基于FPGA+DSP的雷達回波發(fā)生器設(shè)計

在研制各種實用雷達的過程中，需要通過多次實驗來檢驗雷達對目標回波信號的分析處理能力。由于開發(fā)環(huán)境和實驗條件的限制,雷達系統(tǒng)中各部件及整個系統(tǒng)的測試非常困難,受天氣狀況等因素的影響,其性能及指標測試難以在完全真實的環(huán)境中進行。因此，通過數(shù)字模擬的方法真實地模擬雷達回波信號很有意義。雷達回波發(fā)生器是數(shù)字仿真技術(shù)和雷達技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它通過仿真模擬的方法產(chǎn)生目標和環(huán)境信息的回波信號。利用這種回波信號對雷達信號處理機進行調(diào)試、分析和評估，已成為現(xiàn)代雷達信號處理機研制和生產(chǎn)的重要手段。
    采用DSP和FPGA/CPLD相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合了兩者在系統(tǒng)控制和實時數(shù)字信號處理方面的優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)靈活、實現(xiàn)性強[1]。本文提出了一種以FPGA為核心，DSP實時控制，外加PROM、Flash、CPLD以及D/A等外圍電路構(gòu)成的雷達中頻回波信號發(fā)生器的設(shè)計方法，可以通過在線編程在相同的硬件平臺上實現(xiàn)不同體制、多目標的雷達回波。
1 雷達回波發(fā)生器方案設(shè)計
1.1 系統(tǒng)性能要求
    本雷達回波發(fā)生器是為了對雷達信號處理機進行測試、評估以及新的信號處理算法而開發(fā)研制的，因而在設(shè)計上要滿足通用性要求，能模擬產(chǎn)生不同體制雷達的回波信號[2]。通用性設(shè)計要求硬件外圍接口電路盡可能簡單，對各種電平規(guī)范具有兼容性；所選器件適應(yīng)性強，通過重配置可編程邏輯電路即可產(chǎn)生不同帶寬、不同時寬的雷達信號而不用修改硬件設(shè)計[3-4]。同時，為了真實地反映雷達目標的復(fù)雜環(huán)境，要求雷達回波發(fā)生器能加入噪聲和干擾，從而能夠?qū)π盘柼幚頇C進行全面的評估和檢測。
    本雷達回波發(fā)生器要求能選擇產(chǎn)生單脈沖跟蹤、DBF、SAR 3種體制雷達的最多3個目標的回波信號，雷達波形為簡單脈沖、線性調(diào)頻信號、相位編碼信號可選。主要技術(shù)指標如下：
    (1)中頻載頻頻率：30 MHz；
    (2)系統(tǒng)基準時鐘：10 MHz；
    (3)波形存儲深度為10 K，信號采樣率100 MHz；
    (4)幅度分辨率為12 bit；
    (5)頻率范圍為0.37 Hz～25 MHz，頻率分辨率為0.37 Hz；
    (6)輸出模擬信號幅度范圍為±2.5 V；
    (7)DBF體制時天線陣元數(shù)為16個。
1.2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案
    雷達回波發(fā)生器的實現(xiàn)有以下3種方法：全硬件實現(xiàn)、微機+D/A插卡實現(xiàn)以及微機+模擬器DSP組合實現(xiàn)。由于全硬件實現(xiàn)時硬件設(shè)計過于復(fù)雜、靈活性差、微機+D/A插卡方法受D/A數(shù)據(jù)傳輸率的限制，所以目前雷達回波發(fā)生器的設(shè)計中，多采用微機+模擬器DSP組合方法。該方法靈活性好、數(shù)據(jù)量適中、易擴充、滿足通用性要求[5]。
    通過對幾種回波發(fā)生器實現(xiàn)方法的比較，結(jié)合本雷達回波發(fā)生器要實現(xiàn)的功能以及靈活性、通用性的設(shè)計思想，本文提出了一種新的雷達中頻回波發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)方法。該方法嚴格說仍屬于微機+模擬器DSP組合方法，但采用了微機+FPGA+DSP+D/A的組合，如圖1所示。

    與傳統(tǒng)的雷達回波發(fā)生器實現(xiàn)方法相比，采用該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：
