雷達目標回波數(shù)字模擬的TMS320C6201實現(xiàn)
隨著科技的發(fā)展和需求的不斷提高，雷達系統(tǒng)變得越來越復雜，種類越來越多，對于復雜系統(tǒng)的設計、監(jiān)測和維護變得越來越困難。正是在這樣的情形下，使雷達模擬成為解決這一系列問題的有效手段，雷達系統(tǒng)模擬是數(shù)字技術和雷達技術相結合的產(chǎn)物，具有靈活性和經(jīng)濟性的優(yōu)點。用軟件建立符合用戶需求的模型，區(qū)別于實物模型易受環(huán)境、物質、技術等條件的約束，具有良好的可控性。
雷達目標模擬是雷達系統(tǒng)模擬的重要組成部分。雷達目標信號可以視為發(fā)射波形經(jīng)過延遲和多普勒頻移后的復現(xiàn)波形，而且波形振幅受到天線方向圖的雙程波瓣調制，利用DSP的高速計算性能，可以實現(xiàn)目標回波信號的實時計算輸出。
2 雷達目標回波的模擬
2.1 點目標回波信號
由于本文要模擬的雷達目標尺寸小于雷達分辨單元，因此將此目標視為點目標。設雷達發(fā)射信號表示為：
其中u（t）是復調制函數(shù)，f0是載頻。
則目標回波的視頻信號經(jīng)過恒定多普勒理論簡化后可表示為：
其中τ為回波信號的雙程時延，fd為目標回波的多普勒頻移，
。
上式適用于v＜＜c，BT＜＜c/2v的點目標情況。
2.2 點目標回波的相干視頻模擬
目標回波的相干視頻信號是指目標回波信號經(jīng)過雷達接收機的相干解調后輸出的信號,可表示為：
上式?jīng)]有考慮復反射系數(shù)γ引起的附加相移，在不考慮τ及由τ引起的附加固定相位項exp（－j2πfoτ），則上式可簡化為：
設相干脈沖雷達脈沖重復間隔為T，復調函數(shù)u(t)＝a（t）exp[jθ(t)]，則點目標回波的相干視頻信號采樣可用其正交分量表示為：
其中k表示采樣號，θ(kT)為目標回波的初始相位，計算時可取為0，雷達點目標回波的全部信息都包含在這兩個正交分量中。fd是該點目標的多普勒頻移；a（kT）為雷達發(fā)射信號復調制函數(shù)的包羅函數(shù)，A（kT）＝ ，γ為復反射系數(shù)，他與雷達截面積σ的關系為 ，式中φ表示反射信號附加的相移。雷達截面積不僅與目標的大小、反射特性等特點有關，還受目標起伏特性的影響，此處雷達截面積采用swelling模型。λ為雷達波長，R為目標與雷達間的距離，G為受天線方向圖影響的雷達單邊功率增益，L為系統(tǒng)損耗因子。
因此，雷達回波的數(shù)字模擬主要是模擬目標的振幅A（kT）和多普勒頻移fd。
2.3 天線的調制
單脈沖跟蹤雷達采用和差波束來對目標進行跟蹤，這種雷達系統(tǒng)的天線在一個角平面內有4個部分重疊的子波束，如圖1所示。
4個子波束分別對接收到的目標回波進行幅度調制，可以得到4路信號，雷達將這4路信號進行和差處理，由差信號的大小可以得到目標位置（方位角、俯仰角）與天線中心指向的偏離誤差，所以可以調整天線指向，實現(xiàn)對目標的跟蹤。從波束截面圖方向看，4個波束的中心位置如圖1所示，其中原點為天線軸向，α軸為方向角方向，β軸為俯仰角方向，設由4個波束接收到的目標信號為A1，A2，A3，A4，那么和信號Σ，方位差信號Δα、俯仰差信號Δβ可以分別表示為：
Σ＝A1＋A2＋A3＋A4
Δα＝A2＋A4－A1－A3
Δβ＝A1＋A2－A3－A4
雷達按照上式對回波信號進行處理，也可以看作是和差方向圖調制的結果。以兩個波束為例，將兩個子波束、和波束、差波束的方向圖表示如圖2所示。
要模擬點目標Σ，Δα，Δβ信號，最直接的辦法是產(chǎn)生一路Σ信號，然后分別用圖2所示的和、差波束方向圖對數(shù)據(jù)進行調制，從而得到Σ，Δα，Δβ信號，但是必須采用多通道結構。如果換一個角度考慮，采用4個精密衰減器來模擬4個子波束的調制，得到4路信號后，再使用上式求出Σ，Δα，Δβ信號就可以只用一個目標信號通道，在數(shù)據(jù)輸出時再使用衰減器來產(chǎn)生Σ，Δα，Δβ信號，目標的航跡在模擬器中可按主機傳送的參數(shù)，由DSP實時計算得出。
3 目標軌跡的模擬
由于雷達獲得的是離散的目標信號，即以一定時間間隔T獲得的目標信息。當這個時間間隔足夠小時，可以用直接段（或旋）去逼近目標的飛行軌跡，同時可以認為在這樣一個微小的時間間隔內目標是勻加速運動的。因此任意飛行軌跡可視為直線運動和勻速空間圓周運動的組合。
根據(jù)以上兩種基本運動軌跡，可以組合出很多種復雜的運動軌跡，圖3為用TMS320C6201實現(xiàn)的，基于直線和圓周運動進行組合而產(chǎn)生的一個復合軌跡。
4 基于TMS320C6201的實現(xiàn)
4.1 TMS320C6201簡介
