基于FPGA的某火控雷达目标视频信息模拟

赵建军，肖雄波，朱民权，杨利斌

（1.海军航空工程学院 山东 烟台 264001；2.中国人民解放军92910部队 浙江 舟山 316000）

在雷达装备设计和雷达性能评估的各种实验中，雷达回波信号模拟器用于雷达装备性能的测试和实际工作状态仿真，设计高仿真的雷达脉冲信号模拟器，能在一定程度上提高设备的设计效率和调试准确度，并且可以大大简化实验难度，降低实验成本，增加实验灵活性[1-2]。

某雷达对全空域或者某空域进行空中、海面观测，某火控系统接收某雷达的一次视频信息，对某雷达的一次雷达信息进行处理，解算目标的现在点坐标和运动参数，同时将有关信息传输到指控中心。

某雷达有跟踪和搜索两种工作方式，有两个信号输出通道（主通道A1和备用通道A2），输出给某火控系统的一次视频信息有：零距离脉冲ZERODSTN，相对零距离脉冲前置脉冲PRE，距离终点脉冲DSTNTER，扫描起始脉冲SCANSTART，模拟视频信息BC，波束当前方位的13位并行码HSQ，波束当前高低角的并行码VSQ，雷达工作状态标志MOD，通道2接通信号A2ON。

笔者基于总线技术和FPGA技术，利用Xilinx公司的产品ISE 8.1软件设计某火控雷达目标视频信息模拟器。

1 总体方案设计

搜索方式的时序如图1所示。对目标视频信息的模拟，主要模拟包含目标方位、仰角和距离的一次视频信息。

图1 搜索方式工作时序图Fig.1 Working sequence chart of searching mode

对目标视频信息的模拟采用可编程逻辑器件的实现方案[3-4]，实现原理框图如图2所示。总线控制器实现PC/104总线与计数器模块的接口，计数器实现方位角计数、仰角计数、距离计数，并接收当前计算机的方位角、仰角、距离量，实时生成数字视频信息。

图2 总体设计原理框图Fig.2 Principle block diagram of overall design

1.1 总线控制器

总线控制器实现PC/104总线与计数器的接口，总线控制器转换16位的地址信号、16位的数据信号、ALE、IOCS16、IOCHRDY信号，在系统设计中，运用16位数据线进行数据传输，为保证对数据有效读写，采用延迟线技术。当总线空闲时，即读写信号均为高电平时，延迟线输出为0，当总线对数据进行读写时，在参考时钟的输入下，设定DEL2～DEL12为写数据有效，DEL2～DEL15为读数据有效。具体的电路实现如图3所示。

1.2 计数器模块

计数器模块包括水平扫描计数器、垂直扫描计数器以及距离计数器，水平扫描计数器模块完成全方位0～360°扫描计数，垂直扫描计数器完成垂直方向上通道1仰角范围0～β1和通道2仰角范围0～β2的扫描计数，距离计数器产生零距离脉冲ZERODSTN，相对零距离脉冲前置脉冲PRE，距离终点脉冲 DSTNTER，扫描起始脉冲 SCANSTART，下面分别介绍其设计方案。

1.2.1 水平扫描计数器

鉴于雷达天线为背靠背两个通道，则通道1的方位角为计数器寄存器的值，通道2的方位角为计数器寄存器最高位取反后输出数字量，水平扫描计数器的原理框图如图4所示。

图4 水平扫描计数器的原理框图Fig.4 Principle block diagram of horizontal scan counter

1.2.2 垂直扫描计数器

某雷达垂直方向为相扫描，通道1仰角范围为0～β1，通道2仰角范围0～β2，假设某雷达由31个波束号组成，通道1和通道2的第个i波束号对应的仰角为β1i，β2i，垂直扫描计数器以距离终点作为时钟脉冲，对31个波束号进行循环计数，同时通道数据选择电路选择波束号对应的通道1和通道2的角度值输出，垂直扫描计数器的原理框图如图5所示。

