基于DSP和FPGA的多波形雷達(dá)回波中頻模擬器實(shí)現(xiàn)

本文論述一種自主產(chǎn)生式的雷達(dá)回波模擬器中頻部分的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，該模擬器可產(chǎn)生脈沖單頻、脈沖線性調(diào)頻、步進(jìn)頻、步進(jìn)頻+線性調(diào)頻等多種波形的雷達(dá)回波信號(hào)，并可產(chǎn)生雙目標(biāo)和參數(shù)可控的帶限高斯白噪聲，可模擬主要的干擾類型;輸出信號(hào)既可以直接用于信號(hào)處理機(jī)的中頻注入式測(cè)試，也可上變頻后用于雷達(dá)系統(tǒng)的射頻條件下的各種測(cè)試驗(yàn)證。以下對(duì)該中頻雷達(dá)回波模擬器的實(shí)現(xiàn)方法予以詳細(xì)闡述。

　　1 回波信號(hào)理論分析

　　按照設(shè)計(jì)要求，該模擬器需要模擬脈沖單頻、脈沖線性調(diào)頻、步進(jìn)頻、步進(jìn)頻+線性調(diào)頻共四種波形的信號(hào)。其中，步進(jìn)頻又包括順序步進(jìn)頻和隨機(jī)步進(jìn)頻兩種類型。這些波形的雷達(dá)回波信號(hào)，均可以統(tǒng)一表示為式(1)的形式：

　　式中：c為光速;N為相參幀的脈沖總個(gè)數(shù);i表示相參幀內(nèi)的第幾個(gè)脈沖;To為脈沖寬度;Tr為脈沖周期;fc為相參幀內(nèi)首脈沖的載頻;△f為脈沖間最小步進(jìn)頻差;bi△f為第i個(gè)脈沖在初始載頻基礎(chǔ)上的頻率變化(僅適用于脈間頻率捷變波形，非脈間捷變波形則bi=0);k為線性調(diào)頻波形時(shí)的脈內(nèi)調(diào)頻變化率(非脈內(nèi)線性調(diào)頻則k=0);Ro為目標(biāo)當(dāng)前距離;v為目標(biāo)當(dāng)前速度。

　　由以上分析可知，無論上述何種波形，均可根據(jù)式(1)計(jì)算脈沖的延時(shí)、每個(gè)脈沖的脈內(nèi)初相、以及每個(gè)脈沖的載頻等參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)在與產(chǎn)品同步的基礎(chǔ)上予以實(shí)時(shí)控制來進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)。根據(jù)發(fā)射波形，還要決定是否添加脈內(nèi)頻率線性調(diào)制。

　　2 回波模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)需求和前述雷達(dá)回波信號(hào)理論分析，該中頻雷達(dá)回波模擬器(以下簡稱模擬器)采用了如圖1所示的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。

　　該模擬器通過單片機(jī)(AVR8515)與上位機(jī)進(jìn)行異步串行通信，單片機(jī)完成通信協(xié)議的解包、打包等過程，接收上位機(jī)中用戶設(shè)定的目標(biāo)和干擾參數(shù)，發(fā)送模擬器的實(shí)時(shí)模擬狀態(tài)信息給上位機(jī)。系統(tǒng)以DSP(ADSP-21060)作為脈沖參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算單元，單片機(jī)與DSP問通過雙口RAM進(jìn)行信息交換。DSP得到兩個(gè)目標(biāo)的模擬參數(shù)后，根據(jù)參數(shù)變化的時(shí)間節(jié)拍，計(jì)算一個(gè)相參幀兩目標(biāo)的各脈沖的初相、載頻、脈沖延時(shí)等參數(shù)，并寫給雙口RAM。系統(tǒng)以FPGA(XC2V3000)作為信號(hào)處理與控制單元，FPGA讀取后，在產(chǎn)品提供的處理幀同步信號(hào)和同步調(diào)制脈沖控制下，結(jié)合產(chǎn)品串口傳過來的波形類型的信息(如：脈內(nèi)單頻還是線性調(diào)頻)，形成兩個(gè)目標(biāo)的延時(shí)脈沖，并控制兩個(gè)目標(biāo)各自的DDS(AD9858)信號(hào)產(chǎn)生單元，產(chǎn)生出兩個(gè)目標(biāo)信號(hào)。帶限的高斯白噪聲的數(shù)字正交基帶也由FPGA產(chǎn)生，并同步AD9957的數(shù)字正交上變頻功能將基帶調(diào)制到所需的中心頻上。目標(biāo)1、目標(biāo)2和噪聲信號(hào)的合成由模擬電路實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)一定的功率控制，最后輸出所需的中頻雷達(dá)回波信號(hào)。模擬器系統(tǒng)各單元時(shí)鐘的相參性至關(guān)重要，由專用時(shí)鐘管理芯片(AD9510)產(chǎn)生FPGA，AD9858，AD9957的工作時(shí)鐘。