TMS320C6201是TI公司推出的一款定點數(shù)字信號處理器，CPU內含有8個并行處理的運算單元，指令長達256b，采用改進的哈佛結構，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開設置，程序存儲器為512kb，或作為外部存儲器的Cache。數(shù)據(jù)存儲器為512kb，指令周期為5ns，時鐘為200MHz。理想情況下，每次執(zhí)行8條指令，故可以達到1600MIPS，芯片內集成外設包括：外存儲器接口EMIF，主機口HPI，擴展總線XB，自舉控制邏輯、多通道緩沖串口、定時、中斷選擇子、Power－down邏輯。軟件設計可采用C語言，匯編語言和線性匯編語言等。
4.2 基于TMS320C6201的實現(xiàn)
由于模擬雷達回波信號有實時性的要求，因此在實現(xiàn)過程中，采用了C語言與匯編語言混合編程的方法，框架程序使用C語言編寫，對運行速度要求高的子程序采用匯編語言編寫，因此這就涉及到C語言與匯編語言混合編程的接口約定，現(xiàn)將部分接口約定總結如下：
?。?）C函數(shù)調用匯編程序時，主調C程序會自動保存A0－A9，B0－B9寄存器的值，其余寄存器的值如有必要需人工保存，返回時A0－A9，B0－B9寄存器的值會自動恢復，其余則需人工恢復；
（2）主調C程序進行匯編函數(shù)調用時，函數(shù)的參數(shù)傳遞遵循以下規(guī)則：8/16b參數(shù)依次存入A4，B4、A6、B6、A8、B8、A10、B10、A12、B12；如果傳遞的是長型，雙精度等32/64b參數(shù)，則將參數(shù)存入一對奇偶寄存器對中，如A5：A4，B5：B4，A8：A7等。當需要傳遞的參數(shù)個數(shù)多于10個時，則多出的參數(shù)置于stack中。
?。?）如果C調用函數(shù)中做了正確的函數(shù)返回聲明，則被調用的匯編函數(shù)可以返回有效值。如果返回值是整型或32位的浮點型，則放在寄存器A4中返回，如果返回值是雙精度或是長雙精度型，則放在A5：A4中返回，如果返回值是一個結構類型，則將結構地址放在A3中返回。
?。?）任何一個在匯編語言中聲明的對象都要使其在C中是可訪問的，那么在匯編語言中必須用.def或.global進其聲明為外部變量。同樣在匯編語言中要引用C函數(shù)或對象時，必須用.ref或.global將C對象聲明，將這產(chǎn)生一個在匯編語言函數(shù)中沒有定義的由鏈接器辨識的外部引用。
圖3即為用TMS320C6201實現(xiàn)的目標軌跡之一，將整個系統(tǒng)放在硬件平臺上進行調試，可以得到與其要求的目標軌、目標的多普勒頻移和天線調制后的目標回波信號振幅。
5 目標通道實現(xiàn)
計算機通過PCI接口卡和模擬器實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口。目標數(shù)據(jù)存儲器采用了高速大容量同步動態(tài)存儲器（SDRAM），SDRAM映射在TMS320C6201的外部存儲器的空間的CE2和CE3空間，EPROM映射在CE1空間，而輸入輸出雙口RAM都映射在CE0空間。
整個工作流程如下：
（1）在主機中根據(jù)雷達調試要求設置載機高度、載機速度、雷達載頻以及目標的各項參量，預先計算目標數(shù)據(jù)。
（2）主機通過PCI接口把事先計算好的目標數(shù)據(jù)送往輸入雙口RAM，再通過TMS320C6201把輸入雙口RAM中的數(shù)據(jù)存入目標SDRAM中。
?。?）在主機和TMS320C6201將目標數(shù)據(jù)送入存儲器后，TMS320C6201根據(jù)下一幀的PRF值，計算目標數(shù)據(jù)的存放地址，從該地址取出一幀目標數(shù)據(jù)送往目標幅度輸出雙口存儲器，再由輸出雙口存儲器輸出到后級電路，TMS320C6201還要根據(jù)當前的波束指向輸出衰減器控制數(shù)據(jù)，對目標信號進行天線方向圖調制，形成目標和差信號。
（4）數(shù)字、視頻輸出
信號合成與輸出電路將目標、雜波、噪聲數(shù)據(jù)合成得到數(shù)字雷達回波信號后直接輸出Σ，Δα，Δβ數(shù)字信號，視頻輸出由Σ，Δα，Δβ數(shù)字信號經(jīng)過D/A變換后得到。
6 結語
本文簡要介紹了雷達視頻模擬的理論，并介紹了C語言和匯編程序混合編程的一些約定，對目標軌跡的模擬進行了分析，基于簡單的基本軌跡實現(xiàn)各種復合軌跡，較逼真地復現(xiàn)實際環(huán)境中目標的運動。
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