基于FPGA+DSP的雷達(dá)回波發(fā)生器設(shè)計(jì)

在研制各種實(shí)用雷達(dá)的過程中，需要通過多次實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的分析處理能力。由于開發(fā)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件的限制,雷達(dá)系統(tǒng)中各部件及整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試非常困難,受天氣狀況等因素的影響,其性能及指標(biāo)測(cè)試難以在完全真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行。因此，通過數(shù)字模擬的方法真實(shí)地模擬雷達(dá)回波信號(hào)很有意義。雷達(dá)回波發(fā)生器是數(shù)字仿真技術(shù)和雷達(dá)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(biāo)和環(huán)境信息的回波信號(hào)。利用這種回波信號(hào)對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行調(diào)試、分析和評(píng)估，已成為現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)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(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)靈活、實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)[1]。本文提出了一種以FPGA為核心，DSP實(shí)時(shí)控制，外加PROM、Flash、CPLD以及D/A等外圍電路構(gòu)成的雷達(dá)中頻回波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，可以通過在線編程在相同的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同體制、多目標(biāo)的雷達(dá)回波。
1 雷達(dá)回波發(fā)生器方案設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)性能要求
    本雷達(dá)回波發(fā)生器是為了對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估以及新的信號(hào)處理算法而開發(fā)研制的，因而在設(shè)計(jì)上要滿足通用性要求，能模擬產(chǎn)生不同體制雷達(dá)的回波信號(hào)[2]。通用性設(shè)計(jì)要求硬件外圍接口電路盡可能簡單，對(duì)各種電平規(guī)范具有兼容性；所選器件適應(yīng)性強(qiáng)，通過重配置可編程邏輯電路即可產(chǎn)生不同帶寬、不同時(shí)寬的雷達(dá)信號(hào)而不用修改硬件設(shè)計(jì)[3-4]。同時(shí)，為了真實(shí)地反映雷達(dá)目標(biāo)的復(fù)雜環(huán)境，要求雷達(dá)回波發(fā)生器能加入噪聲和干擾，從而能夠?qū)π盘?hào)處理機(jī)進(jìn)行全面的評(píng)估和檢測(cè)。
    本雷達(dá)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(dá)的最多3個(gè)目標(biāo)的回波信號(hào)，雷達(dá)波形為簡單脈沖、線性調(diào)頻信號(hào)、相位編碼信號(hào)可選。主要技術(shù)指標(biāo)如下：
    (1)中頻載頻頻率：30 MHz；
    (2)系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘：10 MHz；
    (3)波形存儲(chǔ)深度為10 K，信號(hào)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(hào)幅度范圍為±2.5 V；
    (7)DBF體制時(shí)天線陣元數(shù)為16個(gè)。
1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
    雷達(dá)回波發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)有以下3種方法：全硬件實(shí)現(xiàn)、微機(jī)+D/A插卡實(shí)現(xiàn)以及微機(jī)+模擬器DSP組合實(shí)現(xiàn)。由于全硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)硬件設(shè)計(jì)過于復(fù)雜、靈活性差、微機(jī)+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(dá)回波發(fā)生器的設(shè)計(jì)中，多采用微機(jī)+模擬器DSP組合方法。該方法靈活性好、數(shù)據(jù)量適中、易擴(kuò)充、滿足通用性要求[5]。
    通過對(duì)幾種回波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方法的比較，結(jié)合本雷達(dá)回波發(fā)生器要實(shí)現(xiàn)的功能以及靈活性、通用性的設(shè)計(jì)思想，本文提出了一種新的雷達(dá)中頻回波發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該方法嚴(yán)格說仍屬于微機(jī)+模擬器DSP組合方法，但采用了微機(jī)+FPGA+DSP+D/A的組合，如圖1所示。

