非线性节点探测系统的FPGA设计与实现❋

刘晓杰，宋占伟，张 旻

（1.江苏技术师范学院电气信息工程学院，江苏常州213001；2.吉林大学电子科学与工程学院，长春131012；3.江苏技术师范学院计算机工程学院，江苏常州213001）

非线性节点探测系统的FPGA设计与实现❋

刘晓杰1，宋占伟2，张 旻3

（1.江苏技术师范学院电气信息工程学院，江苏常州213001；2.吉林大学电子科学与工程学院，长春131012；3.江苏技术师范学院计算机工程学院，江苏常州213001）

根据非线性半导体PN结再辐射特性，设计了一种基于二次谐波接收的非线性节点探测系统。系统仿真与实验表明：该系统装置使信号检测具有足够大的增益，并能较好地完成非线性节点的探测。

谐波雷达；非线性节点；探测系统；信号检测；硬件设计

1 引言

谐波雷达探测是采用高频电磁波辐射目标体，同步接收目标的散射与反射回来的电磁波，利用各物质间的介电常数差异性，通过分析接收到的信号来获知目标的类型、性质等特征信息。与一般探测技术相比，谐波雷达能为非线性节点的探测提供更多的信息，以增加其识别率。

非线性节点探测系统能主动探测出被埋藏或隐藏在建筑物、墙体、家具、装饰品或其它物体中的电子类引爆器、窃听器和其它危险的电子装置，通过接收发射波的散射或反射的高次谐波分量，以及检测接收谐波分量来分析危险电起爆装置半导体物体的存在与否，无论该装置是否开启。与常规雷达探测机理区别在于它是接收由目标产生的反射高次谐波，而一般自然物并不产生反射谐波，因此谐波雷达探测对抗自然物等背景干扰具有明显的优势，从而使非线性节点探测系统得到了安全、机要等相关部门的关注和重视［1］。但由于谐波雷达探测的高灵敏性，易受噪声影响，且需保证探测系统信号实时性，故信号处理成为谐波探测系统的关键技术。

2 非线性节点探测原理

非线性节点探测系统主要用于探测目标物体中是否携带或含有非线性半导体元件。该探测系统的基本原理是，探测系统主动产生一个调制的小功率信号高频电磁波发射，去激发探测目标物体中的半导体元件或装置，当探测目标物体中含有非线性半导体元件或电子装置时，利用半导体PN结的非线性电特性，即当半导体PN结受到电磁波辐射激发时，会向外散射出入射波的高次谐波［2］，通过系统对反射或散射的高次谐波分析，来判断探测目标物体中是否携带有非线性半导体器件。

典型非线性半导体PN结点的伏安特性表达式为

式中，I是信号电流，Is是反向饱和电流，q是电子电量，V是电压，K是波尔兹曼常数，T代表热力学温度。

由式（1）可知道，非线性半导体PN结点的伏安特性是一条非对称的曲线，但其曲线形状与金属结特性曲线不同，因此可将式（1）改写为

由电磁感应原理可知，在高频电磁波场功率较小时，当半导体PN结点受到一定频率的电磁波照射时，非线性半导体PN结点的两端可产生感应电压V（f），进而产生相应感应的二次谐波诱导电流I（2f），由于输出阻抗的存在，I（2f）在节点两端便产生出二次谐波散射电压V（2f），向空间再辐射高次谐波，所产生的再辐射场二次谐波分量的幅度将大于三次及以上谐波分量的幅度。而对于金属结的情况下，它受到入射高频电磁波场辐射后，所产生的金属结再辐射的二次谐波分量的幅度将小于三次谐波分量的幅度，这正好与PN结的非线性再辐射特征相反。因此，在小功率高频电磁波辐射的情况下，两种结点呈现出不同的特征，可以用它来区分这两类结点，因此利用该半导体PN结的非线性再辐射特征［3］，作为探测领域中检测电子产品的一个主要判断指标。

3 非线性节点探测系统的结构

要实现基于非线性PN结的探测技术方案，就必须对PN结的非线性反射电磁波的特性进行深入细致的研究，在大量实验的基础上，建立模型，摸索规律。需要解决的问题包括特定探测信号的发射和接收、信号特征分析、真伪PN结的判断和识别等。通过对非线性节点探测原理的分析，依据半导体PN结的非线性再辐射特征，设计出了非线性节点探测系统的总体结构框图，如图1所示。

