摘 要： 介紹了一種基于PC104與FPGA構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)來模擬雷達回波信號的方法。給出了以FPGA為核心采集雷達參數(shù)以及產(chǎn)生雷達目標和干擾信號的硬件實現(xiàn)方法，分析了通過PC104產(chǎn)生理論航跡和進行目標參數(shù)計算與控制的實現(xiàn)流程。測試結(jié)果表明，該模擬器能夠逼真地實現(xiàn)雷達空情目標及干擾信號，且具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、靈活性強的優(yōu)點，可用于實裝訓(xùn)練和雷達調(diào)試。
關(guān)鍵詞： PC104；FPGA；嵌入式系統(tǒng)；雷達目標模擬器

雷達目標模擬器可以在雷達系統(tǒng)發(fā)射機不工作的條件下，按照一定的假設(shè)，模擬形成全方位、多批次、具有復(fù)雜干擾的雷達目標信號，提供接近實戰(zhàn)的空中情報。自出現(xiàn)以來，因其實用性和成本上的優(yōu)勢成為各國的研究熱點。
針對實裝雷達的特點，介紹了某型雷達目標模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)，雷達操作人員能夠在接近實戰(zhàn)的環(huán)境中進行訓(xùn)練，有利于提高操作人員的跟蹤識別目標的水平，最大限度地發(fā)揮雷達的作戰(zhàn)效能。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控計算機實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置及理論航跡產(chǎn)生、通道實時計算和控制以及數(shù)據(jù)接收三部分功能。通過FPGA配以外部驅(qū)動電路，實現(xiàn)雷達參數(shù)采集通道、目標和干擾信號產(chǎn)生電路、PC104總線驅(qū)動電路及同步電路的功能。

系統(tǒng)工作時，首先通過參數(shù)設(shè)置及理論航跡產(chǎn)生軟件設(shè)置目標及干擾航跡，并對目標與干擾信號的參數(shù)進行設(shè)置，計算機對硬件電路各通道的目標和干擾包絡(luò)數(shù)據(jù)進行初始化。航跡啟動后，計算機在角度同步方波的控制下，從FPGA接收雷達的狀態(tài)參數(shù)，進行模擬判斷、通道分配、相對坐標計算、通道放大量計算及干擾處理，形成通道控制數(shù)據(jù)。角度方波回程到來時，通過PC104總線送至硬件電路，控制硬件電路產(chǎn)生帶有位置和速度信息的目標與干擾信號，最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及驅(qū)動電路形成雷達的視頻信號。
2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
綜合考慮成本與系統(tǒng)的資源需求，本設(shè)計選用Altera公司的Cyclone系列芯片EP1C12Q240C8，主控計算機采用PC104主板，外接自定義小鍵盤、磨球鼠標和LCD顯示器，通過主板上的PC104總線與FPGA通信，構(gòu)成了一套嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，以滿足控制穩(wěn)定、機械尺寸小的要求。
2.1 雷達參數(shù)采集通道
模擬雷達目標信號時，需要采集制導(dǎo)站的工作狀態(tài)（外引導(dǎo)、掃描跟蹤、制導(dǎo)跟蹤）、目標的照射次數(shù)和工作頻率、跟蹤目標的參數(shù)（斜距、角度）以及實時波束指向等狀態(tài)參數(shù)。
如圖2所示，雷達參數(shù)采集通道的核心部分為一個雙端口存儲器，輸入端接至制導(dǎo)站共總線，輸出端接至PC104總線，通過共享內(nèi)存的方式實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)的采集，完成對制導(dǎo)站狀態(tài)和參數(shù)的讀取。制導(dǎo)站的調(diào)度機只對總線接口電路的存儲器執(zhí)行寫操作，工控機只對雙端口存儲器執(zhí)行讀操作，且調(diào)度機的優(yōu)先權(quán)高于工控機。本設(shè)計利用FPGA內(nèi)部的雙端口RAM作為制導(dǎo)站計算機存儲器的映射。在制導(dǎo)站向其存儲器寫狀態(tài)參數(shù)的同時，將該數(shù)據(jù)寫入FPGA的RAM中，F(xiàn)PGA再通過PC104總線將數(shù)據(jù)傳給PC104工控機。這樣既保證了原制導(dǎo)站的總線誤碼率，又避免了對雷達的工作造成影響。
圖3為雷達參數(shù)采集通道的頂層設(shè)計圖，CAB[12..0]、CDB[15..0]分別為制導(dǎo)站共總線的地址線和數(shù)據(jù)線，CBOPEN、CDTR、CMIO、CWR、CBHE 為調(diào)度機向制導(dǎo)站存儲器寫入數(shù)據(jù)時的控制信號，同時作為FPGA內(nèi)的雙端口RAM的使能信號。ad[19..0]和data_out[7..0]分別為PC104工控機的地址線和數(shù)據(jù)線，在控制總線pc104_CB[4..0]使能時，將16 bit的雷達狀態(tài)數(shù)據(jù)分兩次傳輸給工控機。
2.2 目標和干擾信號產(chǎn)生電路
目標和干擾產(chǎn)生電路是硬件設(shè)計的關(guān)鍵電路，負責(zé)形成各種目標包絡(luò)信號，主要包括目標信號通道包絡(luò)和干擾目標調(diào)制通道包絡(luò)。
目標信號產(chǎn)生電路的原理如圖4所示。地址譯碼電路在局部總線的控制下完成各選通信號的譯碼、角度計數(shù)及RAM地址形成電路形成角度偏移信號及RAM單元的地址信號；在主控計算機的控制下，將各種目標信號數(shù)據(jù)經(jīng)PC104總線寫入RAM單元，用于形成不同目標的包絡(luò)數(shù)據(jù)。要完整模擬目標信號，必須模擬目標的距離、角度和幅度特性。目標的距離模擬可通過控制產(chǎn)生線性調(diào)頻目標信號的延時時間實現(xiàn)。目標的角度模擬可通過控制和差支路信號的幅度及相位實現(xiàn)，而目標的幅度特性主要與目標距離、目標雷達的截面積和目標起伏特性有關(guān)，可通過雷達目標的施威林（Swerling）起伏模型控制實現(xiàn)。本設(shè)計中，將模型數(shù)據(jù)預(yù)先存儲在PC104的存儲卡中，系統(tǒng)工作時根據(jù)不同的模擬要求向FPGA的RAM中傳送相關(guān)數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)的實時性。

