基于CPCI接口DSP板和FPGA的雷達(dá)目標(biāo)模擬器

提出一種基于CPCI接口DSP板的C波段雷達(dá)目標(biāo)模擬器。探測回波模擬，采用軟硬件相結(jié)合的方法。由主控計(jì)算機(jī)根據(jù)雷達(dá)工作參數(shù)預(yù)先設(shè)定并計(jì)算目標(biāo)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)加載到硬件電路中。硬件電路實(shí)時(shí)合成雷達(dá)回波信號并輸出。利用DSP/FPGA的高速計(jì)算性能、直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)和數(shù)字射頻存儲(chǔ)(DRFM)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)相位編碼、線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻等多種復(fù)雜方式下的目標(biāo)回波信號的實(shí)時(shí)模擬，檢測雷達(dá)的跟蹤精度、角精度等指標(biāo)。

　　1 功能及系統(tǒng)組成

　　所設(shè)計(jì)的多目標(biāo)雷達(dá)模擬器為配合某型寬帶雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備調(diào)試和功能檢查。模擬器將雷達(dá)發(fā)射波形經(jīng)延遲、幅度相位調(diào)制和多普勒頻移等形成模擬目標(biāo)回波，通過天線發(fā)送或直接注入給試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)。目標(biāo)回波信號包括目標(biāo)的距離、角度、速度、雷達(dá)散射截面積(RCS)、一維距離像等信息。

　　系統(tǒng)總體指標(biāo)要求如下：雙通道輸出;頻率范圍為5.2～5.8 GHz;窄帶瞬時(shí)帶寬為10 MHz;寬帶瞬時(shí)帶寬為500 MHz;目標(biāo)數(shù)目1～22個(gè);幅度控制范圍為0～127 dB，量化單位不大于0.5 dB;RCS幅度控制速率為1μs，距離變化幅度控制1 ms;目標(biāo)延遲時(shí)間：2～4 000μs;多普勒頻移范圍±400 kHz;相位噪聲不大于-90dBc/Hz@1 kHz;窄帶時(shí)雜散電平不大于-55 dBc;寬帶時(shí)雜散電平不大于-45 dBc;距離模擬精度≤1.5 m;多普勒模擬精度<1 Hz;輸入功率為-45～+30 dBm;輸出最大功率20 dBm。

　　C波段雷達(dá)目標(biāo)模擬器由微波分系統(tǒng)、基帶分系統(tǒng)、寬帶分系統(tǒng)、電源控制分配組件和軟件等組成，如圖1所示。微波分系統(tǒng)包括接收組件、發(fā)射組件、頻率源組件和電源等?；鶐Х窒到y(tǒng)主要由主控計(jì)算機(jī)、數(shù)字管理單元(DMU)、接口控制單元、雙通道可編程數(shù)字延遲線(PD-DL)、時(shí)鐘產(chǎn)生和分配電路、中頻調(diào)制解調(diào)組件和電源等部分組成。窄帶目標(biāo)模擬主要由基帶分系統(tǒng)和微波分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

　　寬帶目標(biāo)模擬主要由基帶分系統(tǒng)控制寬帶分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。輸出通過微波分系統(tǒng)與窄帶目標(biāo)信號一起輸出。電源控制分配組件完成系統(tǒng)主電源的控制、分配、保護(hù)和指示等功能。

2 目標(biāo)回波模擬

　2.1 窄帶目標(biāo)回波產(chǎn)生

　　本寬頻帶射頻模擬器接收雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號、控制信號和參考信號。系統(tǒng)輸出模擬窄帶目標(biāo)回波信號前，在主控計(jì)算機(jī)上加載所有目標(biāo)、誘餌的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)，如延遲參數(shù)和徑向運(yùn)動(dòng)速度，以及每個(gè)目標(biāo)、誘餌的幅度/相位目標(biāo)特性文件。

　　仿真開始后，DMU按照雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)出的模式、參數(shù)和觸發(fā)信號，分別控制窄帶系統(tǒng)中的雙通道PDDL和中頻調(diào)制組件產(chǎn)生基帶延時(shí)目標(biāo)信號，通過發(fā)射組件實(shí)現(xiàn)上變頻和雷達(dá)目標(biāo)的距離、幅度調(diào)制控制，濾波后形成窄帶目標(biāo)回波信號輸出，如圖3所示。