图5 垂直扫描计数器的原理框图Fig.5 Principle block diagram of vertical scan counter

1.2.3 距离扫描计数器

距离计数器产生零距离脉冲ZERODSTN，相对零距离脉冲前置脉冲PRE，距离终点脉冲DSTNTER，扫描起始脉冲SCANSTART。假设雷达扫描周期为Tss，选用16位计数器，设16位计数器的计数模值为M，若以4.8 MHz作为基准时钟，则距离计数器的分频系数NR的计算表达式为

鉴于某雷达有跟踪和搜索两种工作方式，在这两种工作方式下视频脉冲的时序不同，确立如下的设计方案，原理框图如图6所示。

图6 距离扫描计数器原理框图Fig.6 Principle block diagram of distance scan counter

1.3 数字视频脉冲计数器

数字视频脉冲计数器在当前方位角、仰角和距离输出数字视频脉冲，进而转换为模拟视频脉冲。若采用7位计数器，计数时钟为CLK，则当13位方位角计数器的寄存器的值、10位仰角计数器寄存器的值、16位距离计数器寄存器的值与总线发送过来的包含方位角、仰角、距离的数字信息同时相等时，触发数字视频脉冲计数器进行计数，进而输出视频信息数字量至后端电路进行D/A转换，数字视频脉冲计数器的原理框图如图7所示。

图7 数字视频脉冲生成原理框图Fig.7 Principle block diagram of digital video formation

2 硬件电路功能仿真分析

2.1 总线控制器电路功能仿真

ISE仿真[6]如图8所示。仿真表明，按照图5设计的电路，功能时序满足PC/104总线的时序关系，表明电路功能的正确性。

2.2 水平扫描计数电路功能仿真

假设分频系数NH=1 456，其ISE电路仿真如图9所示。仿真结果表明，10位计数器在清零信号的作用下从零开始计数，计至1 023后归0重新开始计数，功能满足设计需求。

2.3 垂直扫描计数电路功能仿真

假设采用5位计数器对31个波束号进行循环计数，垂直扫描计数器ISE电路仿真如图10所示。仿真结果表明，5位计数器在清零信号的作用下从零开始计数，计至31后归0重新开始计数，功能满足设计需求。

图8 总线控制器电路仿真图Fig.8 Circuit simulation diagram of bus controller

图9 水平扫描ISE电路仿真图Fig.9 ISE circuit simulation of horizontal scan

图10 垂直扫描ISE电路仿真图Fig.10 ISE circuit simulation of vertical scan

2.4 距离扫描计数电路功能仿真

以搜索方式为例，基准时钟为40 MHz，搜索方式下距离扫描仿真如图11所示。仿真结果满足图1所示的搜索方式视频信息时序图，功能仿真满足设计要求。

图11 搜索方式下距离扫描仿真图Fig.11 Circuit simulation diagram of distance scan in searching mode

3 软件设计

雷达扫描计数器模块接收计算机的控制指令，计算机模拟目标的距离、方位角、仰角，并将距离值和角度值转化为计数器的值，通过总线控制器发送到各个计数器模块的寄存器。计数器模块按照计算机设定的工作方式和通道指令，在对应点输出数字视频信息，通过数模转换成模拟视频信息。软件控制流程如图12所示。

图12 软件控制流程图Fig.12 Flow chart of software control

4 结 论

笔者针对某火控系统接收目标视频信息的特点和某雷达的工作方式以及工作时序，采用CPU＋FPGA的方式，设计了目标视频信息模拟器，结合ISE 8.1软件进行了电路功能仿真，并转化为硬件实现。仿真结果表明该系统的设计具有可行性和有效性。该模拟器已经和火控系统完成了对接实验并得到应用，为模拟训练和火控系统维修保障提供了方便，具有重大的军事经济效益。同时，该模拟器的设计思路可推广到其他雷达模拟器的设计中。

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