基于BF533和FPGA的雷達(dá)信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

隨著軍事技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)新形勢(shì)，在現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和數(shù)字計(jì)算機(jī)高速發(fā)展的基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，這也促使雷達(dá)信號(hào)模擬技術(shù)快速發(fā)展。雷達(dá)信號(hào)模擬器是現(xiàn)代模擬技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)不具備的條件下產(chǎn)生出所需的雷達(dá)回波信號(hào)，這在雷達(dá)調(diào)試、性能評(píng)估等方面具有重要用途。且隨著雷達(dá)信號(hào)模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，已成為雷達(dá)技術(shù)的一個(gè)重要分支。

當(dāng)今雷達(dá)信號(hào)模擬器多采用軟硬結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，使得系統(tǒng)有更大的靈活性?？刹捎镁幊痰姆椒ㄔO(shè)置所需的模擬雷達(dá)信號(hào)的各種參數(shù)，使模擬器能實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)類(lèi)型。本文論述的信號(hào)模擬器主要針對(duì)某雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備提出，按照實(shí)際要求，產(chǎn)生多通道且相互獨(dú)立的雷達(dá)信號(hào)，可提供給雷達(dá)對(duì)抗設(shè)備趨于真實(shí)的雷達(dá)環(huán)境。

1 模擬器設(shè)計(jì)思想

該雷達(dá)信號(hào)模擬器的主要設(shè)計(jì)思想是，對(duì)于雷達(dá)回波信號(hào)，由于數(shù)據(jù)量大，所以采用高速、高性能的DSP芯片進(jìn)行部分計(jì)算，并實(shí)時(shí)控制基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生雷達(dá)模擬信號(hào)，且最多可產(chǎn)生4路完全獨(dú)立的信號(hào)。

該模擬器方案計(jì)劃采用網(wǎng)絡(luò)和本地兩種方式將模擬器的各項(xiàng)參數(shù)發(fā)送給系統(tǒng)，本地通過(guò)一塊ARM處理器搭配觸摸屏構(gòu)建人機(jī)交互系統(tǒng)，即可接受網(wǎng)絡(luò)傳送的參數(shù)也可本地手動(dòng)設(shè)置參數(shù)(包括中心：頻率、脈寬、脈沖重復(fù)周期、調(diào)頻模式、調(diào)頻周期、調(diào)相編碼、子碼寬度、天線掃描類(lèi)型及掃描周期等)。ARM處理器將設(shè)置好的參數(shù)通過(guò)高速USB接口或SPI接口發(fā)送至DSP。而DSP接收數(shù)據(jù)并解析，同時(shí)判斷每一路信號(hào)類(lèi)型，并計(jì)算出實(shí)時(shí)參數(shù)發(fā)送給FPGA。

在FPCA內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)直接數(shù)字頻率合成器，由Matlab預(yù)先生成正余弦函數(shù)表并導(dǎo)入FPGA的RAM中，以備查找。同時(shí)，F(xiàn)PGA將DSP送來(lái)的參數(shù)也存入RAM，并計(jì)算回波信號(hào)的實(shí)時(shí)相位，從而通過(guò)相位查找正余弦函數(shù)表進(jìn)行輸出。最終通過(guò)高速D/A芯片將信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再進(jìn)行天線掃描調(diào)制、濾波、放大輸送至射頻發(fā)送端。信號(hào)模擬過(guò)程如圖1所示。

2 模擬器的硬件實(shí)現(xiàn)

模擬器的硬件實(shí)現(xiàn)框圖，如圖2所示。系統(tǒng)硬件采用ADI公司的BF533作為數(shù)字信號(hào)處理器。采用Xilinx公司的XC5VLX30芯片作為信號(hào)合成模塊，并在其內(nèi)部構(gòu)建DDS，輸出至高速D/A轉(zhuǎn)換芯片AD9739。天線掃描調(diào)制模塊由DSP負(fù)責(zé)脈沖包絡(luò)調(diào)制計(jì)算，將計(jì)算好的調(diào)制碼發(fā)送給FPGA，再由FPGA控制數(shù)控衰減器進(jìn)行調(diào)制。