　　2.2 寬帶目標(biāo)回波產(chǎn)生

　　寬帶目標(biāo)回波的產(chǎn)生通過對預(yù)先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的雷達(dá)寬帶LFM的基帶分量和目標(biāo)特征參數(shù)直接計(jì)算，實(shí)時(shí)生成多散射點(diǎn)合成目標(biāo)的波形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，寬帶分系統(tǒng)中的所有信號都與試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)的參考信號同步，保證回波信號與雷達(dá)系統(tǒng)相參，實(shí)現(xiàn)正確的模擬。

　　輸出寬帶目標(biāo)回波信號前，在計(jì)算機(jī)上加載輸出目標(biāo)散射點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)和目標(biāo)特性文件。當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射寬帶LFM信號時(shí)，寬帶目標(biāo)回波的基帶數(shù)據(jù)由DSP計(jì)算并加載到任意波形發(fā)生器(AWG)的存儲(chǔ)器中。DMU產(chǎn)生寬帶分系統(tǒng)的延時(shí)觸發(fā)脈沖和波形選擇信號，控制AwG輸出模擬基帶回波信號，將該基帶信號進(jìn)行正交調(diào)制后，通過上變頻就得到寬帶信號的目標(biāo)回波。目標(biāo)特征數(shù)據(jù)通過CompactPCI總線加載到DSP中參與波形計(jì)算。

　　寬帶回波信號的更新率決定于AWG的數(shù)據(jù)更新率。這種數(shù)字方法原理簡單，模擬目標(biāo)靈活，精度非常高，信號質(zhì)量較高。缺點(diǎn)是成本較高，實(shí)時(shí)性受硬件速度、波形復(fù)雜度等限制，不容易提高。

　　如圖5所示，DSP模塊中有兩個(gè)TMS320C6455高性能DSP、存儲(chǔ)器和大規(guī)模FPGA，完成特征數(shù)據(jù)接收、波形計(jì)算更新和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，是AWG的核心控制部分。AWG模塊的FPGA采用Xilinx公司的XC4VLX25-FF668。IQ信號通路的DAC選用兩片Atmel公司的1GHz 10位TS86101G2B，且兩路DAC相互獨(dú)立且保持信號的同步。其單路瞬時(shí)帶寬可達(dá)400 MHz，與正交調(diào)制器配合可輸出復(fù)雜的調(diào)制信號。

　　3 系統(tǒng)工作流程

　　系統(tǒng)初始化完成后，設(shè)備進(jìn)行加電自檢。自檢通過后由系統(tǒng)操作員進(jìn)行仿真場景文件加載，包括系統(tǒng)參數(shù)、目標(biāo)數(shù)量、軌跡、目標(biāo)特性等。啟動(dòng)仿真后，模擬系統(tǒng)中的寬帶和窄帶分系統(tǒng)是同時(shí)工作的，受基帶分系統(tǒng)中的DMU的控制，如圖6所示。

4 DSP軟件實(shí)現(xiàn)

　　4.1 基帶分系統(tǒng)的數(shù)字管理單元

　　DMU是系統(tǒng)的核心控制單元。DMU采用CompactPCI接口，板載總?cè)萘?百萬門的Xilinx Vhrex-2Pro FPGA，所采用的DSP為TI的TMS320C6416系列，處理器頻率為600 MHz，同時(shí)板上提供了1 GB大容量的DDR存儲(chǔ)器。

　　為了模擬試驗(yàn)雷達(dá)的回波信號，必須要在基帶上對雷達(dá)探測射頻信號進(jìn)行相位和頻率的調(diào)制，并且還要根據(jù)雷達(dá)所在場景的不同對回波信號做一定的延遲。DMU通過CPCI單板內(nèi)的DSP將相關(guān)的場景參數(shù)，如目標(biāo)數(shù)量、目標(biāo)延時(shí)、目標(biāo)速度、回波的幅度和相位特征調(diào)制等相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)加載到FPGA內(nèi)部，然后通過FPGA控制PDDL產(chǎn)生所被探測目標(biāo)的延遲回波信號。DSP控制DDS子板完成信號的相位特征調(diào)制，并完成多普勒頻率偏移調(diào)制，通過對中頻調(diào)制解調(diào)組件的幅度控制來實(shí)現(xiàn)幅度特征調(diào)制。