    (1)PC機不必實時為回波發(fā)生器提供數(shù)據(jù)，只是在雷達參數(shù)改變時，PC機才給存儲器輸入新的波形和參數(shù)數(shù)據(jù)。這樣便能采用更為逼真的雷達回波數(shù)學模型，并能對這些模型完成更為復(fù)雜和精確的處理工作，提高模擬信號環(huán)境的逼真性；
    (2)硬件實現(xiàn)簡單，只要改變底層軟件而不用更改硬件電路就可以適應(yīng)不同體制的雷達，因而這種方法具有較好的靈活性和通用性；
    (3)對外具有豐富的接口，既可以當作一塊獨立的板卡使用，也可以在CPCI機箱上作為標準板卡使用；
    (4)利用其豐富的底層軟件庫，可以提供良好的二次開發(fā)空間。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    雷達回波發(fā)生器在硬件實現(xiàn)時，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司Virtex-4系列的XC4VSX55芯片， DSP選用TI公司的TMS320C6416芯片，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和放大器分別選用ADI公司的AD9765和AD8044，時鐘選用ADI公司的超低抖動時鐘ICAD9510，時鐘配置電路選用Altera公司MAX7000S/AE系列的EPM7128S。SX55是Xilinx公司的一款高性能數(shù)字信號處理FPGA，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。主要硬件資源為49 152個SLICE(含一個觸發(fā)器及一個四輸入查找表)，320個BLOCK RAM(每塊18 KB)，512個18×18 bit乘法器，8個DCM，32條全局時鐘連線，640個可用I/O。TMS320C6416是TI公司的一款高性能定點數(shù)字信號處理器，最高工作時鐘600 MHz，可達4 800 MIPS。主要硬件資源有128 KB L1P cache，128 KB L1D cache，8 MB L2 cache。兩個外部存儲器接口（EMIF），EMIFA為64 bit，EMIFB為16 bit，共1 280 MB外部地址。64個EDMA，32 bit或16 bit HPI接口，PIC接口。雷達回波發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    系統(tǒng)的工作流程是：
    (1)雷達波形數(shù)據(jù)的計算產(chǎn)生。通用計算機根據(jù)輸入的雷達參數(shù)計算得到雷達基帶信號波形數(shù)據(jù)，以備通過RS-232串行接口傳輸給大容量波形存儲器存儲。
    (2)數(shù)據(jù)傳輸。FPGA通過電平轉(zhuǎn)換芯片與串口相連，將經(jīng)RS-232串行接口送來的通用計算機產(chǎn)生的雷達基帶信號數(shù)據(jù)以及雷達目標、噪聲有關(guān)參數(shù)接收并存儲在其內(nèi)部設(shè)計的存儲器中。
    (3)實時信號處理。FPGA對存儲數(shù)據(jù)進行延時、多普勒調(diào)制、幅度控制、中頻調(diào)制以及噪聲加載等信號處理，得到雷達回波的數(shù)字信號。當雷達參數(shù)或目標屬性、噪聲參數(shù)改變時，DSP更新存儲器中存儲的數(shù)據(jù)。
    (4)數(shù)模轉(zhuǎn)換放大輸出。將處理得到的回波數(shù)字信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大后得到雷達回波的模擬信號輸出。
    DSP以其豐富的I/O資源實現(xiàn)系統(tǒng)的通信、控制、地址產(chǎn)生功能。FPGA與DSP通過EMIF連接實現(xiàn)FPGA與DSP之間數(shù)據(jù)交換；FPGA產(chǎn)生的數(shù)據(jù)送給DA芯片轉(zhuǎn)換成模擬信號后，經(jīng)放大器進行兩級放大輸出。外部時鐘和板載晶振時鐘經(jīng)跳線選擇后送給時鐘管理芯片，再送給FPGA。外觸發(fā)經(jīng)CPLD與FPGA相連。CPLD與時鐘管理芯片相連，可通過編程CPLD配置時鐘管理芯片。
3 FPGA內(nèi)部邏輯電路設(shè)計
    FPGA是系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)信號的延時、多普勒調(diào)制、中頻調(diào)制以及噪聲加載等運算任務(wù)。主要功能如下：