非线性节点探测系统主要由DDS产生250 kHz的基带源信号，将该基带源信号与频率合成器锁相环（Phase Locked Loop，PLL）产生的900 MHz载波信号进行混频调制，再经射频功率放大器放大后，通过发射天线发射出频率为900 MHz±250 kHz的探测信号，去激发非线性电子元件节点。探测系统再通过接收天线在接收端将接收到的再辐射信号，经前置滤波放大器后送至二倍频混频器解调，与本振产生的二倍频载波信号1 800 MHz进行混频，解调得到基带信号作用于PN结再辐射的二次谐波，将该基带二次谐波信号送入基带处理板FPGA［4］中进行处理和判断，并通过基带处理板FPGA的通信接口将探测判断结果发送至PC或其它设备显示。

非线性节点探测器系统主要用于探测目标物体中是否携带非线性器件，主要用于探测非线性节点器件。非线性节点探测系统就是研究如何从探测的反馈信号中准确获得基带二次谐波信号，也就是对检测到的信号进行频谱分析，信号检测算法与装置成为该非线性节点探测系统的核心部件，FFT算法则是这一部件实现的关键技术。

4 基于VHDL语言的FFT的实现

基于VHDL的语言可以利用FPGA实现快速傅里叶变换（FFT），以达到其系统对实时性的要求［5］。FFT的实现方法有多种，不仅在硬件有很多的可选方案，而且软件算法也有很多方案。该系统具体技术指标是数据量大于5 000的浮点数变换时间要求小于1 ms，综合考虑算法实现的难易程度和硬件资源的利用，本文选择在FPGA的硬件平台上，应用VHDL语言编程，采用按时间抽取的基二算法来实现FFT算法。根据实现系统需求，选用1 024点的DIT算法定点FFT运算，它与DIF算法原理上稍微有点差别，但就其在FPGA上实现的系统性能是没有差异的［6］。整个系统FFT算法设计流程图及FPGA系统的算法模块设计如图2和图3所示，包括碟形运算单元、两个用于存储实部和虚部数据的RAM、两个用于存储旋转因子的ROM、地址产生单元、时序控制单元、溢出控制单元、总线数据选择单元、PLL、倍频分频单元、输出单元等。因为系统AD采样精度确定选用为12位的，而AD与FFT运算单元之间的接口是FIFO的存储结构，12位的FIFO和18位的FIFO所占用FPGA的硬件资源是一样的，所以为了充分利用FPGA的硬件资源，本文所有碟形运算单元、存储单元都采用18位的运算结构。

系统各单元简述如下。

（1）系统的输入信号是由12位的AD采样器采样模拟信号得来，将12位无符号数据处理成18位有符号的数据存入到FIFO中。

（2）FIFO单元存储初始化碟形运算单元中的RAM，之所以选择FIFO的原因是其对外的接口很简单，且其所占用资源较少。与AD的接口有4个，分别为18位的输入数据、写使能、写时钟（此时钟应该和AD的采样时钟一样）、写满信号。当写满信号无效时，AD就可以不断地向FIFO写数据。而与FFT的计算单元之间的接口信号有读使能、读时钟、18位数据输出、空信号4个。当FIFO空信号无效时，并且前一次运行的FFT已结束，就可以重新初始化RAM进行下一次的FFT运算。

（3）蝶形运算单元完成一个数据与旋转因子的复数乘法和两个复数的相加。本设计中只采用了一个蝶形运算单元。

（4）地址产生单元，产生运算过程中所需的RAM的读、写地址，双口RAM的写地址。

（5）RAM用于存储计算过程中蝶形单元的写回数据。

（6）双口RAM用于存储FFT最后输出的实部与虚部的平方和的结果。

（7）时序控制单元完成对各个模块的时序控制。

5 系统仿真与实验结果

对非线性节点探测系统的FPGA核心算法FFT进行实验性测试，利用DDS函数发生器产生一个峰-峰值为7 mV、频率为2 MHz的单频正弦信号，将其输入到FPGA系统板中，经过放大后，峰-峰值达到928 mV，经采样率为10 MHz的AD采样器采样，后经FPGA系统内FFT处理单元进行变换。将实验测试数据频率按式（3）进行处理：

