本文根據雷達發射機頻率快速變化的特點，采用目前新型的邏輯控制器件研究新型頻率測量模塊，結合等精度內插測頻原理，對整形放大后的脈沖直接計數，實現對下變頻后單脈沖包絡的載波快速測頻。具有測量精度高，測量用時短的特點，能作為脈沖雷達單脈沖瞬時測頻模塊。
1 移相時鐘計數法測頻原理
移相時鐘計數法以等精度測頻法為基礎，是一種新的內插技術，其多路同頻但不同相位的時鐘由FPGA內部的PLL產生，然后分別傳送到相應的計數器計數，在實際閘門開啟時段各計數器同時計數;實際閘門關閉后，再將總計數值用于測頻運算。具體方法為：實際閘門作為關鍵邏輯信號，通過全局時鐘布線和4個同步計數器的計數使能端(cnt_ena)相連，作為計數器的計數使能信號;四路時鐘信號作為計數器的計數時鐘，分別和4 個計數器的時鐘端(clk)相連，實現4個計數器對實際閘門脈寬計數，計數器設置為在時鐘上升沿加1計數。設4個計數器的計數值分別為ns1、ns2、 ns3、ns4，假設總計數值為N′s，由于每個計數器計數值的變動都會使N′s的值發生變動，而n21、ns2、ns3、ns4對應的計數時鐘相互有 90°的相位差(Tdk/4計數時間)，則計數值N′s會在每Tdk/4時間增加1。等效于將一路標準計數時鐘進行4倍頻。在一次測量結束后(即實際閘門關閉)，再利用公式計算得到實際閘門脈寬測量值，則等精度測頻公式：
對比式(1)和(2)可知，將4個計數器計數值ns1、ns2、ns3、ns4求和運算的結果作為新的計數值進行測頻運算，其測頻結果等效為將標準頻率4倍頻。該結論也可從相對誤差的角度進行說明，由于等精度測頻法的實際閘門和被測信號同步，故式(2)中的Nx不存在量化誤差。而實際閘門和標準時鐘不同步，則N′s存在±1量化誤差。則測頻的相對誤差為：
由于計數值N′s幾乎為Ns的4倍，故式(2)所對應的誤差是式(1)對應的1/4。即通過四路移相時鐘測頻的方法，在測量時間和基準時鐘頻率不變的情況下，使測量的相對誤差變為原誤差的1/4，測量精度提高了4倍。若增加移相時鐘的路數，則測量精度會進一步提高。
2 新型測頻模塊總體方案設計
利用移相時鐘計數法構建中頻瞬時測量模塊來實現頻率的測量，該測頻模塊的測量對象是脈沖雷達接收機下變頻后的中頻信號。總體設計目標是構建一個數字化、綜合化、自動化的測試平臺，能滿足脈內測頻的要求，能進行遠程通信，并有一定的移植型和升級性，建立系統的基本框架如圖1。
整個系統的工作機理是：操作人員通過上位機人機界面對該模塊進行參數設置和功能選擇，人機界面的設定值通過串口傳輸到單片機，單片機作為測量模塊的控制部件，控制FPGA完成相應的測量任務，FPGA負責具體測頻算法實現。測試完成后，測試結果通過單片機傳送給上位機人機界面顯示，兩者通過 RS232串口連接。整個設計中FPGA內部的測頻算法電路為核心電路。
3 FPGA測頻算法電路設計
采用Altera公司StratixII系列EP2S15F484C5型FPGA為核心控制單元。內部的測頻算法電路主要包括PLL輸出時鐘的走線、時序控制單元、數據處理單元。這些單元是實現測頻算法的核心，需要將各單元按相互提供的接口在FPGA內部進行連接，構成完整的測頻模塊，實現等精度測頻功能。輸入信號分別為10 MHz的時鐘信號、脈沖包絡信號和被測信號;輸出信號為時鐘計數值和ns被測信號計數值nx，其原理總框圖如圖2。
利用PLL輸出多路計數時鐘，可在FPGA內部通過PLL級聯的方式增大最大倍頻數。首先利用EPLL將恒溫晶振輸入的10 MHz時鐘倍頻到50 MHz，傳輸給FPLL作為FPLL的基準時鐘。FPLL再將輸入時鐘倍頻到400 MHz，并移相、抽頭得到四路移相時鐘。FPLL移相度數設置為：0°、90.0°、180°、270.0°，最終實際度數和設置值一致。由于FPLL周圍布置了4根全局時鐘線，故FPLL的輸出時鐘全部可通過GLOBAL器件進行全局時鐘線布線。