ADSP-BF533是ADI公司主頻高達(dá)600 MHz的高性能Blackfin處理器，BF533處理器內(nèi)核包含2個(gè)16位乘法器，2個(gè)40位的累加器，2個(gè)40位的ALU，4個(gè)視頻ALU和1個(gè)40位移位器。外部存儲(chǔ)器通過(guò)外部總線接口單元(EBIU)進(jìn)行訪問(wèn)，并可與最多4個(gè)異步存儲(chǔ)器設(shè)備無(wú)縫連接。處理器有多個(gè)獨(dú)立的DMA控制器，能以最小的DSP內(nèi)核開(kāi)銷(xiāo)完成自動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸且擁有1個(gè)SPI兼容端口，能使控制器與多個(gè)SPI兼容的設(shè)備通信。以上特性均滿(mǎn)足本方案對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器的性能要求，并可高速實(shí)現(xiàn)DSP與USB，F(xiàn)PGA以及其他SPI設(shè)配的數(shù)據(jù)交換。

由于DDS內(nèi)核為全數(shù)字結(jié)構(gòu)，其本身又是一個(gè)相位控制系統(tǒng)，因此可在DDS設(shè)計(jì)中方便地加入數(shù)字調(diào)頻、調(diào)相及調(diào)幅的功能，以產(chǎn)生ASK、FSK、PSK、MSK等多種信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用增加多種功能的DDS改進(jìn)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

改進(jìn)后的DDS可用于產(chǎn)生常見(jiàn)的任意波形，如圖3所示。在相位累加器的輸入端增加一個(gè)加法器，便可實(shí)現(xiàn)頻移鍵控(FSK)。若在相位累加器前增加一個(gè)頻率累加器，則后相位累加器的相位輸出呈平方函數(shù)特性，而該相位特性是線性調(diào)頻信號(hào)的相位特征，因此可實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)。該頻率累加器在FPGA通過(guò)積分器實(shí)現(xiàn)，若在頻率累加器前面加一個(gè)ROM /RAM，則可由軟件來(lái)控制完成非線性調(diào)頻功能。相位累加器的輸出信號(hào)是代表相位值的數(shù)字信號(hào)，因此在累加器的后面增加一個(gè)加法器便可輕易地實(shí)現(xiàn)相移或相位調(diào)制。

相位波形轉(zhuǎn)換部分用查找ROM表的方式進(jìn)行，將計(jì)算出的相位值作為地址輸入，查找出信號(hào)幅值輸出。

因?qū)τ谝粋€(gè)正弦波，用任意象限的波形數(shù)據(jù)就能包含整個(gè)周期的信息，所以查找表中只需存儲(chǔ)[0，π/2]的波形。而在查找的過(guò)程中充分利用三角恒等式的變換，故使用了一種近似的方法。假設(shè)一個(gè)周期的波形用深度為218的地址查找，則1/4周期的信號(hào)用位寬16 bit的地址線即可。

系統(tǒng)中，DAC采用AD公司D/A轉(zhuǎn)換器AD9739。AD9739是一款14位的射頻D/A轉(zhuǎn)換器，采樣時(shí)鐘速率最高可達(dá)到2.5 GHz，其是目前ADI公司高速D/A產(chǎn)品中轉(zhuǎn)換速率最高的一款芯片。AD9739包含一個(gè)串行外設(shè)接口(SPI)，其被用于狀態(tài)寄存器的回讀和配置。此外，其還有3種工作模式分別為普通模式、歸零(RZ)模式和混頻模式。這3種模式下的保持采樣脈沖頻譜圖，如圖4所示。