式中，f0为信号的频率，fs为采样频率。

因此，当输入信号频率为2 MHz、峰-峰值为7 mV时，信号的频谱峰值应该出现在205处，如图4所示；当输入信号频率为2 MHz、峰-峰值为3 mV的信号时的频谱图如图5所示。

利用该非线性节点探测系统进行实验测试，系统探测端发射出900 MHz±250 kHz频率的探测信号。当探测接收端不存在有非线性器件节点时，系统所截获反射信号得到的频谱图如图6所示；当探测接收端存在非线性器件节点时，所获得的频谱图如图7所示。由图7可知，由频率为250 kHz的基带信号，经非线性元件PN结节点的再辐射的基波二次谐波频率为500 kHz，该二次谐波信号（频率为500 kHz）经过10 MHz采样率的AD转换器，其峰值位置按式（3）计算，应该出现在1 024点FFT的频谱图中52处。

系统仿真与实验测试结果表明，探测系统发射高频调制信号波，通过系统接收的反射信号频谱特征可以获知在探测端是否存在有非线性元件节点；同时也表明该系统具有良好的目标识别性和较强的抗背景干扰能力，能较好地完成非线性节点探测任务。

6 结论

非线性节点探测系统的FPGA算法设计是在ALTER公司Quartus II环境下进行软件设计与实现的，利用FPGA对DIT算法定点FFT运算的模块化可编程设计，使系统硬件设计软件化，从而缩短了系统开发周期，降低了系统成本，增强了系统的稳定性，且提高了系统的适应性与灵活性。

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LIU Xiao-ming，SUN Xue.Design and Implementation of a Scalable and High-speed FFT Processor Based on FPGA［J］.Telecommunication Engineering，2005，45（4）：147-151.（in Chinese）

LIU Xiao-jie was born in Gejiu，Yunnan Province，in 1978. He received the Ph.D.degree from Jilin University in 2009.He is now a lecturer at Jiangsu Teachers University of Technology.His research interests include signal＆information processing and embedded system applications.

Email：liuxiaojie1978＠gmail.com

宋占伟（1962—），男，吉林长春人，1998年于吉林工业大学获博士学位，现为吉林大学教授、硕士生导师，主要研究方向为信号与信息处理、非线性系统控制、混沌的控制与同步；

SONG Zhan-wei was born in Changchun，Jilin Province，in 1962.He received the Ph.D.degree from Jilin University of Technology in 1998.He is now a professor and also the instructor of graduate students.His research interests include signal＆information processing，nonlinear control systems，control and synchronization of chaos.

Email：songzw＠jlu.edu.cn

张旻（1977—），女，吉林省吉林市人，2006年于东北师范大学获硕士学位，现为江苏技术师范学院讲师，主要研究方向为信息技术应用。

ZHANG Min was born in Jilin City，Jilin Province，in 1977. She received the M.S.degree from Northeast Normal University in 2006.She is now a lecturer.Her research concerns the information technology application.

Email：zhangmin＠jstu.edu.cn

Design and Implementation of Nonlinear Node Detection System Based on FPGA

LIU Xiao-jie1，SONG Zhan-wei2，ZHANG Min3
（1.College of Electric Information Engineering，Jiangsu Teachers University of Technology，Changzhou 213001，China；2.College of Electronic Science and Engineering，Jilin University，Changchun 131012，China；3.College of Computer Engineering，Jiangsu Teachers University of Technology，Changzhou 213001，China）

According to the nonlinear re-radiation characteristic of semiconductor PN node，the nonlinear node detection system for semiconductor junction targets based on second harmonic reception is designed.System simulation and experiment results show that the system can detect well the node of nonlinear component with gain high enough for signal detection.

harmonic radar；nonlinear node；detection system；signal detection；hardware design

The National High-tech R＆D Program of China（863 Program）（2009AA11Z210）；The Key Technology R＆D Program of Jilin Province Research Project（20100314）；Doctor Start-up Fund Research Project of the University（KYY09008）

TN952

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.008

刘晓杰（1978—），男，云南个旧人，2009年于吉林大学获博士学位，现为江苏技术师范学院讲师，主要研究方向为信号与信息处理及嵌入式系统应用；

1001-893X（2011）05-0037-05

2011-01-10；

2011-03-22

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2009AA11Z210）；吉林省科技支撑计划重点资助项目（20100314）；校博士启动基金项目（KYY09008）