基于FPGA的瞬时频率指示器保宽脉冲提取方法*

刘俊杰，张志聪，凌晓华，何仁伦



基于FPGA的瞬时频率指示器保宽脉冲提取方法*

刘俊杰，张志聪，凌晓华，何仁伦

（西南电子设备研究所 成都 610036）

电子战ESM系统中，保宽脉冲的提取具有十分重要的意义。瞬时频率指示器作为重要的电子战设备，其传统的保宽脉冲提取方法存在诸多缺点。提出一种基于FPGA的双门限、交直流耦合的处理方法，具有信号适应性强、保宽脉冲提取准确度高等特点。试验结果表明，设计方案可行，达到预期的各种指标要求。

电子战；保宽脉冲；瞬时频率指示器；双门限

引 言

随着现代电子战ESM系统的发展，各类型电子战接收机得到了广泛的应用，常见的有超外差接收机、信道化接收机、阵列接收机、瞬时测频接收机[1]。瞬时频率指示器是一种快速的频率测量手段,主要用于通道的快速引导，并不要求很高的频率测量精度和灵敏度,但要求快速（一般要求小于50ns）引导窄带接收机（例如超外差接收机）对信号进行精细测量。瞬时频率指示器中，保宽脉冲的产生尤其重要，不仅要获取宽带保宽脉冲，还要与窄带保宽脉冲作融合处理，而且整个瞬时频率指示器的工作节拍都是由保宽脉冲来触发的[2]。本文介绍了瞬时频率指示器传统保宽脉冲获取方法及其局限性，提出一种基于FPGA获取保宽脉冲的方法。

1 瞬时频率指示器传统保宽脉冲提取原理

射频信号通过功分器分路，一路经过放大、均衡、限幅放大后，送两路不同时延的相关器，得到两路包含原始信号相位信息的视频信号；另外一路信号通过匹配衰减后，经连续检波对数视频放大器（SDLVA）得到模拟视频信号，该信号包含原始信号的脉冲幅度（PA）、脉冲宽带（PW）等信息[2]。对模拟视频信号和比较器检波门限作比较，得到保宽脉冲。门限设置的基本原则是，门限须高于检波噪底，低于系统灵敏度时的检波幅度。由于经过比较器后幅度信息丢失，仅剩下由TTL电平表示的脉冲宽度信息，因此称为“保宽脉冲”。瞬时频率指示器传统保宽脉冲提取原理如图1所示。

2 传统保宽脉冲提取方法的局限性

图1 瞬时频率指示器保宽脉冲提取原理

由传统保宽脉冲提取原理可知，比较器门限的设置极其关键，只有门限设置合理，才能提取正确的保宽脉冲。门限设置过高将影响系统的灵敏度，设置过低则会导致噪声等干扰信号误触发，造成虚警[3]。传统的门限设置方法有以下几种：

①固定门限

其优点是简单、可靠性高，但缺点也非常突出，主要体现在：手动设置可变电阻来调节门限，工作量大，十分不便；接收机的噪底跟通道增益、噪声系数、工作带宽、环境温度等因素相关，不同条件下噪底水平是不一样的，而固定门限设置很难兼顾以上各要素；视频信号为“大信号”时，检波对数视频放大器下降沿容易出现“鼓包”的情况，造成保宽脉冲展宽的问题。

②浮动门限

R18、C14、R20构成浮动门限电路，PA为检波信号输入，PW为保宽脉冲输出，电路原理如图２所示。当输入信号为大信号时，门限阈值相应提高；当输入信号为小信号时，门限阈值相应降低，可以消除大信号下检波对数视频放大器输出脉冲下降沿“鼓包”所引起的比较器误触发。其缺点是：仍存在调节不便、工作量大、无法兼顾影响接收机噪底的各个因素的问题；在连续波信号下，无法生成保宽脉冲；随着信号强度的增加，信号的“过冲”、“振铃”会导致信号在门限处振荡，造成“脉冲分裂”，影响正常保宽脉冲的生成，如图３所示，我们会检测到两个保宽脉冲信号。

图2 浮动门限比较电路原理

综上，传统门限设置方法都无法有效提取信号的保宽脉冲。为了解决这种工程实际问题，我们提出了一种基于FPGA的双门限交直流耦合电路，用以获取正确的保宽脉冲。

图3 错误保宽脉冲输出

3 双门限交直流耦合方法

本方案采用双门限加交直流大、小电容耦合设置，原理如图４所示。从SDLVA检波的视频信号经过驱动直接送直流门限比较器，进行连续波检测；一路通过大电容耦合电路送比较器，产生保宽信号；另一路通过小电容耦合电路送比较器，产生保宽信号。双门限的目的是为了消除脉冲中的干扰，交直流大、小电容耦合是为了同时适应连续波信号、宽窄脉冲信号、高低重频信号。

在实际工程中，脉冲幅度往往是波动的，且在低信噪比时易受基底噪声影响，如果用单一低门限或者高门限设置，极易输出错误波形。而采用高低门限同时配置，使保宽脉冲的前沿由高门限触发产生，后沿由低门限触发产生，可输出正确的保宽脉冲。其整形输出时序如图５所示。