    (1)數(shù)據(jù)接收存儲管理。FPGA接收從通用計算機經(jīng)RS-232串行接口送來的波形數(shù)據(jù)，分別存儲在其內(nèi)部的3個雙口RAM中。該RAM的容量為10 240×32 bit，受DSP和FPGA內(nèi)部邏輯控制，系統(tǒng)時鐘工作10 MHz時可存儲最大102.4 μs 16 bit正交基帶信號。雙口RAM是利用FPGA的內(nèi)嵌塊存儲器配置的。內(nèi)嵌塊存儲器是硬件存儲器，不占有任何邏輯資源，利用這些資源可以生成深度、位寬可配置的存儲邏輯[6]。
    (2)延時計算。3個雙口RAM中的數(shù)據(jù)在延遲單元的控制下，在不同的延遲時刻輸出。具體的延遲時鐘周期由設(shè)定的目標距離確定，相互關(guān)系為延時τ=2H/c，H為目標距離，c為光速。
    (3)多普勒調(diào)制以及中頻調(diào)制。目標速度信息在硬件實現(xiàn)時，由DDS[7]產(chǎn)生頻率為fd的連續(xù)正弦和余弦信號作為復(fù)信號與復(fù)基帶信號相乘，f_d=2ν/λ，ν為目標與雷達相對速度，λ為雷達波長。DDS模塊相位增量28 bit，頻率分辨率為f_clk/2²⁸，幅度量化16 bit。調(diào)制中頻載波輸出時，由DDS產(chǎn)生中頻fc的連續(xù)正弦和余弦信號作為復(fù)信號與復(fù)基帶信號相乘。
    (4)噪聲產(chǎn)生及加載。噪聲的產(chǎn)生應(yīng)用概率論知識，大量獨立同分布隨機變量之和近似服從高斯分布[8]。這里用30個均勻分布隨機序列相加來產(chǎn)生高斯分布隨機序列。均勻分布隨機序列采用反饋移位寄存器結(jié)構(gòu)，移位寄存器寬度19 bit，隨機序列循環(huán)周期2¹⁹-1。
    針對以上功能，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯設(shè)計主要包括基帶信號產(chǎn)生、載波調(diào)制、噪聲產(chǎn)生及加載、串口通信及參數(shù)設(shè)置4個頂層模塊，如圖3所示?；鶐盘柈a(chǎn)生模塊主要完成對存儲基帶信號的延遲，頻率調(diào)制，幅度控制及信號合成功能。載波調(diào)制模塊對同一基帶信號采用相同載波和16路不同的相位進行上變頻。噪聲產(chǎn)生及加載模塊產(chǎn)生高斯分布隨機噪聲，并與目標中頻信號相加送給DA輸出。串口通信及參數(shù)設(shè)置模塊完成DA板與控制界面通信并控制信號源運行參數(shù)。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果
    利用示波器、頻譜儀等可以對信號發(fā)生器產(chǎn)生的各種體制雷達的典型信號進行測試實驗。雷達各個參數(shù)以及目標屬性設(shè)定如下：雷達體制為單脈沖跟蹤，雷達工作頻率10 GHz，信號形式為線性調(diào)頻，時寬10 μs，帶寬10 MHz，脈沖重復(fù)頻率2 kHz；目標1屬性：距離23 km，速度80 m/s，幅度20 dbmw；目標2屬性：距離20 km，速度50 m/s，幅度18 dbmw；目標3屬性：距離15 km，速度30 m/s，幅度16 dbmw。用示波器對信號發(fā)生器輸出的基帶信號進行測試，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以明顯看出，信號的重復(fù)間隔時間為500 μs，與設(shè)定的脈沖重復(fù)頻率一致，且目標間的距離以及幅度也與設(shè)定值一致。圖5為圖4的時域局部展開圖。

    將雷達信號形式改為13位巴克碼相位編碼信號，其他參數(shù)不變，測試的結(jié)果如圖6所示。

    本文提出的雷達回波發(fā)生器可以根據(jù)給定的雷達參數(shù)和目標屬性，實時產(chǎn)生DBF、SAR和單脈沖跟蹤3種雷達體制的多種雷達信號的回波，還可以加入高斯噪聲，對雷達目標環(huán)境的模擬具有一定的真實性。其采用DSP+FPGA+D/A的結(jié)構(gòu)，對外具有豐富的接口，既可以當作一塊獨立的板卡使用，也可以在CPCI機箱上作為標準板卡使用，滿足了通用性和靈活性的要求。由于使用了DSP和FPGA，加上豐富的底層軟件庫，可以提供良好的二次開發(fā)空間。