一种中频雷达模拟器的设计

邢福成，王 波，孙保良，关成斌

（1.海军航空工程学院电子信息工程系，山东 烟台 264001；2.92155部队，海南 三亚 572018）

现代雷达承担着越来越复杂的重要任务，随着功能的不断完善和强大，进行基于真实回波全功能调试和训练几乎是不可能的，也是不经济的，而改变这一状况就需要仿真近乎实际的波形作为雷达的输入信号。基于解决此问题，本文设计一款中频雷达模拟器，该模拟器可用于现代雷达实地调试和训练。

随着直接数字频率合成技术(Direct Digital frequency Synthesis，DDS)的日渐成熟，基于DDS的雷达目标模拟器，近年来得到越来越多的研究和应用[1-5]，为雷达研制、算法验证、故障检测和模拟训练等方面提供了很大的便利。本文设计的中频雷达模拟器可以在2种工作状态下(联机：在计算机控制下；独立：通过键盘输入)，产生单脉冲雷达的中频模拟和、差信号[6]。模拟器由软件和硬件2部分共同完成。软件部分根据设定的目标方程实时产生模拟目标航迹及各种参数，硬件部分根据接口电路同步接收的当前天线指向及有关控制字并解算出硬件电路的控制数据，通过变换电路，将各目标参数的数字量转换为相应的模拟信号。本文主要介绍其硬件部分。

1 中频雷达模拟器总体组成及工作过程

中频雷达模拟器主要由电源部分、控制部分、DDS信号产生器、模拟信号输出4部分组成。组成框图如图1所示。

图1 中频雷达模拟器组成框图

中频雷达模拟器工作过程是：模拟器控制部分接收计算机送出的控制字或通过键盘输入控制字，并将控制字接收拆解进行目标计算、辅助板控制以及键盘显示控制。辅助板根据其输入信号输出DDS控制字、多普勒频率fd、和差方向图数据以及同步脉冲。将DDS 控制字、多普勒频率fd加到DDS信号产生器，由DDS信号产生器产生单脉冲体制下的一组受到调制的中频模拟目标回波信号。调制信号主要有常规脉冲、线性调频等现代雷达常用的信号形式。该雷达模拟器只产生常规脉冲和不同调制度的线性调频信号，但可以通过改变程序产生其他信号形式，模拟信号输出部分通过距离因子衰减器、方位俯仰偏角衰减器等转换，输出和支路、方位差支路、俯仰差支路，用于模拟单脉冲雷达中频模拟信号；电源部分将输入～220 V/50 Hz的市电，转换为模拟器各部分所需要的直流电源。

2 中频雷达模拟器各部分组成及工作原理

2.1 控制部分

模拟器控制部分组成框图如图2所示。模拟器控制部分主要由CPU 板、辅助板组成。CPU 板主要有CPU、接口电路、用于人机界面的键盘和LED显示等组成。

图2 中频雷达模拟器控制部分组成框图

模拟器控制部分的CPU 板采用AT89C51 单片机设计，其外部时钟为12 MHz，用于接收计算机的控制字或通过键盘输入的控制字，并将控制字接收拆解进行目标计算、辅助板控制以及键盘显示控制。人机界面采用专用芯片8279 作为CPU接口、外接键盘及显示控制电路。本设计采用8位LED显示和4×8 触摸式键盘，触摸式键盘用于输入控制命令，使中频模拟器不必与计算机连接也可以与雷达对接，这样携带更方便。LED显示用于显示控制命令以及模拟器工作情况[7]。

辅助板采用大规模可编程逻辑器件(EPLD)EPM7128，最大可用宏单元数为128个，平均延迟时间为7 ns，从而增强了整个系统的实时处理能力。同时，在模拟器中将计算好的和差波束数据保存为.mif文件保存在ROM中，和差波束的模拟通过查表的方式完成。和差波束数据可以通过实测雷达天线得到或通过MATLAB仿真得到[8]。根据目标偏离波束指向的角度计算俯仰支路和方位支路的衰减并控制数控衰减器，即查表查出天线相应位置的幅度值，然后对中频信号进行幅度控制。进行差(包括方位差、俯仰差)信号模拟时，只需对差通道中频信号进行差波束数据调制，即查表查出天线相应位置的数据，对中频信号的幅度进行相应控制即可。

