一種模目信號(hào)設(shè)計(jì)方法

雷達(dá)系統(tǒng)在研制過程中，各部分往往是并行的，在調(diào)試信號(hào)處理分系統(tǒng)時(shí)，如果天線沒做好，就得不到陣面送下來的回波數(shù)據(jù)，這時(shí)調(diào)試就無法正常進(jìn)行。為了解決這一問題，往往先設(shè)計(jì)一個(gè)模目信號(hào)，把信號(hào)處理分系統(tǒng)調(diào)試好，待其他分系統(tǒng)也調(diào)試好后，再切換為正常接收模式，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)試。

本文介紹了一種模目信號(hào)設(shè)計(jì)方法，利用FPGA產(chǎn)生時(shí)序及控制，DSP實(shí)時(shí)計(jì)算所需要的回波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)目標(biāo)回波的模擬，這樣可以在沒有陣面數(shù)據(jù)的情況下，使信號(hào)處理分系統(tǒng)調(diào)試能夠正常進(jìn)行，從而不影響科研進(jìn)度，做到有問題早發(fā)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)原理

由于要調(diào)試的是PD體制雷達(dá)，所以要模擬的信號(hào)是帶有多普勒頻移的雷達(dá)目標(biāo)回波。這里雷達(dá)發(fā)射波形為線性調(diào)頻信號(hào)，其時(shí)域表達(dá)式為：

式中： A為振幅；τ為脈寬；；μ為調(diào)頻斜率；fo為載頻；φo為初相。那么當(dāng)雷達(dá)對(duì)空照射時(shí)，如果遇到目標(biāo)，就會(huì)產(chǎn)生回波，回波是受目標(biāo)調(diào)制了的發(fā)射信號(hào)，所以通過和發(fā)射信號(hào)相比較，就可獲得目標(biāo)的相關(guān)信息，在此僅考慮目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)勻速?gòu)较蝻w行的情況。當(dāng)回波被雷達(dá)接收后，經(jīng)過解調(diào)，得到的將是帶有多普勒頻移的線性調(diào)頻信號(hào)，由于已假設(shè)目標(biāo)沿徑向勻速飛行，所以回波信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)來說，在相位上僅時(shí)間的一次項(xiàng)改變，即發(fā)生了多普勒頻移。回波的時(shí)延反映目標(biāo)的遠(yuǎn)近，幅度反映目標(biāo)的散射截面積。

通過以上分析可知，要產(chǎn)生模目信號(hào)，可以通過改變發(fā)射信號(hào)（未調(diào)制至載波）的頻率中心、時(shí)延和幅度這三個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)這三個(gè)變量的控制，就可模擬出目標(biāo)的徑向速度、徑向距離以及雷達(dá)散射截面積。

2 系統(tǒng)方案

由于模目信號(hào)可以通過改變發(fā)射信號(hào)得到，又發(fā)射信號(hào)的波形已知，所以可以通過對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)變換，來模擬所期望的回波。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下：為了解距離和速度二維模糊，雷達(dá)設(shè)置了N種重頻，每種重頻的脈寬不同，在系統(tǒng)帶寬（其決定雷達(dá)的距離分辨率）一定的情況下，每種重頻發(fā)射信號(hào)的點(diǎn)數(shù)為：脈沖時(shí)寬×系統(tǒng)帶寬，此點(diǎn)數(shù)也就是目標(biāo)回波的點(diǎn)數(shù)，這樣就可以預(yù)先把發(fā)射波形存于DSP內(nèi)存，然后根據(jù)系統(tǒng)控制字，取出需要的波形，再在DSP中實(shí)時(shí)計(jì)算出所需要的模目信號(hào)。模目信號(hào)需要系統(tǒng)時(shí)序來同步，系統(tǒng)時(shí)序如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)時(shí)序