圖4所示，對(duì)于普通模式而言，其保持采樣脈沖的頻譜圖為sinc函數(shù)，且在Fs處衰減至最低，在與數(shù)字樣本頻譜相乘的過(guò)程中，可提取出信號(hào)的基頻分量，而鏡頻分量則被有效抑制。但為得到中頻頻率分量，若使用普通模式，就需要再經(jīng)過(guò)一個(gè)乘法器進(jìn)行混頻，進(jìn)而得到所需的中頻信號(hào)的分量。對(duì)于歸零模式而言，其頻譜在第1、2、3奈奎斯特區(qū)域均相對(duì)較為平滑，且在2Fs處衰減至最低，雖頻譜相對(duì)較為平滑，但其整體而言增益較低，難以有效提取出所需的中頻頻率分量。而對(duì)于混頻模式而言，從頻譜圖可看出，在奈奎斯特2區(qū)增益較大，且在0.75Fs處增益達(dá)到最大，從而可有效地抑制基頻分量而增加鏡頻分量，并可直接提取出所需的中頻頻率分量，這相對(duì)于普通模式，便可省去混頻的環(huán)節(jié)。由于本模擬器輸出的是中頻信號(hào)，其中心頻率為960 MHz，因此文中選用混頻模式。

3 模擬器雷達(dá)信號(hào)類(lèi)型

從雷達(dá)輻射信號(hào)波形來(lái)看，各種技術(shù)體制的雷達(dá)選用的信號(hào)形式主要包括脈沖調(diào)幅信號(hào)、線性調(diào)頻脈沖信號(hào)、相位編碼脈沖信號(hào)等。在雷達(dá)信號(hào)環(huán)境仿真中，需建立雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的仿真模型，其中包括雷達(dá)脈沖信號(hào)模型、天線掃描模型、多信號(hào)脈沖排序模型等。本模擬器系統(tǒng)可提供載波頻率(RF)模型、脈沖重復(fù)間隔(PRI)模型和脈沖幅度(PA)模型。而對(duì)于所有的模型均可通過(guò)DSP軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)。

3.1 RF模型

(1)固定載頻雷達(dá)。對(duì)于該雷達(dá)，雷達(dá)發(fā)射脈沖序列的載頻保持不變，RF模型為

RFi=RF，i=1，2，3… (1)

式中，RF為雷達(dá)脈沖載頻的中心頻率，其為一非時(shí)變的確定性常數(shù)。

(2)頻率捷變雷達(dá)。對(duì)于該雷達(dá)，有兩種捷變模式，即脈間捷變頻和脈組捷變頻模式。脈間捷變頻模式采用捷變技術(shù)，使雷達(dá)每個(gè)脈沖的載頻在一個(gè)較寬的頻段上作隨機(jī)的快速躍變。若頻率捷變范圍為△RF，則脈間捷變頻雷達(dá)的RF模型為

其中，rand(i)是[0，M-1]之間的均勻分布整型偽隨機(jī)數(shù);M是捷變頻點(diǎn)數(shù)。

脈組捷變頻模式是指雷達(dá)脈沖的載頻隨機(jī)捷變是成組變化的。組內(nèi)脈沖的載頻相同，組間脈沖載頻不同，且隨機(jī)捷變。若頻率捷變范圍為△RF，則脈組捷變頻雷達(dá)的RF模型為

其中，rand(i)是[0，M-1]之間的均勻分布整型偽隨機(jī)數(shù);M是捷變頻點(diǎn)數(shù);K是分組脈沖數(shù);int(k)是取整函數(shù)。

(3)頻率分集雷達(dá)。對(duì)于該雷達(dá)，其同時(shí)發(fā)射一組具有相同脈寬和重頻的發(fā)射脈沖，這些脈沖的載頻各不相同，設(shè)頻率分集數(shù)為M，頻率分集的頻率集為

，則RF模型為

3.2 PRI模型

(1)重頻固定雷達(dá)。對(duì)于重頻固定雷達(dá)，雷達(dá)脈沖的脈沖重復(fù)間隔(PRI)保持不變，PRI模型為

PRIi=PRI，i=1，2，3… (5)

其中，PRI為一非時(shí)變的確定性常數(shù)。

(2)重頻抖動(dòng)雷達(dá)。對(duì)于該雷達(dá)，其PRI值一般是在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化的。這種變化是隨機(jī)的，但也可按一定艦律變化。其PRI模型為

PRIi=PRI0+δT，i=1，2，3… (6)

其中，PRI0為雷達(dá)信號(hào)PRI的中心值或平均值，δT是抖動(dòng)量，其是在范圍[-△PRI，+△PRI]內(nèi)均勻分布的隨機(jī)序列?！鱌RI與PRI的比值稱(chēng)為最大抖動(dòng)量

