LPI雷達(dá)多波形設(shè)計(jì)分析與實(shí)現(xiàn)

1 引言
    隨著雷達(dá)電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)生存能力面臨巨大挑戰(zhàn)，低截獲概率(Low Probability ofIntercept，簡(jiǎn)稱LPI)雷達(dá)技術(shù)隨之發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)LPI雷達(dá)在保證作用距離下降低峰值功率，采用大時(shí)寬、帶寬積信號(hào)。因此，選擇大時(shí)寬、帶寬信號(hào)是LPI雷達(dá)的研究重點(diǎn)。常規(guī)的脈壓信號(hào)即線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)的參數(shù)相對(duì)固定，容易被識(shí)別，而相位編碼信號(hào)采用在子碼內(nèi)調(diào)頻，對(duì)實(shí)現(xiàn)硬件的要求較高。為此，提出了采用非線性調(diào)頻(Non-linear Frequency modulation，簡(jiǎn)稱NLFM)和多種調(diào)制波交替工作方式，從而降低了截獲的可能性，提高了雷達(dá)的生存能力。此外，還提出了一種可行的基于DDS技術(shù)解決非線性調(diào)頻信號(hào)的方案。

2 基本原理
2．1 tan調(diào)制信號(hào)
    以tan調(diào)制信號(hào)(圖1)為例，說明一般NLFM信號(hào)的篩選過程。由于tan函數(shù)在接近π／2時(shí)信號(hào)上升較快，為了降低非線性信號(hào)的多普勒頻移敏感度，定義調(diào)頻函數(shù)為：

   
    選擇在線性度較好的(一π／4，π/4)區(qū)間內(nèi)作調(diào)頻。為了處理簡(jiǎn)便，設(shè)中頻f0=0，則信號(hào)的復(fù)數(shù)形式為：

   
式中：τ為時(shí)寬，τ=0～20μs；B為帶寬，B=5 MHz，采樣頻率fs=2B。

    對(duì)匹配濾波器采用hamming窗進(jìn)行時(shí)域加權(quán)。圖2給出tan調(diào)制信號(hào)在0．001B．0．0lB多普勒頻移下的脈壓結(jié)果。

    由圖1可見，tan調(diào)制采用線性度較好的區(qū)間，脈壓結(jié)果與線性調(diào)頻非常接近，這樣可大大降低多普勒敏感度。雖然，在非常大的頻移下，略微增大tan調(diào)制主瓣的寬度，但因tan調(diào)制有較高的主旁瓣比，極易于處理。讓該信號(hào)分時(shí)結(jié)合多脈沖，多波形的雷達(dá)信號(hào)，這樣有助于提高雷達(dá)的反截獲和防干擾能力，其性能仿真基本滿足雷達(dá)日常工作的需求。
2．2 DDS原理
    直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，簡(jiǎn)稱DDS)是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的頻率合成技術(shù)。它由相位累加器、加法器、波形存儲(chǔ)ROM、D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器(LPF)構(gòu)成。圖3給出DDS的原理框圖。

    圖中：K為頻率控制字；P為相位控制字；fc為參考時(shí)鐘頻率；N為相位累加器的字長(zhǎng)：D為ROM數(shù)據(jù)位及D／A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。相位累加器在fc的控制下以步長(zhǎng)K作累加，輸出的N位二進(jìn)制碼在相位控制字P、波形控制字W相加后作為波形ROM的地址，對(duì)波形ROM尋址，波形ROM輸出D位的幅度碼S(n)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器變成階梯波S(t)，再經(jīng)低通濾波器濾波即可得到合成的信號(hào)波形。該合成信號(hào)波形取決于波形ROM中存儲(chǔ)的幅值碼，因此采用DDS能夠產(chǎn)生任意波形。

3 硬件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)正是基于DDS原理設(shè)計(jì)的，其主控制器采用ADI公司的高性能DSP處理器AD-SP-BF531。該器件具有以下特點(diǎn)：較高的工作速度，可提高波形轉(zhuǎn)換速度，縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間；最高時(shí)鐘頻率為400 MHz；采用雙處理單元結(jié)構(gòu)，32位定點(diǎn)處理器；內(nèi)部集成84 K字節(jié)SRAM存儲(chǔ)器；具有PPI／GPIO、UART并行接口和SPI接口。該器件的工作原理是：接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的雷達(dá)信號(hào)參數(shù)，經(jīng)計(jì)算處理后產(chǎn)生DDS的控制參數(shù)和時(shí)序參數(shù)?？刂茀?shù)CSR，CFR，CTWO，LSR，RDW等通過DSP的SPI接口發(fā)送至DDS；時(shí)序控制參數(shù)(脈沖重復(fù)周期和脈沖寬度)通過DSP的并行總線發(fā)送至系統(tǒng)分時(shí)序控制器EP2C20型FPGA。FPGA產(chǎn)生DDS的UPDATE信號(hào)和線性調(diào)頻方向控制信號(hào)PSI和PS2。DDS的參考時(shí)鐘設(shè)置為單端輸入(20 MHz)，其內(nèi)部通過FRl寄存器倍頻至400 MHz，作為DDS的系統(tǒng)時(shí)鐘。DDS的AVDD引腳接1．8 V模擬電壓，DVDD引腳接1．8 V數(shù)字電壓，DVDD—I／O引腳接3．3 V數(shù)字電壓，其參考時(shí)鐘置為單端輸入，一端接20 MHz時(shí)鐘，另一端接地。圖4給出該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。