图4 双门限工作原理

图5 双门限工作时序

在实际应用的收发系统中，保宽脉冲输出时序如图6所示。系统从发射转到接收时，由于射频通道噪声被切割，SDLVA输出会产生一个台阶，超过比较门限后（如图6中第五行所示），由噪声切割触发的上升沿便会产生第一个保宽脉冲，当叠加在噪声上的真正信号到达时，大电容耦合支路无法产生真实的保宽脉冲，虚假保宽脉冲如图6中第四行所示。因此，本文同时使用小电容耦合支路，利用其在脉宽前、后沿产生的脉冲来确定脉宽，如图6中第二行、第三行所示。

4 新方法的实现

瞬时频率指示器保宽脉冲提取的实现逻辑主要由一片FPGA来实现，Virtex-Ⅱ系列是Xilinx公司一款高性能、高速度和低功耗特点的FPGA，本方案采用XC2V1000-5FG256I[4]。

从SDLVA检波产生的模拟视频信号，经过交直流耦合、双门限比较电路，然后在FPGA里做进一步逻辑处理。其中，双门限的数值是由FPGA根据接收机通道特性计算得出的，并通过数模转换DAC芯片完成设置，如图7所示。

图6 保宽脉冲输出时序

图7 硬件实现原理

按照图6的时序逻辑，FPGA软件将完成大、小电容耦合支路前沿、后沿的融合配对。其中，利用收发时序将接收期间内的第一个脉冲屏蔽掉。保宽脉冲的后沿通过小电容耦合的后沿、大电容耦合输出的保宽后沿以及收发时序的后沿共同决定，任意一个后沿都表示保宽脉冲的结束。FPGA软件实现流程如图8所示。

对于连续波信号，理论上没有脉冲宽度的概念，但由于整个系统的工作节拍是由保宽脉冲来触发的，所以当系统检测到连续波存在的情况下，自身根据直流门限进行判别，由直流门限的高门限确定保宽脉冲的上升沿，同时在该脉宽内进行计时，当脉宽大于2ms时，给出连续波判别标志，同时给出保宽脉冲的下降沿。

小电容耦合取脉冲的上升、下降沿。用OrCAD进行仿真，输入100ns脉宽，上升沿10ns，下降沿20ns，脉冲重复间隔（PRI）为300ns的仿真曲线如图9、图10所示。

大电容耦合支路需要取整个脉宽，由于电容实际是一个高通模型，因此主要考虑最大脉宽能力。用OrCAD进行仿真，输入一个脉宽1ms、周期8ms的信号，输入幅度400mV时，输出在1ms处仅降低约20mV；输入幅度2.6V时，输出在1ms处也仅降低约200mV，如图11、图12所示。按视频检波斜率80mV/dB考虑，幅度降低小于3dB，不会影响保宽脉冲的提取和测量。

图8 FPGA软件流程

图9 400mV输入时小电容耦合输出

图10 2.6V输入时小电容耦合输出

图11 400mV输入时大电容耦合输出

图12 2.6V输入时大电容耦合输出

5 结束语

本文提出的保宽脉冲提取方法简单可靠、易于工程实现，已在多个项目中成功应用，具有信号适应性强、保宽脉冲准确度高的特点，满足“适应脉冲宽度范围：连续波、0.1ms~1000ms”、“适应信号脉冲重复周期范围：0.3ms~100ms”的技术指标要求。同时，调试时不需要人工干预，提高了调试生产效率，具有较高的工程应用价值，可以推广到其他相似的工程应用场合中去。

[1] TSUI J. 宽带数字化接收机[M]. 杨小牛, 等译. 北京: 电子工业出版社, 2002.

[2] 胡来招. 瞬时测频[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002.

[3] 邓兴智, 黎剑, 周俊. 一种宽带信道化接收系统信号检测门限自动设置方法[J]. 电子世界, 2014(14): 352–353.

[4] 佟力永, 肖山竹. 基于XC2V1000型FPGA的FIR抽取滤波器的设计与实现[J]. 国外电子元器件, 2006(2): 25–28. TONG Liyong, XIAO Shanzhu. Design and implementation of FIR decimating filter based on XC2V1000[J]. International Electronic Elements, 2006(2): 25–28.

Width pulse extracting method for instantaneous frequency indicator based on FPGA

LIU Junjie, ZHANG Zhicong, LING Xiaohua, HE Renlun

（Southwest China Research Institute of Electronic Equipment, Chengdu 610036, China）

Width pulse extracting plays a very important role in System of Electronic War (EW). The instantaneous frequency indicator is an important equipment of EW, and its traditional width pulse extracting methods have many shortcomings. A new width pulse extracting method is presented, which sets two thresholds, uses AC-DC coupling processing, and has strong signal adaptability and high accuracy of pulse width. The experiment shows that this design is feasible and effective.

Electronic war; Width pulse; Instantaneous frequency indicator; Two thresholds

TN974

A

CN11-1780(2019)02-0046-05

基金项目：国防重大项目支持

2018-11-28

2019-01-16

刘俊杰 1984年生，硕士，工程师，主要研究方向为电子侦察接收机设计、通信导航载荷分系统设计。

张志聪 1974年生，本科，高级工程师，主要研究方向为电子侦察系统总体设计。

凌晓华 1981年生，硕士，工程师，主要研究方向为电子侦察接收机设计。

何仁伦 1980年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为电子侦察接收机设计、通信导航载荷分系统设计。