基于FIFO的目標距離脈沖模擬電路

       雷達是無線電測向和測距，測距是其主要的功能之一，雷達是通過測試發(fā)射脈沖和目標回波之間的時間差來測量目標距離的[1]。雷達模擬器的主要功能是逼真地模擬雷達接收到的目標回波。根據(jù)雷達模擬器的輸出頻率可以將雷達模擬器分為射頻雷達模擬器、中頻雷達模擬器及視頻雷達模擬器。在雷達模擬器中，目標航路通常是由計算機實時計算產(chǎn)生的。如何將實時計算的目標距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬的目標回波是設(shè)計雷達模擬器需要解決的關(guān)鍵問題之一。對高重復頻率的雷達而言，由于存在距離模糊，雷達通常使用多個不同的重復頻率，這就要求回波模擬電路必須具備適應(yīng)不同重復頻率的功能，而且在雷達切換重復頻率的瞬間模擬電路必須能夠快速適應(yīng)。   

       我們在研制某種型號雷達模擬器的過程中遇到了以上問題，為此設(shè)計了基于FIFO的目標距離脈沖模擬電路，此模擬方案具有與雷達發(fā)射脈沖頻率無關(guān)、自動適應(yīng)雷達模擬發(fā)射脈沖頻率變化、適應(yīng)高重復頻率和易于使用EPLD實現(xiàn)等優(yōu)點。

2基于FIFO的脈沖模擬電路   

       圖1是雷達測距原理圖。雷達接收機通過測量發(fā)射脈沖和回波脈沖之間的時延來測量目標距離，一般用下式表示：   

（1）   

       式中，c為光速；T為發(fā)射脈沖重復頻率。雷達的最大單值測距范圍由其脈沖重復周期T決定。為保證單值測距，通常應(yīng)選取

（2）   

       式中，Rmax為雷達的最大作用距離。

圖1雷達測距原理

       有時雷達重復頻率的選擇不能滿足單值測距的要求，例如脈沖多普勒雷達或遠程雷達，這時目標回波對應(yīng)的距離R為（m為正整數(shù)）

（3）

       式中，τ1為測得的回波信號與發(fā)射脈沖間的時延。這時將產(chǎn)生測距模糊，如圖2所示，為了得到真實的距離R，必須判明式（2）中的模糊值m。

圖2雷達測距模糊（m=1）

        常用的距離解模糊方法有多重復頻率解模糊和舍脈沖解模糊等方法[1]，在此不再贅述。   

        對有距離模糊的雷達回波模擬器而言，必須準確地模擬每1個回波脈沖。如果使用記發(fā)射脈沖個數(shù)m、再模擬τ1的方法，必須準確知道雷達發(fā)射脈沖的周期T，否則會造成距離模擬誤差，而且此誤差隨目標距離的增大而增大。我們在開發(fā)某種雷達模擬器的過程中設(shè)計了一種新的模擬方法，能夠克服以上缺點。  

       由1個計數(shù)器、加法器、比較器、FIFO以及相應(yīng)的控制電路構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如下圖3所示。

圖3基于FIFO的目標距離脈沖模擬電路框圖

         其設(shè)計的基本思想是：將目標距離按時鐘頻率量化生成延時數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器2中，利用計數(shù)器產(chǎn)生1個循環(huán)的數(shù)值序列作為時間基準，雷達每發(fā)射1個脈沖的同時，鎖存器1凍結(jié)，加法器將兩個鎖存器的輸出相加，其結(jié)果表示目標回波應(yīng)該出現(xiàn)的時刻，在控制電路的控制下將加法器結(jié)果存入先進先出（FIFO）存儲器；FIFO的輸出為下1個回波脈沖出現(xiàn)的時刻，它和時間序列在比較器內(nèi)進行比較，如果兩者相等則說明當前時刻應(yīng)該輸出1個回波脈沖，同時此脈沖又驅(qū)動FIFO將下1個數(shù)據(jù)送到比較器，為下1個脈沖輸出作準備。在整個工作過程中只用到雷達的發(fā)射脈沖。   

       下面以1個具體例子說明其工作原理。   

        設(shè)時鐘頻率為20MHz（周期為50ns），計數(shù)器字長16位，易知計數(shù)器每隔216×50=3276800ns溢出1次，此時間對應(yīng)距離為491.52km,即此電路模擬的目標最遠為491.52km；假設(shè)目標處在100km外，因為時鐘周期為50ns，對應(yīng)的距離為7.5m，延時數(shù)據(jù)為100×103/7.5=13333；這個數(shù)據(jù)表明發(fā)射脈沖發(fā)出以后再過13333個時鐘周期回波應(yīng)該出現(xiàn)。假定第1個發(fā)射脈沖發(fā)射時計數(shù)器的計數(shù)值為10000，兩者相加得23333，此值送到FIFO后，出現(xiàn)在FIFO的輸出端，當計數(shù)器計到23333時，比較器輸出1個脈沖?？梢娬麄€電路的工作不需要知道雷達的重復周期。   

         當沒有距離模糊時，F(xiàn)IFO在邏輯上和1個16位鎖存器等價，即FIFO的使用深度總為1；當存在距離模糊時，第一個發(fā)射脈沖的回波還沒有出現(xiàn)時，第二個發(fā)射脈沖已經(jīng)發(fā)射，這樣第二個發(fā)射脈沖對應(yīng)的回波時間存儲在下1個FIFO單元中，當?shù)谝粋€回波產(chǎn)生后，在控制電路的作用下將FIFO中下1個位置的數(shù)據(jù)送到比較器，為第二個回波的產(chǎn)生作準備?？梢奆IFO的深度決定了最大的模糊值mMAX。   

        顯然計數(shù)器和加法器的溢出不會影響距離模擬的準確性，因為加法器的位數(shù)和計數(shù)器的位數(shù)是一樣的，只要目標距離不超過最大模擬距離，則模擬就是準確的。以上電路我們均已集成到EPLD中[2][3]（EPF10K10）FIFO使用兩片CY7C421[4]（512×9），經(jīng)過實際使用，效果良好。

3提高距離模擬精度的方法   

        因為EPLD及FIFO的速度有限，所以計數(shù)器時鐘不可能很高。我們在實驗中發(fā)現(xiàn)，當時鐘頻率接近器件的標稱值時，整個電路工作不穩(wěn)定，實際使用時一般只能作到30MHz左右。這樣，模擬目標的距離量化單位大概在5m以上。不適用于精度較高的雷達。   

        為此，可在以上電路的基礎(chǔ)上，再加一些修改，例如選用20MHz時鐘周期為50ns，距離精度為7.5m，如果按12.5ns量化即將距離量化單位改為12.5ns（1.87m）。將時延數(shù)據(jù)的高16位鎖存在鎖存器2中，則電路輸出量化單位仍為7.5m，根據(jù)低兩位數(shù)據(jù)，再對輸出的脈沖進行延時（以12.5ns為單位），就可以將量化精度提高4倍，簡單穩(wěn)定的方法是用EPLD中的門電路實現(xiàn)延時。

 4結(jié)束語   

        本文介紹的距離模擬電路是按照真實的目標測距過程設(shè)計的，其延時精度高，工作穩(wěn)定，對雷達的要求低（只需雷達提供發(fā)射脈沖）且不受雷達變重頻、扣脈沖的影響。經(jīng)過實際使用，效果良好。