距離形成電路產(chǎn)生不同寬度的距離選通信號，計數(shù)步長為16 bit，計數(shù)時鐘為100 MHz。在目標包絡(luò)形成期間， RAM單元中存儲的數(shù)據(jù)被逐一讀出，經(jīng)距離信號選通后的包絡(luò)數(shù)據(jù)與其幅度控制信號相乘，然后輸出至D/A轉(zhuǎn)換及驅(qū)動放大電路，進行功率、增益調(diào)節(jié)，即可得到滿足系統(tǒng)要求的目標包絡(luò)信號。在模擬多批目標時，只需要先將各目標的高低角/方位角包絡(luò)信號相加再輸出給D/A轉(zhuǎn)換器，因而具有良好的可擴展性。
干擾信號作為目標回波信號的重要組成部分，其數(shù)學(xué)形式與目標的信號形式相同,只是幅度的起伏特性和強度以及多普勒頻譜的變化范圍不同。實現(xiàn)簡單干擾時，可以認為是大量近似相等的獨立單元散射體的回波相互疊加，雜波的幅度分布特性近似服從高斯分布模型，但這只適用于早期的低分辨率雷達。實現(xiàn)復(fù)雜干擾時，需要使用不同的幅度分布模型對雜波進行模擬，例如，地物雜波的模擬采用幅度概率分布為對數(shù)正態(tài)分布和Weibull分布的模型來描述。氣象雜波的模擬采用幅度分布為瑞利分布的高斯譜模型來描述。本設(shè)計中，將雜波模擬數(shù)據(jù)預(yù)先存儲在PC104的存儲卡中，系統(tǒng)工作時根據(jù)參數(shù)設(shè)計向FPGA的RAM中傳送雜波數(shù)據(jù)。干擾信號的包絡(luò)數(shù)據(jù)從RAM中讀出之后，不進行距離信號選通，而是與雜波數(shù)據(jù)進行相乘調(diào)制，然后再與均勻白噪聲相乘進行調(diào)制，經(jīng)過兩次調(diào)制后可實現(xiàn)對不同干擾信號的模擬。均勻白噪聲可采用線性反饋移位寄存器LFSR（Linear Feedback Shift Register）方法產(chǎn)生，通過修改FPGA的程序來改變生成噪聲的參數(shù)，而不是改變硬件電路，因此可以方便地移植到其他電路設(shè)計中。
高速D/A轉(zhuǎn)換及驅(qū)動電路如圖5所示，MAX5190的8引腳(即數(shù)據(jù)位)、時鐘引腳和選通端均與FPGA相連，由FPGA為D/A提供40 MHz時鐘，同時芯片的3.3 V電源也由其電源管理引腳提供。

2.3 PC104總線驅(qū)動電路及同步電路