　　目標(biāo)的特征調(diào)制數(shù)據(jù)以.tea文件格式預(yù)先存儲(chǔ)在操控計(jì)算機(jī)的硬盤。仿真運(yùn)行時(shí)，主控計(jì)算機(jī)通過CompactPCI接口連續(xù)寫入DMU，DMU將其中的幅度數(shù)據(jù)通過CPCI接口的J4/J5輸出到中頻調(diào)制組件實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號的幅度特征調(diào)制。DMU板載的DDS模塊通過FPGA接口，采用AD9858實(shí)現(xiàn)，工作時(shí)鐘頻率為1 GHz。3塊DDS子板用以接收通道的本振產(chǎn)生和發(fā)射雙通道的本振輸出，如圖7所示。

　　4.2 寬帶分系統(tǒng)的任意波形發(fā)生器

　　寬帶分系統(tǒng)的探測目標(biāo)為成像目標(biāo)，試驗(yàn)雷達(dá)所發(fā)射的信號為500 MHz帶寬的線性調(diào)頻波LFM，其脈寬為128/256/512/1024μs。

　　按照雷達(dá)發(fā)射寬帶LFM射頻波形的參數(shù)，采用預(yù)先存儲(chǔ)LFM的I/Q基帶分量數(shù)據(jù)在DSP的片外DDR的方法;在雷達(dá)場景參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)有更新時(shí)，DSP利用ED-MA操作將片外DDR的基帶IQ波形數(shù)據(jù)搬移至DSP的L2存儲(chǔ)區(qū)，與目標(biāo)幅度特征參數(shù)進(jìn)行乘累加運(yùn)算，同時(shí)將目標(biāo)延遲信息調(diào)制到基帶波形。DSP實(shí)現(xiàn)I/Q數(shù)據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)的方法須借助寬帶上變頻單元的DDS實(shí)現(xiàn)頻率、相位實(shí)時(shí)調(diào)制。

　　在一次仿真過程中，目標(biāo)散射點(diǎn)個(gè)數(shù)不發(fā)生變更。散射點(diǎn)的模擬個(gè)數(shù)為0～5個(gè);0表示沒有成像目標(biāo)需要仿真。而對于一次仿真過程，目標(biāo)散射點(diǎn)的延遲、幅度、速度參數(shù)會(huì)以數(shù)據(jù)幀的方式提前下發(fā)到寬帶分系統(tǒng)兩片6455DSP的片外DDR存儲(chǔ)區(qū)做I/Q分量計(jì)算;存儲(chǔ)區(qū)的基地址為0xE0000000。每幀數(shù)據(jù)包含16個(gè)雙字;按照最小場景更新周期10 ms計(jì)算，30 min仿真時(shí)間需要加載的參數(shù)總量為約11 MB的數(shù)據(jù)量。

　　根據(jù)雷達(dá)發(fā)射機(jī)可能選用的參數(shù)，利用CCS軟件進(jìn)行任意波形算法的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、運(yùn)行時(shí)間估算及程序優(yōu)化，提高目標(biāo)特性數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算速率，滿足雷達(dá)場景更新要求小于等于100 ms。仿真的控制主要包括仿真過程中標(biāo)志寄存器的復(fù)位以及每次仿真所涉及的目標(biāo)散射點(diǎn)個(gè)數(shù)。兩片DSP定義的仿真控制寄存器的基地址DSP_BaseAdd都為0x009FFE00;另外，DSPA的CE4空間映射有FPGA的片內(nèi)寄存器。C6455 DSP的C程序如下：

　　上電后，TMS320C6455首先完成PLL、EMIFA、DDR2的時(shí)序配置。AWG板雙C6455 DSP的主頻都為1 GHz;板上所載的IDT的雙端口RAM IDT70 T3509有3片。其中兩片位于兩片6455 DSP之間，各自端接兩個(gè)DSP的EMI-FA總線，主要用于雙DSP之間的數(shù)據(jù)交換，另外一片兩端都端接在FP-GA，沒有直接和DSP EMIFA接口連接。文中的任意波形發(fā)生器的IQ通道特征數(shù)據(jù)的計(jì)算不會(huì)涉及到DSP之間的數(shù)據(jù)交換，故寬帶目標(biāo)的雷達(dá)回波IQ數(shù)據(jù)寫入到FPGA片內(nèi)的2K字的DPRAM中。

　　5 總結(jié)

　　本模擬器是采用的是操控計(jì)算機(jī)加DSP和FPGA的組合結(jié)構(gòu)。DSP信號處理技術(shù)要充分利用DSP的信號處理庫和內(nèi)聯(lián)函數(shù)，并合理地進(jìn)行功能分割以進(jìn)行充分的優(yōu)化，這樣才能得到最優(yōu)的總體性能。