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  0 引言

  雷達系統(tǒng)在研制過程中,各部分往往是并行的,在調試信號處理分系統(tǒng)時,如果天線沒做好,就得不到陣面送下來的回波數(shù)據,這時調試就無法正常進行。為了解決這一問題,往往先設計一個模目信號,把信號處理分系統(tǒng)調試好,待其他分系統(tǒng)也調試好后,再切換為正常接收模式,進行系統(tǒng)聯(lián)試。

  本文介紹了一種模目信號設計方法,利用FPGA產生時序及控制,DSP實時計算所需要的回波,從而實現(xiàn)對雷達目標回波的模擬,這樣可以在沒有陣面數(shù)據的情況下,使信號處理分系統(tǒng)調試能夠正常進行,從而不影響科研進度,做到有問題早發(fā)現(xiàn)。

  1 系統(tǒng)原理

  由于要調試的是PD體制雷達,所以要模擬的信號是帶有多普勒頻移的雷達目標回波。這里雷達發(fā)射波形為線性調頻信號,其時域表達式為:  

  式中: A為振幅;τ為脈寬;;μ為調頻斜率;fo為載頻;φo為初相。那么當雷達對空照射時,如果遇到目標,就會產生回波,回波是受目標調制了的發(fā)射信號,所以通過和發(fā)射信號相比較,就可獲得目標的相關信息,在此僅考慮目標相對雷達勻速徑向飛行的情況。當回波被雷達接收后,經過解調,得到的將是帶有多普勒頻移的線性調頻信號,由于已假設目標沿徑向勻速飛行,所以回波信號相對于發(fā)射信號來說,在相位上僅時間的一次項改變,即發(fā)生了多普勒頻移?;夭ǖ臅r延反映目標的遠近,幅度反映目標的散射截面積。

  通過以上分析可知,要產生模目信號,可以通過改變發(fā)射信號(未調制至載波)的頻率中心、時延和幅度這三個參數(shù)來實現(xiàn),通過對這三個變量的控制,就可模擬出目標的徑向速度、徑向距離以及雷達散射截面積。

  2 系統(tǒng)方案

  由于模目信號可以通過改變發(fā)射信號得到,又發(fā)射信號的波形已知,所以可以通過對發(fā)射信號進行實時變換,來模擬所期望的回波。系統(tǒng)實現(xiàn)如下:為了解距離和速度二維模糊,雷達設置了N種重頻,每種重頻的脈寬不同,在系統(tǒng)帶寬(其決定雷達的距離分辨率)一定的情況下,每種重頻發(fā)射信號的點數(shù)為:脈沖時寬×系統(tǒng)帶寬,此點數(shù)也就是目標回波的點數(shù),這樣就可以預先把發(fā)射波形存于DSP內存,然后根據系統(tǒng)控制字,取出需要的波形,再在DSP中實時計算出所需要的模目信號。模目信號需要系統(tǒng)時序來同步,系統(tǒng)時序如圖1所示。

  圖1中BW為雷達波位脈沖,CPI為相干脈沖導前,F(xiàn)R為單個脈沖信號。系統(tǒng)會在每個CPI到來時打入系統(tǒng)控制字,告訴信號處理分系統(tǒng)陣面ID、工作模式、CPI代碼等信息,信號處理分系統(tǒng)會根據收到的控制字來進行相應的工作,模目距離和模目多普勒也會在系統(tǒng)控制字中給出,這樣就可在系統(tǒng)時序同步下,根據所收到的控制字產生模目信號。

  模目信號屬于系統(tǒng)內部的測試信號,所以不需要單獨的插件產生,可以考慮做在信號處理流程比較靠前的插件上,比如DBF插件或者脈壓插件。由于本系統(tǒng)脈壓插件資源有剩余,且對于產生模目信號足夠,所以將模目產生模塊放在脈壓插件上,用到的器件是一片F(xiàn)PGA和一片DS-P,其中FPGA的作用是接收光纖送來的控制字,對DSP發(fā)起中斷并緩存DSP產生的模擬回波,然后在系統(tǒng)時序的同步下將模擬回波送后續(xù)處理;DSP的作用是根據系統(tǒng)控制字信息,在一個FR時間間隔內產生所需要的多波束目標回波,系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖2所示。

