谱发生器存在的问题，本文提出了一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生技术，基于软件无线电发射机数字模型，建立了FPGA+DA的硬件架构，可根据实际系统需求实现可变谱间隔、多频率点的高性能梳状谱信号输出，极大克服了现有梳状谱发生器的缺点，提升了梳状谱发生器的性能。

1 现有梳状谱信号发生器原理及缺点

1.1 模拟梳状谱信号发生器

模拟梳状谱信号发生器主要利用阶跃恢复二极管（以下简称阶跃管或者SRD）的强非线性特性，产生较大的窄电流脉冲，从而获得各次谐波。如图1所示，阶跃恢复二极管梳状谱发生器的电路结构主要包括偏置电路、输入阻抗匹配网络和脉冲发生电路3部分组成。

模拟梳状谱发生器利用阶跃恢复二极管的非线性功能，产生窄脉冲，实现梳状谱输出。该发生器因模拟器件产生，其谱线间隔不可调，谐波分量落差巨大，容易受温度和偏置电压影响，可靠性较低，相位噪声也较大。

1.2 数字梳状谱信号发生器

基于DCM来实现的数字梳状谱发生器主要利用DCM来产生窄脉冲，如图2所示，利用FPGA内的DCM先对输入时钟进行分频，再将分频后的信号进行反相和移相，分频信号与反相信号相与，得到一定重复频率的窄脉冲信号，从而获得梳状谱信号。

基于DCM的数字梳状谱发生器较模拟梳状谱发生器，其产生的窄脉冲更加稳定、可靠。受温度和偏置电压影响小，性能有极大地改善。但其梳状谱还是由一定重复周期的脉冲信号产生，其依然存在谐波脉冲落差大，多余谐波，产生kHz级谱间隔信号困难等问题。

2 基于FPGA数字可控梳状谱发生器的设计

传统梳状谱发生器根据陡峭的脉冲信號产生各次谐波来实现梳状谱的产生。其产生梳状谱受该脉冲的陡峭度、脉冲幅度、脉冲宽度等影响，极大的干扰了梳状谱信号的梳状谱间隔、幅度一致性、噪声系数等参数。

为避免传统梳状谱发生器的这些弊端，本设计采用软件无线电的技术，采用FPGA+DA的技术架构。如图3所示，利用FPGA的高速计算和DA芯片宽带数模转换能力，实现梳状谱信号的基带数据的生成，再经DA芯片进行数模转换，从而产生需要的宽带可控梳状谱信号。该模式不仅可以调整梳状谱的谱间隔，也可调整梳状谱总带宽，而且还能保持梳状谱各个谱线的幅度高度一致性。

2.1 数字梳状谱发生器的建模与仿真

首先，通过Matlab进行梳状谱信号仿真，并生成梳状谱基带数据。为体现数字梳状谱发生器的谱间隔可调、带宽可调的性能。选取如表1的2种梳状谱信号进行建模、仿真：

2种样式的Matlab信号仿真图如图4和图5。

通过Matlab进行梳状谱信号进行建模，并在频域和时域上给出了仿真结果。从频域上看，梳状谱信号间隔相等，且幅度高度一致，并可以有效控制梳状谱总带宽。并可通过改变软件数据直接调整频谱间隔、频率点数等参数。

2.2 实际梳状谱发生器的实现

实际电路FPGA芯片采用Xilinx Virtex-6系列的XC6VSX 315T，DA芯片采用TI的DAC34H84，采样率高达1.25GSPS的超低功耗、高动态范围、四通道、16位模数转换器。

使用Rohde&Schwarz; FSP 频谱仪对梳状谱发生器进行测试，测试结果如图6、图7所示。测试表明，实际电路与仿真计算结果相符：梳状谱信号幅度高度一致，谱间隔和梳状谱总带宽可调，相位噪声低，没有多余的高次谐波产生。本发生器采用软件无线电技术，在硬件不变情况下可通过软件重构实现多种梳状谱信号的产生，可移植性很高，实现简单，集成度高。

3 结语

经上述仿真和实际测试了基于FPGA的数字宽频带梳状谱发生器的多种不同频率和不同谱间隔的梳状谱信号，验证了其稳定的电路结构和良好的性能。相较于传统的梳状谱发生器，具有频谱间隔可调，总频谱带宽可调，梳状谱信号幅度一致性高，相位噪声低，无多余谐波等优点。如需不同频段的梳状谱信号，只需将该梳状谱信号进行上变频，即可实现不同频段的梳状谱信号输出。该梳状谱发生器凭着谱间隔小、频点数多、幅度一致性高、数字可控的特点，已在多个工程应用中得到使用。

参考文献

[1]郑博仁，张玉兴.0.2～18 GHz梳状谱信号发生器研制[J].现代雷达，2007，（02）：83-85.

[2]饶睿楠，李辉，王栋.0.1～5GHz梳状谱发生器的设计与实现[J].火控雷达技术，2011，40（01）：76-78.

[3]赖寒昱，李光灿，杜勇.基于ADS仿真的梳状谱发生器的设计与实现[J].电子科技，2014，27（07）：84-86.

[4]王朋，金森，霍现荣.基于ADS的Ku波段梳状谱发生器的设计[J].电子技术应用，2013，39（07）：44-46+53.

[5]刘宇军，尹洪雁，刘扬，等.一种新型数字超宽带梳状谱信号发生器的研制[J].科学技术与工程，2016，16（05）：161-164.

[6]Ameya M， Kurokawa S. High flatness log-scale comb-generator using FPGA-based arbitrary waveform generator for sub-30 MHz emission test systems[C]. Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility. IEEE， 2016：732-734.

[7]Ameya M， Ishii M， Kurokawa S. Digital comb-generator for validating sub-30 MHz radiated emission test system using double-gapped shielded loop antenna[C]. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/power Integrity. IEEE， 2017：84-89.