圖1中BW為雷達(dá)波位脈沖，CPI為相干脈沖導(dǎo)前，F(xiàn)R為單個(gè)脈沖信號(hào)。系統(tǒng)會(huì)在每個(gè)CPI到來時(shí)打入系統(tǒng)控制字，告訴信號(hào)處理分系統(tǒng)陣面ID、工作模式、CPI代碼等信息，信號(hào)處理分系統(tǒng)會(huì)根據(jù)收到的控制字來進(jìn)行相應(yīng)的工作，模目距離和模目多普勒也會(huì)在系統(tǒng)控制字中給出，這樣就可在系統(tǒng)時(shí)序同步下，根據(jù)所收到的控制字產(chǎn)生模目信號(hào)。

模目信號(hào)屬于系統(tǒng)內(nèi)部的測(cè)試信號(hào)，所以不需要單獨(dú)的插件產(chǎn)生，可以考慮做在信號(hào)處理流程比較靠前的插件上，比如DBF插件或者脈壓插件。由于本系統(tǒng)脈壓插件資源有剩余，且對(duì)于產(chǎn)生模目信號(hào)足夠，所以將模目產(chǎn)生模塊放在脈壓插件上，用到的器件是一片F(xiàn)PGA和一片DS-P，其中FPGA的作用是接收光纖送來的控制字，對(duì)DSP發(fā)起中斷并緩存DSP產(chǎn)生的模擬回波，然后在系統(tǒng)時(shí)序的同步下將模擬回波送后續(xù)處理；DSP的作用是根據(jù)系統(tǒng)控制字信息，在一個(gè)FR時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生所需要的多波束目標(biāo)回波，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 目標(biāo)回波實(shí)現(xiàn)框圖

系統(tǒng)工作流程為：DBF分機(jī)提供系統(tǒng)控制字、時(shí)序和外時(shí)鐘，其中系統(tǒng)控制字通過光纖送出，每個(gè)CPI送一次，時(shí)序和外時(shí)鐘通過射頻電纜送出。當(dāng)FPGA收到控制字后，將其緩存于雙口RAM，等到第二個(gè)FR，給DSP發(fā)起中斷，通知DSP取走控制字。DSP從控制字中提取CPI代碼、FR代碼、模目距離和模目多普勒等信息。通過CPI代碼可以知道雷達(dá)當(dāng)前發(fā)射的是哪種波形，即哪種線形調(diào)頻信號(hào)，通過FR代碼可以知道當(dāng)前脈沖是該相干處理脈沖組中第幾個(gè)脈沖，通過模目距離和模目多普勒可以知道系統(tǒng)要求模擬目標(biāo)所處的距離和相對(duì)徑向速度。由于系統(tǒng)控制字已在第二個(gè)FR得到，所以在接下來的FR中，DSP只需讀進(jìn)FR序列號(hào)，就不需要再讀控制字。讀FR序列號(hào)的目的是為了計(jì)算模目由于存在徑向速度而產(chǎn)生的相位，即φd=fd（n-1）Tr，其中：n即為FR序列號(hào)；Tr為脈沖重復(fù)周期，一旦獲得這些信息，就可以計(jì)算模目。在計(jì)算模目的過程中，采用了乒乓存儲(chǔ)方式，即當(dāng)前FR產(chǎn)生下一FR的數(shù)據(jù)，并存于FPGA的雙口RAM中，等下一FR到來時(shí)，延遲到系統(tǒng)控制字所給的模目距離單元所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，讀出模目數(shù)據(jù)即可。為了使目標(biāo)回波與實(shí)際情況一致，要求模目信號(hào)在距離和多普勒上都要模糊，由于系統(tǒng)控制字送來的參數(shù)是非模糊的，那么轉(zhuǎn)換方法為：模糊距離=真實(shí)距離mod本相干處理脈沖組對(duì)應(yīng)的距離，模糊多普勒一真實(shí)多普勒mod本相干處理脈沖組對(duì)應(yīng)的重頻，其中mod為求模，這一過程在DSP中完成。

