基于Nios II和DDS的雷达信号源的设计

1 引言  

一般的雷达信号源实现主要有三种方式：第一种方式是采用DDS和MCU控制器件结合的方式；第二种是DDS、MCU控制器件和FPGA等可编程器件结合的方式：第三种是由FPGA等可编程器件实现DDS的方式。第一种方式利用专用DDS器件可以产生具有较好的杂散抑制和谐波抑制性能的雷达波形。控制简单。但不易于实现复杂波形的控制时序，灵活性差：第二种方式不仅可以产生有较好杂散抑制性能的雷达波形。还易于产生各种复杂的雷达信号,但附加了控制器和时序生成器，增大了电路的复杂性：第三种方式适用于产生特定要求的信号，但开发周期长，杂散抑制和谐波抑制指标难以达到专用DDS的水平。  

随着FPGA工艺的不断发展，设计人员在FP-GA上嵌入软核处理器成为可能，即所谓的SoPC(System on a Programmable Chip)解决方案，它是指在FPGA内部嵌入包括CPU在内的各种IP，组成一个完整系统．在单片FPGA内部实现一个完整系统功能。本文采用Altera公司提供的SoPC Builder工具将Nios II CPU软核嵌入到Cyclone II系列FPGA内部以控制高性能DDS器件AD9858，并采用该片FPGA产生其他控制时序。这样既充分利用了专用DDS的良好特性和完备功能，同时又大大减少处理器外围扩展元件数目，提高系统集成度，降低外围电路布局走线的复杂度,提高系统的抗干扰能力，便于今后升级扩展。  

2 器件简介  

2.1 CycloneⅡ系列FPGA及NiosⅡ简介  

Cyclone II系列FPGA采用TSMC 90 nm低k绝缘工艺,具有完备的性能和极低的功耗，而价格与ASIC相当。它具有多达68 416个逻辑单元(LE)和1.1 Mbit嵌入式存储器，具备很多优化的特性，包括多达150个嵌入18×18乘法器、专用外部存储器接口电路、4 Kbit嵌入存储块、锁相环(PLL)和高速差分I/O能力。其差分I/O信号可提供更好的噪声容限，产生更低的电子干扰(EMI)，并降低了功耗。其增强型锁相环(PLL)能提供先进的时钟管理能力。它还支持：Nios II系列32位RISC嵌入式处理器。

Nios II是Altera公司推出的第二代IP软核处理器，具有超过200 DMIP的性能，并与其他IP核构成SOPC系统的主要部分。用户可以通过自定义逻辑的方法在SoPC设计中添加自己开发的IP核，充分体现了SoPC设计灵活和高效的优越性。Nios II系列嵌入式处理器包括三种CPU内核：高性能内核(Nios II/f，快速)、低成本内核(Nios II/e，经济)和性价比均衡内核(Nios II/s，标准)。采用Quartus II设计软件集成的SoPC Builder工具，可以在系统中轻松嵌入Nios II处理器。本系统设计采用该系列EP2C8Q208C7。  

2.2 AD9858简介  

AD9858是ADI公司推出的直接数字频率合成器(DDS),其10-bit DAC具有高达1 GS/s模拟输出，频率高达400 MHz。它具有快速调频和精细调谐分辨率的特性，可快速产生单频脉冲、线性调频及相位编码信号。AD9858的杂散抑制性能和谐波抑制性能也非常突出，当输出40 MHz信号时，±1 MHz带宽内的数模转换SFDR为一87 dBc；输出180 MHz信号时。±1 MHz带宽内的数/模转换SFDR为-84 dBc,能满足高性能雷达低杂散、低相位噪声的要求。AD9858内部集成有电荷泵(CP)、相频检测器(PFD)和模拟混频器，可以将高速DDS和锁相环(PLL)及混频器结合使用。AD9858具有对输入时钟二分频功能，外部时钟高达2 GHz。对AD9858进行配置也非常容易，只需把控制字通过并行或串行方式写入片上的控制寄存器即可。AD9858比先前的解决方案速度提高了3倍，功耗却没有增加，还具有可编程的全睡眠模式，因而适应用于无线设备以及军事系统的设计。  

AD9858的优势在于其具有四套频率调谐寄存器(FTW)及四个相位调整寄存器(POW)，这使得它可以方便快速产生线性调频信号以及相位编码信号，而且这四个控制寄存器的选择是由外部选择信号PS1、PS0实现的，可大大减少了子码间的转换时间。  

3 统设计方案  

3.1 硬件结构  

本系统硬件框图如图1所示。FPGA和AD9858的并行数据/地址总线相连，提供读/写信号、复位信号和PS0、PS1信号。AD9858的输入时钟由外部时钟源电路提供，采用差分电平标准。AD9858的输出首先经过放大电路，使其满足功率要求，然后再经过滤波电路。FPGA接收主机的波形选择控制信号，产生各种同步时序，并为内嵌Nios II CPU提供中断信号。Nios II CPU响应不同的中断，通过并行方式为AD9858提供各种控制字和初始化，从而产生不同的雷达波形。  


