雷达压制式干扰信号的研究与FPGA设计

创新者：龙 凯 龚 望 张 宇

雷达压制式干扰信号的研究与FPGA设计

创新者：龙 凯 龚 望 张 宇

本文研究了雷达压制式干扰基带信号的FPGA设计与实现。使用直接数字式频率合成器（DDS）技术产生正弦载波，再使用一系列的数字处理技术对载波处理得到噪声压制干扰信号。FPGA通过串口从上位机获取控制参数，这些干扰波形在基带单元的FPGA内计算生成，系统将根据控制参数产生对应的噪声类型，最后经过脉冲信号调制、数模转换、上变频及功率放大，得到射频噪声压制干扰信号。

自雷达问世以来，雷达对抗技术的研究持续至今。而随着信息化战争的提出，雷达干扰和抗干扰的斗争必将愈演愈烈。压制干扰是一种使发射的大功率的噪声信号经过敌方雷达接收天线进入敌方雷达接收机的干扰技术。雷达接收机系统内部存在无法消除的内部噪声，内部噪声一直是影响雷达性能的主要因素。雷达作用距离、发现概率、测量精度都是雷达性能的重要指标，压制干扰的目的就是通过噪声使敌方雷达不能正常工作，这是一种通用性很强的干扰技术，在雷达对抗中得到广泛应用。压制干扰对敌方雷达信息要求较低，使其得到广泛应用。本文采用Xilinx Spartan3E-500E平台实现压制干扰的基带信号。

压制干扰系统整体设计

噪声压制干扰波形利用数字方式产生，最后进过DA变换、上变频及功率放大控制后，得到射频噪声压制干扰信号。压制干扰系统主要由直接数字式频率合成器（DDS）、窄带白噪声发生模块、通信模块以及其他稍次要的模块组成。干扰波形在基带单元的FPGA内计算生成，系统将根据控制参数产生对应的噪声类型。

压制干扰系统的具体设计

载波信号

一般来说，数字射频系统实现的难度大，价格昂贵，所以实用的射频系统大多都是模拟系统。由傅立叶级数可知，任何一个信号都可以由一连串的正弦信号经过叠加得到，所以选择正弦信号作为压制干扰载波信号。

常用的使用FPGA产生正弦波的方法主要是CORDIC算法和DDS技术。CORDIC是一种迭代算法，通过使用移位和加法求解函数值。DDS技术是一项关键的数字化技术。DDS主要由累加器、加法器、查找表组成，频率控制字和相位控制字最终都映射到了对查找表地址控制上。查找表中存储一个完整周期的正弦波数字信号，根据相位控制字和频率控制字得到地址。运用DDS技术产生正弦波和使用CORDIC算法产生正弦波相比，DDS对输出波形的频率和相位控制更为方便，响应时间短，频率分辨率高（与查找表深度有关），输出信号稳定度高，即使在频率改变过程中仍能够保证输出信号相位连续，易集成。DDS凭借这些优势，超越了传统频率合成技术，在现代数字电子系统中得到广泛应用。

M为频率控制字，控制正弦波的频率。P为相位控制字，对正弦波相位进行调整。累加器在时钟沿触发下，以步长M递增，加法器把累加器的输出值和相位控制字相加，得到正弦波新的相位。由于查找表中已存储正弦波一个完整周期的采样点，这些采样点实际上就是正弦波在不同相位的采样值。为了使加法器输出值能与查找表一一对应，常常把地址控制参数的位宽设置成与查找表深度位宽一致。这样直接数字式频率合成器波的相位映射成了查找表的地址，查找表输出相应输入地址对应的数据，即为正弦波某相位的值。查找表地址计算方法：

输出信号频率fout计算方法：

图1　DDS系统基本原理图

fclk是查找表输入时钟频率，n是查找表地址线位宽。

对于频率控制字M固定不变，通常称为点频信号。在DDS输出点频信号的基础上使频率控制字在一定范围内呈现周期性变化，就实现了扫频信号。常用扫频方式有线性扫频、指数扫频、三角扫频，响应的频率控制字以线性、指数、三角规律变化。

调频信号，也可以利用DDS产生。用调制信号控制频率控制字就可以实现调频，扫频也是一种线性调频。

窄带噪声

根据极限中心定理知道随机过程服从高斯分布。通信系统内的主要噪声热噪声和散弹噪声也叫做高斯噪声。理想白噪声的功率谱密度Pn（ω）在（）整个频率范围内都是均匀分布，为了使用白噪声模型对实际噪声做近似处理，只要噪声功率谱宽度远大于它作用的系统，在系统带通范围内功率谱密度基本是常数，这样的噪声就作为白噪声处理。使用随机过程来产生噪声，常用的实现方法有物理方法和数学方法。物理法需要安装物理随机数发生器，随机数发生器增加了额外的成本，也不利于FPGA实现。FPGA具有丰富的逻辑资源，使用数序方法产生随机数更加方便。使用数学法产生的随机数虽然是伪随机数，但是只要选取合适的参数，能够使得伪随机数的周期足够大，能进行白噪声近似处理。

M序列是一种广泛应用的伪随机序列。本原多项式使线性反馈移位寄存器的输出序列为M序列，可通过查本原多项式系数表得到本原多项式的系数。n级反馈线性移位寄存器的最大周期为：

图2就是一个本原多项式参数为八进制23的线性反馈移位序列。如果移位寄存器初始状态为1100，输出（A4）M序列为：001111010110010

简单的窄带噪声的实现——可以通过M序列产生的伪随机序列得到的白噪声再通过一个带通滤波器实现，噪声带宽由加载的滤波器系数决定。

图2　线性反馈移位示例

RS232是最常用的异步串行通信接口，通信距离一般不超过15m。RS232数据发送规则：（1）在发送有效的数据前会发送一个逻辑“0”，表示数据开始。（2）在结束发送有效数据之后会一直发送逻辑“1”。（3）发送数据是从低比特位向高比特位发送。数据接收方可以在未接收数据的时候一直检测数据起始标志（从逻辑“1”到逻辑“0”的跳变）来接收有效数据。接收有效数据之后，把参数传递给控制字计算模块，为DDS提供频率控制字。在RS232通信模块中加入数据发送部分，方便上位机用指令读取参数，调试程序。

上位机通过RS232接口发送参数到FPGA，FPGA接收参数后，串口接收模块把控制参数传递到DDS模块，DDS根据相应的参数计算频率控制字和相位控制字，输出对应波形，再经过发射脉冲信号调制、数模转换、射频处理得到射频信号。

结束语

本文针对压制干扰所涉及的各个方面展开了研究，重点研究了压制干扰基带信号的数字产生和数字处理方法，完成了压制干扰基带信号的设计以及FPGA实现，通过示波器或ChipScope观察到FPGA输出控制参数对应的压制干扰信号。

致谢

本文受大学生创新训练项目201410619028资助。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.025