式中，γ用以表現(xiàn)抖動(dòng)的相對(duì)大小，其典型值為±1%～±10%。

(3)重頻參差雷達(dá)。對(duì)于該雷達(dá)，重頻參差雷達(dá)是一種具有多個(gè)重復(fù)頻率的雷達(dá)。其參差方式一般有2參差、3參差等，最多則可能有16參差。但最常用2參差和3參差。對(duì)于具有M個(gè)PRI的雷達(dá)，PRI模型為

PRIi=PRIk，k=mod(i，M)，i=1，2，3… (8)

其中，M為參差周期數(shù)，每經(jīng)過(guò)M個(gè)脈沖，各參差PRI值循環(huán)變化一次。參差PRI脈沖列的總重復(fù)周期等于所有參差周期之和。

3.3 PA模型

由于仿真的信號(hào)環(huán)境與偵察系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)關(guān)，脈沖幅度可用到達(dá)偵察系統(tǒng)處的輻射源功率密度表示，這里取功率密度的對(duì)數(shù)作為脈沖幅度。設(shè)雷達(dá)信號(hào)功率為Pt，天線增益為Gt，偵察機(jī)與雷達(dá)之間的距離為R，電波大氣傳播損耗為L(zhǎng)，則脈沖功率可表示為

式中，F(xiàn)(θ)為歸一化的天線方向圖函數(shù)。對(duì)處于跟蹤狀態(tài)下的雷達(dá)，F(xiàn)(θ)=1;而對(duì)處于搜索狀態(tài)下的雷達(dá)，F(xiàn)(θ)受雷達(dá)波束形狀和掃描方式的影響。在具體計(jì)算時(shí)，使用的脈沖幅度與上式的脈沖功率還需進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成電壓值使用。

4 模擬器的軟件實(shí)現(xiàn)

在雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)中，軟件設(shè)計(jì)工作包括通過(guò)串行SPI接口編程配置時(shí)鐘和D/A芯片;DSP通過(guò)總線與USB和FPGA進(jìn)行通信;DSP內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;FPGA利用Verilog硬件描述語(yǔ)言，完成DDS的邏輯譯碼等工作。

DSP程序主要通過(guò)ADI公司提供的開(kāi)發(fā)軟件VisualDSP++進(jìn)行編程，生成可燒寫(xiě)到Flash中的ldr文件。FPGA的編程用Xilinx公司的軟件開(kāi)發(fā)包ISE，實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成。系統(tǒng)軟件流程圖，如圖5所示。

中斷是DSP與FPGA之間通信的時(shí)序控制信號(hào)。在每個(gè)脈沖周期內(nèi)，F(xiàn)PGA完成接收DSP通過(guò)總線發(fā)送的數(shù)據(jù)，立即給DSP發(fā)送中斷信號(hào)，且通過(guò)總線發(fā)送一組二進(jìn)制標(biāo)志位，低4位有效。FPGA根據(jù)時(shí)序判斷下一組信號(hào)的通道號(hào)，并將相應(yīng)位置置位。DSP通過(guò)判斷標(biāo)志位來(lái)選擇發(fā)送的雷達(dá)參數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中采用DSP與FPGA相結(jié)合的方式模擬雷達(dá)信號(hào)，并通過(guò)軟件設(shè)置雷達(dá)參數(shù)。圖6和圖7為示波器上觀測(cè)到的實(shí)際輸出信號(hào)。圖6為標(biāo)準(zhǔn)正弦輸出信號(hào)，圖7為獨(dú)立的四通道在不同調(diào)制模式下的雷達(dá)脈沖。

如圖7所示，第1通道為固定頻率、固定PRI的脈沖信號(hào);第2通道為頻率捷變脈沖信號(hào)，可看到相鄰脈沖之間頻率不同，且變化無(wú)規(guī)律;第3通道為頻率組變，每三個(gè)脈沖為一組，組間頻率隨機(jī)變化;第4通道PRI參差調(diào)制，每3個(gè)脈沖為一周期，組內(nèi)PRI各不相同。