  
其中Nios II CPU是由Quartus II设计软件集成的SoPC Builder工具生成。用户可以通过SoPCBuilder的图形用户界面从Ahera公司提供的IP元件库中选取一些组件，如Nios II、DMA、SRAM、Flash等等，并根据实际需要设置这些IP的配置参数。用户还可以自行编写HDL代码模块作为用户自定义逻辑添加到SoPC Builder中。由于本系统功能相对简单，所以采用Cyclone II片内的嵌入式RAM构成Nios II的数据和程序存储区。对于其他功能复杂、控制程序较大的设计，应扩展片外SRAM和Flash作为Nios II的数据和程序存储区。  

对AD9858的控制实质就是通过其并行数据和地址总线传送控制字，可通过在SoPC Builder中为AD9858生成一个用户自定义逻辑接口实现。但考虑到AD9858的读写时序比较简单，也可以直接采用Nios II现有IP元件库里的PIO来生成所需要的读写时序。PIO (Parallel Input/Output)是SoPCBuilder中最常用的IP之一，它有输入、输出以及双向口三种类型。另外，它还支持中断检测，不过中断检测及处理只在其作为输入设备时可用。AD9858并行总线的写时序如图2所示。  


  
需要注意的是，写使能信号(低有效)的最小周期为9 ns，为低电平的时间最少是3 ns，为高电平的时间最少是6 ns，而地址和数据信号的建立时间分别为3 ns和3.5 ns。图3为用嵌入式逻辑分析仪SignalTap II采样的一段用PIO生成的AD9858并行总线写时序。完全满足设计要求。

  
最终生成的Nios II系统如图4所示。其中，jtag_uart_0是为了调试时便于Nios II和主机通信而编写的,也可以省去。外部中断EX_IRQ0和EX_IRQ1也是用PIO实现。  

DDS输出信号的质量取决于为AD9858提供工作时钟的外部时钟源，本系统采用40 MHz高性能晶体振荡器，然后通过PLL倍频电路获得240 MHz参考时钟。同时将时钟转换成符合AD9858要求的差分信号，以降低共模干扰。输出信号的滤波器设计好坏也直接影响到最终输出信号的质量。若采用单一的带通滤波器抑制DDS输出杂散，对频率合成器带内杂散性能并没有提高。采用滤波器组则会带来电路复杂、增大体积以及延长频率切换时间等问题。目前，一般是通过DDS输出驱动倍频器链，达到提高输出频谱和拓展频谱带宽的要求，但同时也会导致DDS输出带内频谱纯度恶化。印制板设计要满足高速数模混合电路电磁兼容方面的设计原则，以使系统性能更佳。  

3.2 软件设计  

本系统的软件设计采用Altera公司提供的E-DA设计工具Quartus II，主要包括两个部分：首先是由Ouartus II集成的SoPC Builder工具生成Nios IICPU并进行相应的设置，用原理图和HDL语言设计。FPGA的其他时序控制程序；其次是用Quarus II集成的Nios II IDE综合开发环境为Nios II CPU编写控制AD9858的程序，采用C/C++语言编写，分为主程序模块和中断响应程序模块。  

因为本设计只采用片内RAM作为Nios II(CPU的程序和数据存储区，所以在Nios II IDE综合开发环境下前先对项目进行一些编译设置，以使编译器编译出效率更高、占用空间更小的代码。在用户工程属性对话框内将Optimization Level设为"Opti-mize size(-Os)",在系统库工程属性对话框内也做同样的设置，同时将Max file descriptors设为4，清除"Clean exit(flush buffers)"和"Link with profiling li-brary"前的选中框，选中"Reduced device drivers"和"Small C Library"。  

AD9858有两种工作模式：单频模式和扫频模式。单频模式的配置比较简单，只需将控制寄存器(CFR)、频率调谐字(FTW)配置完毕，即可打开该功能。频率扫描模式需要配置的寄存器有控制寄存器(CFR)、频率调谐字(Frw)、增量频率调谐字(DFTW)、增量频率斜率控制字(DFRRW)和相位偏移字(POW)。其中，控制寄存器一共有4个字节，地址分别为0x00、0x01、0x02和0x03。在本设计中，未用到PLL功能．故与PLL有关的控制字均置为无效。0x01的Bit7为扫频使能位，将其置1打开扫频功能。上电复位以后，Nios II CPU处于等待中断状态，它根据FPGA的时序控制程序发出的中断信号执行相应的中断响应程序，通过对各种寄存器赋值可产生线性调频或相位编码信号。  

关于采用AD9858产生线性调频信号还需进一步说明,其工作原理是：指定频率起始点和步进频率,频率以系统时钟的1/8或其整数倍累加，但是在没有指定上限频率的情况下，会一直扫到1/2参考时钟频率处，即奈奎斯特频率，所以需要外部定时器控制何时停止频率累加。通过FPGA的时序控制程序可以灵活地设定定时器,实现对上限频率精确控制。  

Nios II的中断程序编程需要调用API函数alt_irq_register()向系统。ISR注册用户ISR。其原形为：  



其中,id代表被服务的中断向量号；context是运行参数指针，作为第一个参数传给用户。ISR；isr是函数指针。指向用户。ISR入口。如果注册成功，函数返回0,并允许全局中断及被服务中断；如果不成功则返回非0值。  

用户定义的用户ISR程序要符合统一的原形定义,即：


  
其中，入口参数与返回值要严格按标准形式定义。否则系统ISR,将不能正确对其调用。

中断程序的部分代码如下：