计算机与CPU 板采用串口进行通讯。

计算机与模拟部分采用双绞线(数据信号)和同轴电缆(视频脉冲信号和高频脉冲信号) 2种方式进行连接。

2.2 DDS信号产生器

DDS信号产生器主要用来产生常规脉冲信号或不同调制度的线性扫频信号。本设计采用ADI 公司生产的AD9858是一款高性能DDS 芯片，它包含一个频率累加器、一个32位的相位累加器、14位的相移调整控制字、一个变换速度高达1 GHz的10位数模变换(DAC)。其内部 DDS 核结构使得AD9858可以完成很多种信号产生，包括单频信号、脉冲调制信号、相位调制信号、线性/非线性扫频信号[5，9]等。同时，高达1 GHz的工作频率使得AD9858最高可以产生高达400 MHz的正弦信号，故AD9858可以用于产生高中频的宽带雷达信号。在使用DDS芯片的雷达模拟器中，有一种常用的脉冲调制方法是在DDS 芯片的输出端增加1个模拟开关或数控衰减器[8]。工作时，DDS 输出端始终输出信号——模拟开关打开时，DDS 输出端输出信号送到后级电路；当开关关闭时，DDS 输出端输出信号被隔断，从而产生所需要的脉冲。这种方法控制简单，易于实现，所获得脉冲相位连续。缺点是增加了硬件，而且开关的隔离度、响应时间和开关速度也影响产生脉冲的质量。另一种被使用过的脉冲调制方法是采用控制DDS 芯片内部相位累加器的办法来获得脉冲信号[3，5]，即在信号产生起始时刻配置DDS 芯片内部寄存器，使相位累加器工作，从而产生出期望频率的信号；在信号结束时，重新配置DDS 内部寄存器，中止相位累加器的工作，使输出保持在0相位上，而A/D 输出则变成0 电平，从而产生出期望的脉冲信号。本设计采用后一种设计方法，其信号实现方法如下：

1)固定中频。选择AD9858的相位控制字，即可产生所需的中频信号。在距离延迟同步脉冲的启动下，经过脉冲调制，即可生成未经压缩的脉冲调制信号。

2)线性调频。选择AD9858的频率控制字，设置频率累加器的起始频率控制字和结束频率控制字，并根据调频斜率设置步进频率和步进值，在距离延迟同步脉冲的作用下，即可产生所需要的线性调频信号。

3)运动目标。当目标相对雷达作径向运动时，目标回波产生多普勒的频移，雷达通过测量多普勒频率或目标在距离上的时间变化率的方法进行测速，因而目标速度的物理特性模拟就是多普勒频率的模拟。无论是固定中频还是线性调频信号，通过选择AD9858的频率控制字，在原有基础上，使设置频率累加器的起始频率增加一个多普勒频率值fd。同样，在结束频率也增加一个多普勒频率值fd。

2.3 模拟信号输出

模拟器模拟信号输出部分主要由3 路功分器、6位数控衰减器、8位数控移相器和滤波驱动等组成，用于产生单脉冲体制下的一组和、差模拟中频固定目标回波信号，或一组和、差模拟中频动目标回波信号。原理框图如图3所示。

图3 模拟器模拟信号输出部分原理框图

DDS信号产生器输出的模拟中频信号送给HE751 六位数控衰减器，63 dB数控衰减器的衰减量受控于辅助板控制字，用于模拟距离对回波的影响。输出目标信号加到功分器，功分器的组成框图如图4所示。目标信号经二功分器，分成2 路信号分别加到2个型号为MAV-11的放大器上，每个放大器后接一个跟随器，再将放大跟随信号分别加到2个二功分器上形成4路信号，1路信号可供监测用，其它3 路分别送到和支路、差一支路以及差二支路，用于分别模拟回波信号的和信号、方位差信号、俯仰差信号。

图4 功分器的组成框图

功分器输出目标信号加到和支路送到HE411A电压控制衰减器(用于调整和支路、差一支路、差二支路之间的幅度平衡)；再经滤波加到驱动产生单脉冲和信号，压控衰减器受辅助板和波束数据的控制，用于模拟输出和信号随角度变化情况。

功分器输出目标信号加到方位差支路送到HE411A 电压控制衰减器(用于调整差一支路、和支路、差二支路之间的幅度平衡)；再送到8位数控移相器(用于调整差一支路、和支路、差二支路之间的相位平衡)，数控移相器输出经滤波后加到驱动产生单脉冲方位差信号，压控衰减器的控制受辅助板方位差波束数据的控制，用于模拟输出方位差信号随角度变化情况。

功分器输出目标信号加到俯仰差支路送到HE411A电压控制衰减器(用于调整差一支路、和支路、差二支路之间的幅度平衡)；再送到8位数控移相器(用于调整差一支路、和支路、差二支路之间的相位平衡)，数控移相器输出经滤波后加到驱动，产生单脉冲俯仰差信号，压控衰减器的控制受辅助板俯仰差波束数据控制(根据目标偏离波束指向的角度计算俯仰支路和方位支路的衰减并控制数控衰减器)，用于模拟输出俯仰差信号随角度变化情况。

3 结论

本文设计的中频雷达模拟器能在计算机或雷达计算机(联机)或人工输入(脱机)控制下，在中频频段上产生模拟目标回波的和差三通道信号。因此，可在雷达无须加高压、无须真实目标配合情况下，对雷达系统进行性能测试、精度检查。同时，这些模拟信号也可用于测量雷达自动化监测、模拟实验、分系统对接实验及培养操作人员。因此，该中频雷达模拟器具有较高的经济意义和工程应用价值。

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