被測信號為脈沖調制波的載波信號。該信號經過整形放大電路處理后形成脈沖串輸入到FPGA的專用時鐘引腳。由于電路和器件的影響，脈沖串的頭、尾部信號的幅度和頻率均不穩定，在FPGA內部表現為頻率波動較大，故只能選取脈沖串中間的穩定部分作為測量對象。
脈沖包絡信號由檢波電路提供，作為被測信號的脈沖寬度輸入信號。若采用變閘門測頻方式，脈寬計數器對每個脈沖包絡的寬度進行測量，其脈寬值在脈沖包絡下降沿時保存，并在下一個脈沖包絡的上升沿之前提供給預閘門計數器作為預閘門計數參考值。
該測頻方案需對連續波進行1 ms閘門時間的測量，對于400 MHz的標準時鐘信號，采用二十位同步計數器對被測信號和標準時鐘計數。二十位同步計數器的計數頻率可達416 MHz，其最大計數值為1048576，用400 MHz的標準時鐘信粵計數，對應的計數時間為2.6 ms。計數器用Quartus6.0軟件中的Mega Wizard Plug-in Manager工具包調用ALTERA公司提供的IP核自動生成。
4 外圍電路設計
外圍電路包括為FPGA提供標準10 MHz時鐘的恒溫晶振電路;對輸入信號進行放大、整形處理的整形電路;脈沖包絡檢測電路以及為整個模塊提供-5 V、+1.2 V、+3.3 V、+5 V電壓的電源電路。
本課題測頻精度要求為±10-6，振蕩器的頻率精度至少要達到±10-7，只能選用壓控恒溫晶體振蕩器構建標準頻率源。本課題所用晶振為成都星華公司產品，通過儀器內部自帶的Allan方差測試軟件得到OCXO的秒穩在3.3×10-12，100 s的短穩在4.4×10-12。
信號接收機傳送來的被測信號振幅通常只有毫伏量級，而FPGA的輸入端口一般為LVTTL電平，故需要將輸入信號進行電平轉換。FPGA的 LVTTL電平格式輸入端口的最高頻率達到200 MHz，為了能和該頻率值相配合，不形成速度瓶頸，采用超高速ECL電平輸出比較器ADC-MP563完成信號整形功能，串接電平轉換器 MC100EPT25完成差分ECL電平到LVTTL邏輯電平的轉換。
脈沖包絡檢測電路檢測被測信號的包絡線，用于測量脈沖寬度。采用AD公司檢波芯片AD8310構建檢波電路，對被測信號的檢波采用單端輸入的方式。上位機用CV18.0構建人機界面。
5 仿真結果說明
測試方法：分別用Agilent公司矢量信號發生器E4438C和任意波形發生器33250輸出信號作為被測對象，用該測頻模塊對其信號頻率進行測量，各計數值通過單片機串口上傳到上位機處理軟件，該軟件通過程序實現式(2)的算法，計算測量頻率值。測量結果如表1所示。
表1為不定脈寬脈內載波頻率測量，閘門時間根據測量開始后第一個脈沖包絡的脈寬測量值確定，由于E4438C在產生4μs脈寬時波動較大，故在某些頻點實際閘門時間偏差較大。實驗表明：系統對脈沖調制波載波測頻，在不定脈寬(4μs左右)狀態下對中頻的測頻精度優于±10 kHz。
表2為不定脈寬脈內載波頻率測量。頻率源為Agilent公司的任意波形發生器33250。實驗表明：系統對脈沖調制波載波測頻，在不定脈寬(≤400 ns)狀態下對中頻的測頻精度優于±30 kHz。
6 結束語
本文所提出的基于多路移相時鐘的等精度瞬時測頻模塊具有電路簡單，性價比高的特點，可用于捷變頻脈沖調制雷達脈內測頻。最為核心的測頻電路完全在FPGA內部構建，輸入的標準時鐘僅為10 MHz，不僅減小了布線和制板的難度，而且大幅提高了模塊的抗干擾能力保證了測量精度。整個測頻模塊用一塊板卡實現，通過測試達到預期效果，證明該設計方案具有很高的實用性。