    與傳統(tǒng)的雷達(dá)回波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方法相比，采用該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    (1)PC機(jī)不必實(shí)時(shí)為回波發(fā)生器提供數(shù)據(jù)，只是在雷達(dá)參數(shù)改變時(shí)，PC機(jī)才給存儲(chǔ)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(dá)回波數(shù)學(xué)模型，并能對(duì)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(hào)環(huán)境的逼真性；
    (2)硬件實(shí)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(dá)，因而這種方法具有較好的靈活性和通用性；
    (3)對(duì)外具有豐富的接口，既可以當(dāng)作一塊獨(dú)立的板卡使用，也可以在CPCI機(jī)箱上作為標(biāo)準(zhǔn)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(jì)
    雷達(dá)回波發(fā)生器在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，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(shí)鐘選用ADI公司的超低抖動(dòng)時(shí)鐘ICAD9510，時(shí)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(hào)處理FPGA，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。主要硬件資源為49 152個(gè)SLICE(含一個(gè)觸發(fā)器及一個(gè)四輸入查找表)，320個(gè)BLOCK RAM(每塊18 KB)，512個(gè)18×18 bit乘法器，8個(gè)DCM，32條全局時(shí)鐘連線，640個(gè)可用I/O。TMS320C6416是TI公司的一款高性能定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，最高工作時(shí)鐘600 MHz，可達(dá)4 800 MIPS。主要硬件資源有128 KB L1P cache，128 KB L1D cache，8 MB L2 cache。兩個(gè)外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），EMIFA為64 bit，EMIFB為16 bit，共1 280 MB外部地址。64個(gè)EDMA，32 bit或16 bit HPI接口，PIC接口。雷達(dá)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(dá)波形數(shù)據(jù)的計(jì)算產(chǎn)生。通用計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的雷達(dá)參數(shù)計(jì)算得到雷達(dá)基帶信號(hào)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(chǔ)器存儲(chǔ)。
    (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(jì)算機(jī)產(chǎn)生的雷達(dá)基帶信號(hào)數(shù)據(jù)以及雷達(dá)目標(biāo)、噪聲有關(guān)參數(shù)接收并存儲(chǔ)在其內(nèi)部設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器中。
    (3)實(shí)時(shí)信號(hào)處理。FPGA對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)、多普勒調(diào)制、幅度控制、中頻調(diào)制以及噪聲加載等信號(hào)處理，得到雷達(dá)回波的數(shù)字信號(hào)。當(dāng)雷達(dá)參數(shù)或目標(biāo)屬性、噪聲參數(shù)改變時(shí)，DSP更新存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]
    (4)數(shù)模轉(zhuǎn)換放大輸出。將處理得到的回波數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大后得到雷達(dá)回波的模擬信號(hào)輸出。
    DSP以其豐富的I/O資源實(shí)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(shí)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(hào)后，經(jīng)放大器進(jìn)行兩級(jí)放大輸出。外部時(shí)鐘和板載晶振時(shí)鐘經(jīng)跳線選擇后送給時(shí)鐘管理芯片，再送給FPGA。外觸發(fā)經(jīng)CPLD與FPGA相連。CPLD與時(shí)鐘管理芯片相連，可通過編程CPLD配置時(shí)鐘管理芯片。
3 FPGA內(nèi)部邏輯電路設(shè)計(jì)
    FPGA是系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的延時(shí)、多普勒調(diào)制、中頻調(diào)制以及噪聲加載等運(yùn)算任務(wù)。主要功能如下：
    (1)數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)管理。FPGA接收從通用計(jì)算機(jī)經(jīng)RS-232串行接口送來的波形數(shù)據(jù)，分別存儲(chǔ)在其內(nèi)部的3個(gè)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(shí)鐘工作10 MHz時(shí)可存儲(chǔ)最大102.4 μs 16 bit正交基帶信號(hào)。雙口RAM是利用FPGA的內(nèi)嵌塊存儲(chǔ)器配置的。內(nèi)嵌塊存儲(chǔ)器是硬件存儲(chǔ)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(chǔ)邏輯[6]。
    (2)延時(shí)計(jì)算。3個(gè)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(shí)刻輸出。具體的延遲時(shí)鐘周期由設(shè)定的目標(biāo)距離確定，相互關(guān)系為延時(shí)τ=2H/c，H為目標(biāo)距離，c為光速。
    (3)多普勒調(diào)制以及中頻調(diào)制。目標(biāo)速度信息在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，由DDS[7]產(chǎn)生頻率為fd的連續(xù)正弦和余弦信號(hào)作為復(fù)信號(hào)與復(fù)基帶信號(hào)相乘，f_d=2ν/λ，ν為目標(biāo)與雷達(dá)相對(duì)速度，λ為雷達(dá)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(shí)，由DDS產(chǎn)生中頻fc的連續(xù)正弦和余弦信號(hào)作為復(fù)信號(hào)與復(fù)基帶信號(hào)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(shí)，大量獨(dú)立同分布隨機(jī)變量之和近似服從高斯分布[8]。這里用30個(gè)均勻分布隨機(jī)序列相加來產(chǎn)生高斯分布隨機(jī)序列。均勻分布隨機(jī)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(jī)序列循環(huán)周期2¹⁹-1。
    針對(duì)以上功能，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)主要包括基帶信號(hào)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(gè)頂層模塊，如圖3所示。基帶信號(hào)產(chǎn)生模塊主要完成對(duì)存儲(chǔ)基帶信號(hào)的延遲，頻率調(diào)制，幅度控制及信號(hào)合成功能。載波調(diào)制模塊對(duì)同一基帶信號(hào)采用相同載波和16路不同的相位進(jìn)行上變頻。噪聲產(chǎn)生及加載模塊產(chǎn)生高斯分布隨機(jī)噪聲，并與目標(biāo)中頻信號(hào)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(hào)源運(yùn)行參數(shù)。

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

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

    本文提出的雷達(dá)回波發(fā)生器可以根據(jù)給定的雷達(dá)參數(shù)和目標(biāo)屬性，實(shí)時(shí)產(chǎn)生DBF、SAR和單脈沖跟蹤3種雷達(dá)體制的多種雷達(dá)信號(hào)的回波，還可以加入高斯噪聲，對(duì)雷達(dá)目標(biāo)環(huán)境的模擬具有一定的真實(shí)性。其采用DSP+FPGA+D/A的結(jié)構(gòu)，對(duì)外具有豐富的接口，既可以當(dāng)作一塊獨(dú)立的板卡使用，也可以在CPCI機(jī)箱上作為標(biāo)準(zhǔn)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。