  系統(tǒng)工作流程為:DBF分機提供系統(tǒng)控制字、時序和外時鐘,其中系統(tǒng)控制字通過光纖送出,每個CPI送一次,時序和外時鐘通過射頻電纜送出。當FPGA收到控制字后,將其緩存于雙口RAM,等到第二個FR,給DSP發(fā)起中斷,通知DSP取走控制字。DSP從控制字中提取CPI代碼、FR代碼、模目距離和模目多普勒等信息。通過CPI代碼可以知道雷達當前發(fā)射的是哪種波形,即哪種線形調頻信號,通過FR代碼可以知道當前脈沖是該相干處理脈沖組中第幾個脈沖,通過模目距離和模目多普勒可以知道系統(tǒng)要求模擬目標所處的距離和相對徑向速度。由于系統(tǒng)控制字已在第二個FR得到,所以在接下來的FR中,DSP只需讀進FR序列號,就不需要再讀控制字。讀FR序列號的目的是為了計算模目由于存在徑向速度而產生的相位,即φd=fd(n-1)Tr,其中:n即為FR序列號;Tr為脈沖重復周期,一旦獲得這些信息,就可以計算模目。在計算模目的過程中,采用了乒乓存儲方式,即當前FR產生下一FR的數(shù)據,并存于FPGA的雙口RAM中,等下一FR到來時,延遲到系統(tǒng)控制字所給的模目距離單元所對應的時刻,讀出模目數(shù)據即可。為了使目標回波與實際情況一致,要求模目信號在距離和多普勒上都要模糊,由于系統(tǒng)控制字送來的參數(shù)是非模糊的,那么轉換方法為:模糊距離=真實距離mod本相干處理脈沖組對應的距離,模糊多普勒一真實多普勒mod本相干處理脈沖組對應的重頻,其中mod為求模,這一過程在DSP中完成。

  3 調試過程

  調試所用到的分機有:綜合電子分機,送時序和控制字;DBF分機,完成控制字中CPI代碼和FR代碼的填充,并通過光纖將控制字送至DSP分機,本模目信號產生模塊就在DSP分機的脈壓插件上;頻率源,給每個分機提供時鐘;除此之外,還需要一臺直流穩(wěn)壓電源。

  系統(tǒng)加電后,DSP初始化完成就處于等待狀態(tài),當有時序和系統(tǒng)控制字送來,DSP就根據控制字的要求產生模目信號,并在時序的同步下將信號送往FPGA,然后再由FPGA送后續(xù)處理。系統(tǒng)設置三個信號采集和觀察點,第一個在DSP上,通過仿真器采集系統(tǒng)控制字以及產生的模目數(shù)據,并將該數(shù)據和Matlab計算的數(shù)據做比較,看是否正確;第二個在FPGA上,通過Quartus自帶的SignalTap工具,觀察產生的模目信號波形,以及該信號經脈壓后的波形,看波形是否為線性調頻信號,點數(shù)是否正確,脈壓能否出結果;第三個在DSP插件上,通過在DSP上采集脈壓后的信號,對同一距離單元做FFT,看結果是否在期望的距離單元及期望的頻道上。

  下面給出其中一種模擬波束在各信號采集和觀察點的圖形:圖3為DSP計算的模目數(shù)據(實部),圖4為SignalTap采集的模目信號(I,Q雙通道),圖5為模目信號經脈壓后的波形,圖6為對脈壓后同一距離單元信號做FFT。

  可見系統(tǒng)正確模擬了目標回波,達到了預期效果。

  系統(tǒng)在調試初始,由于產生多波束數(shù)據,發(fā)現(xiàn)在一個FR時間內DSP計算不過來,經分析,發(fā)現(xiàn)算法沒優(yōu)化,原來的算法為:在每一個FR時間內,先計算出,再查表得到,這樣每個波束都要計算,屬于重復計算,消耗了時間。對算法進行改進,改進后的算法為:先將每個CPI的波形,即存于DSP內存中,當每個CPI脈沖到來時,根據系統(tǒng)控制字中CPI代碼取出該CPI對應的基本波形,然后乘以,這樣就可以降低運算量,節(jié)省運算時間;另外DSP的主頻不再采用默認值(4倍頻),而是將其設置為10倍頻(DSP芯片為AD公司的ADSP-TS201),這樣由于主頻的提高,也加快了運算速度,節(jié)省了運算時間。通過采取這兩條措施以后,DSP就能在一個FR時間內產生多波束信號,從而滿足實時性要求。

  4 結語

  本文介紹了一種雷達模目信號產生方法,該方法能夠通過FPGA和DSP實時產生具有多普勒頻移的多波束雷達目標回波,其意義在于可以為雷達信號處理分系統(tǒng)單獨調試提供數(shù)據來源,從而不必等待天線陣面的真實數(shù)據,這樣可以加快科研進度,也方便整機聯(lián)試時查找問題。



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