3 調(diào)試過程

調(diào)試所用到的分機(jī)有：綜合電子分機(jī)，送時(shí)序和控制字；DBF分機(jī)，完成控制字中CPI代碼和FR代碼的填充，并通過光纖將控制字送至DSP分機(jī)，本模目信號(hào)產(chǎn)生模塊就在DSP分機(jī)的脈壓插件上；頻率源，給每個(gè)分機(jī)提供時(shí)鐘；除此之外，還需要一臺(tái)直流穩(wěn)壓電源。

系統(tǒng)加電后，DSP初始化完成就處于等待狀態(tài)，當(dāng)有時(shí)序和系統(tǒng)控制字送來，DSP就根據(jù)控制字的要求產(chǎn)生模目信號(hào)，并在時(shí)序的同步下將信號(hào)送往FPGA，然后再由FPGA送后續(xù)處理。系統(tǒng)設(shè)置三個(gè)信號(hào)采集和觀察點(diǎn)，第一個(gè)在DSP上，通過仿真器采集系統(tǒng)控制字以及產(chǎn)生的模目數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)和Matlab計(jì)算的數(shù)據(jù)做比較，看是否正確；第二個(gè)在FPGA上，通過Quartus自帶的SignalTap工具，觀察產(chǎn)生的模目信號(hào)波形，以及該信號(hào)經(jīng)脈壓后的波形，看波形是否為線性調(diào)頻信號(hào)，點(diǎn)數(shù)是否正確，脈壓能否出結(jié)果；第三個(gè)在DSP插件上，通過在DSP上采集脈壓后的信號(hào)，對(duì)同一距離單元做FFT，看結(jié)果是否在期望的距離單元及期望的頻道上。

下面給出其中一種模擬波束在各信號(hào)采集和觀察點(diǎn)的圖形：圖3為DSP計(jì)算的模目數(shù)據(jù)（實(shí)部），圖4為SignalTap采集的模目信號(hào)（I，Q雙通道），圖5為模目信號(hào)經(jīng)脈壓后的波形，圖6為對(duì)脈壓后同一距離單元信號(hào)做FFT。

圖3 DSP 計(jì)算的模目數(shù)據(jù)( 實(shí)部)

圖4 Sig nalTap 采集的模目信號(hào)( I, Q 雙通道)

圖5 模目信號(hào)經(jīng)脈壓后的波形

圖6 脈壓后同一距離單元信號(hào)做FFT

可見系統(tǒng)正確模擬了目標(biāo)回波，達(dá)到了預(yù)期效果。

系統(tǒng)在調(diào)試初始，由于產(chǎn)生多波束數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在一個(gè)FR時(shí)間內(nèi)DSP計(jì)算不過來，經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)算法沒優(yōu)化，原來的算法為：在每一個(gè)FR時(shí)間內(nèi)，先計(jì)算出，再查表得到，這樣每個(gè)波束都要計(jì)算，屬于重復(fù)計(jì)算，消耗了時(shí)間。對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的算法為：先將每個(gè)CPI的波形，即存于DSP內(nèi)存中，當(dāng)每個(gè)CPI脈沖到來時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)控制字中CPI代碼取出該CPI對(duì)應(yīng)的基本波形，然后乘以，這樣就可以降低運(yùn)算量，節(jié)省運(yùn)算時(shí)間；另外DSP的主頻不再采用默認(rèn)值（4倍頻），而是將其設(shè)置為10倍頻（DSP芯片為AD公司的ADSP-TS201），這樣由于主頻的提高，也加快了運(yùn)算速度，節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間。通過采取這兩條措施以后，DSP就能在一個(gè)FR時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生多波束信號(hào)，從而滿足實(shí)時(shí)性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種雷達(dá)模目信號(hào)產(chǎn)生方法，該方法能夠通過FPGA和DSP實(shí)時(shí)產(chǎn)生具有多普勒頻移的多波束雷達(dá)目標(biāo)回波，其意義在于可以為雷達(dá)信號(hào)處理分系統(tǒng)單獨(dú)調(diào)試提供數(shù)據(jù)來源，從而不必等待天線陣面的真實(shí)數(shù)據(jù)，這樣可以加快科研進(jìn)度，也方便整機(jī)聯(lián)試時(shí)查找問題。