    由于DDS是波形產(chǎn)生器的核心，其工作模式靈活，控制方式復(fù)雜，在權(quán)衡波形產(chǎn)生器的要求后，選用ADI公司的高性能AD9958型DDS，其特性：最高工作時(shí)鐘頻率為500 MHz；雙通道DDS；內(nèi)置10位、速率高達(dá)500MS／s的D／A轉(zhuǎn)換器；當(dāng)輸出頻率為40 MHz時(shí)，相位噪聲小于142 dB@l kHz；32位可編程頻率寄存器；14位相位偏移分辨率；10位輸出幅值控制分辨率；SPI控制接口。AD9958采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，結(jié)合高速、高性能D／A轉(zhuǎn)換器可構(gòu)成數(shù)字編程的高頻合成器，產(chǎn)生200MHz頻率的模擬輸出正弦波。頻率調(diào)制和控制字可通過串行控制端口加載到AD9958。圖5給出DDS的連接電路圖。[!--empirenews.page--]

4 軟件設(shè)計(jì)
    實(shí)現(xiàn)非線性調(diào)頻信號(hào)的方法有階梯形逼近和線性逼近兩種。在同樣的采樣周期下，若用曲線的多項(xiàng)式展開擬合理論分析，則線性逼近的誤差為二次項(xiàng)以上的成分，而階梯形逼近的誤差為一次項(xiàng)以上的成分。因此，線性逼近的誤差要比階梯形逼近少得多。這里采用線性逼近的方法。
4．1 階梯形逼近
    利用AD9958的基本頻率控制字控制寄存器CTW。及15個(gè)通道控制字寄存器CTW1～CTW15，最多可存儲(chǔ)16個(gè)頻率控制字。該頻率控制字(FTW)與實(shí)際DDS輸出頻率(fo)之間的關(guān)系為：

   
    該DDS將一個(gè)非線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行最大16的分段擬合處理，在每段內(nèi)作單頻率波(single—tone)，并根據(jù)需要通過SPI接口傳遞各寄存器的配置。具體設(shè)置可參考AD9958數(shù)據(jù)手冊(cè)中的調(diào)制模式(modulation mode)。
4．2 線性逼近法
    線性逼近法同樣是將脈沖寬度分段，在每段內(nèi)作線性調(diào)頻。利用段與段的不同線性調(diào)頻斜率，實(shí)現(xiàn)非線性擬合。
    該方法實(shí)現(xiàn)流程：AD9958復(fù)位初始化；DSP通過SPI接口配置DDS寄存器；采用Matlab產(chǎn)生滿足變化的f(t)特性；將脈寬T分成N段，每段時(shí)間為tcw，T=tcwxN，并在每時(shí)間段內(nèi)線性調(diào)頻步進(jìn)時(shí)間deltat，其步進(jìn)量為deltafn。圖6給出FPGA時(shí)序控制圖。其中，數(shù)據(jù)更新用于DSP中斷響應(yīng)；設(shè)置新的步進(jìn)量；IO_UPDATA用于更新寄存器。

    每時(shí)間段的線性調(diào)頻用profile2~profile3引腳控制。其中profile2控制通道1，profile3控制通道2。AD9958線性調(diào)頻的操作方法：在線性掃頻模式下，頻率累加器可使輸出頻率編程從低頻轉(zhuǎn)換為高頻，或者從高頻轉(zhuǎn)換為低頻。低頻存儲(chǔ)在profile0；高頻存儲(chǔ)在profilel。頻率累加器的內(nèi)部組合邏輯要求FTWO的值必須總小于FTWl的值。PSO引腳控制掃頻方向。當(dāng)PSO引腳由低跳變至高時(shí)，頻率由低頻掃頻至高頻；或當(dāng)PSO由高跳變至低時(shí)，頻率從高頻掃頻至低頻，頻率累加器需要共4個(gè)控制字，即上升掃頻步進(jìn)控制字(RDFTW)、上升掃頻駐留時(shí)間控制字(RSRR)、下降掃頻步進(jìn)控制字(FDFTW)和下降掃頻駐留時(shí)間控制字(FSRR)。其中，RDFTW表示當(dāng)頻率從低頻掃頻至高頻時(shí)，頻率每上升一步，頻率累加器需要增加的頻率數(shù)，即上升步進(jìn)；RSRR表示當(dāng)頻率從低頻掃頻至高頻時(shí)，頻率累加器頻率增加的速度，即累加器增加一個(gè)步進(jìn)需要多長(zhǎng)時(shí)間。RSRR說明了在兩個(gè)步進(jìn)間，頻率累加器需要累計(jì)的SYNC_CLK周期數(shù)。在線性掃頻模式下，組合邏輯可確保器件輸出頻率不超過FTW1，即使下一個(gè)RDFTW的增加會(huì)使頻率超過FTWl。一旦頻率達(dá)到FTW1，只要PSO引腳為高電平，頻率輸出始終為FTWl。同樣，內(nèi)部邏輯可確保下降掃頻時(shí)頻率不低于FTWO，即使下一個(gè)FDFTW的增加使頻率超過FTWO。如果在掃頻期間PSO引腳狀態(tài)改變，則DDS器件將按照新的步進(jìn)頻率控制字和掃頻速度字來執(zhí)行新的掃頻方向。圖7給出其控制流程圖。

5 結(jié)語(yǔ)
    提出基于AD9958實(shí)現(xiàn)非線性調(diào)制(NLFM)信號(hào)的方法。經(jīng)與其他信號(hào)比較，該信號(hào)能夠在線性度好的區(qū)間內(nèi)取得較好的脈壓性能。采用該NLFM信號(hào)的發(fā)生器具有硬件資源少，控制電路簡(jiǎn)單，不受速度限制等特點(diǎn)。基于LPI的雷達(dá)改造技術(shù)已廣泛用于586雷達(dá)，并取得很好的實(shí)效。