雷达信号模拟器的中频信号产生器设计

李诗琪

(西安电子科技大学 电子信息攻防对抗与仿真重点实验室,陕西 西安　71007)



雷达信号模拟器的中频信号产生器设计

李诗琪

(西安电子科技大学 电子信息攻防对抗与仿真重点实验室,陕西 西安71007)

摘要针对侦察系统性能指标的检测,雷达信号模拟器是常用工具,而其以中频信号产生模块为主。采用ADSPBF533与高性能FPGA硬件平台,利用直接数字频率合成技术产生各种雷达中频信号波形数据,生成雷达中频信号,再经过对该中频信号进行变频、放大、滤波,即可形成模拟雷达信号,一个中频信号产生模块包括1块通信控制板和3块中频信号产生模块,并可同时模拟出12部雷达中频信号。

关键词雷达信号模拟器;中频信号产生器;直接数字频率合成

雷达信号环境模拟器能够产生各种类型雷达辐射信号,为电子侦测设备提供大量、复杂、多种类的雷达信号,构建既定的复杂雷达信号的电磁环境,以便准确评估雷达侦察设备的技术战术指标和效能。

1雷达中频信号产生器

在雷达信号环境模拟器的组成中,核心部分就是雷达中频信号产生器。其按雷达信号要求在中频产生各种所需的信号,包括信号的类型、脉冲参数、调制参数、天线扫描参数[1]等,之后再通过变频、放大等步骤实现模拟雷达参数的发射,生成雷达信号模型以供被试设备使用。

1.1中频分系统硬件组成

雷达环境模拟器中频分系统的组成原理如图1所示。

整个系统的工作流程是:通信与控制模块上电查询信号产生板卡编号并轮询自检四通道;再通过SPI串行总线将四通道雷达信号参数全部传送到信号产生板卡的DSP;DSP接受数据、并解析,然后进行预处理和模式选择控制,在FPGA发送的外部中断到来时,将对应通道的参数发送到指定地址中;FPGA接受到对应通道的脉冲参数,利用内部的波形合成模块产生相应的雷达脉冲数字信号,并将其传送给数模转换芯片产生模拟信号;再对模拟信号进行滤波、衰减控制、合路后输出。

雷达中频信号产生器利用DDS技术构建,产生所需要的雷达中频脉冲波形数据。每个雷达中频信号产生器有5个板卡,包括一个通信与控制模块板卡,3个信号产生模块板卡和一块母板。在DSP芯片选型时应考虑芯片的计算速度、运算精度、外部资源、功耗等方面因素,为使处理器各项性能满足雷达信号环境模拟器的设计要求,同时处于功耗和成本方面的考虑,设计选择ADI公司的Blackfin系列DSP芯片BF533来实现数字信号处理功能。

图1　中频分系统组成

Blackfin ADSP-BF533,这是一款高达600 MHz的高性能处理器,包括2个16位MAC,2个40位ALU,并有多个独立的DMA控制器,能以最小的处理器内核开销完成自动的数据传输,有DMA传输能力的外设包括SPORTs、SPI端口、UART和PPI端口。

设计采用Virtex-5系列XC5VLX30芯片作为信号合成模块。Virtex-5系列可提供FPGA市场中最新最强大的功能,可完成各种高级逻辑电路的设计。数/模转换电路是信号生成的关键,其性能直接决定了各通道输出模拟信号的质量。本设计采用AD公司的高速转换芯片AD9739。AD9739为一款14位射频D/A转换器,采样时钟速率最高可达2.5 GHz,采用1.8 V和3.3 V电源供电,AD9739拥有一个可编程SPI接口,可被编程配置,设置不同工作状态。

图2　信号产生板卡实物图

图3　雷达信号环境模拟器组装实物图

1.2中频分系统软件设计

1.2.1信号产生与通信控制模块的通信

DSP与通信控制板的数据通信是通过SPI(串行外设接口)的DMA方式完成的,SPI总线系统是一种同步串行外设接口,其可使DSP与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。该总线系统支持一对多的广播模式,并支持全双工模式,满足本设计中一块通信控制板同时控制3块信号产生板的数据通信方式。SPI接口一般使用4条线:串行时钟线(SCLK)、主机输入从机输出数据线MISO、主机输出从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SPISS。

本设计中将通信控制板的DSP作为主机,3块信号产生板的DSP作为从机。每当通信控制DSP转发上位机设定的雷达信号参数时,波形控制DSP启动SPI的DMA进行数据帧的接收,当所有信息接收完毕后,向通信控制DSP回传一个信号,以确保数据帧接收正常,通信协议的种类包括自检和雷达信号数据的传送,随后对接收到的数据解析,并将解析出的DDS控制字发送给FPGA,以完成系统的自检过程或者产生所需的雷达中频信号。

设置通信控制DSP为主机,波形产生DSP为从机,采用SPI的DMA工作方式。当数据通信发生时,进入DMA的中断程序,在中断服务程序中,将按照通信协议的规定进行数据读取,并针对不同的通信协议进行回传。

图4　DMA配置程序图

DMA中短程服务程序为一状态机,其状态如图5所示。

图5　DMA中断服务程序状态机

如图所示,state0用来判断开始标志;state1储存数组长度,用来判断协议长度,协议分为3种:查询信号板编号、雷达信号数据、自检,不同的协议类型其数据长度也不同;state2用来存储接收到的每个字节数据;state3判断是否收到结束标志,同时根据state1中length的长度,判断最后一位接收到的数据是否为结束标志,以判断数据接收是否有遗漏或错误[2]。

1.2.2雷达信号波形的产生

中频分系统的关键是雷达信号波形产生模块,其利用DDS技术构建,包括DDS和DDS控制器两个主要部分。在DDS控制器的控制下,产生所需的雷达中频脉冲波形数据。DDS控制器接收波形控制DSP的雷达信号参数和雷达脉冲描述字,形成DDS的控制参数和时序控制参数,并分别传送到波形产生DDS和时序产生单元,产生给定的中频脉冲波形数据,然后进行天线扫描调制,形成中频脉冲。中频脉冲波形经过滤波、幅度控制后送给信号合成模块[3]。

雷达中频信号产生模块基于高性能FPGA实现,采用全数字化雷达波形产生技术,具有灵活、强大的波形产生能力和广泛的适应性。DSP与FPGA之间的通信是通过外部总线(EBIU)完成的。DSP需要为每一个雷达脉冲信号准备参数并发送,FPGA通过给DSP发送一个中断来控制参数发送的时间,当DSP与FPGA的通信建立后,FPGA将在每个脉冲重复周期向DSP发送中断,请求DSP向其发送已解析后的雷达模拟信号或自检命令等信息,中断请求来自DSP的pF8口,每当中断到来时,将在程序中将相应标志位置位,之后依照标志位执行参数传递操作[4]。

图6　FPGA中断服务程序

由于四通道相互独立,所以需要为每一通道指定地址空间,DSP只需将数据放入对应的地址即可完成该通道的数据通信。本设计中为四通道在外部总线中划分的地址空间分别为:0x20106000,0x20106200,0x20106400,0x20106600。以第一通道为例,表1为DSP与FPGA数据通信地址分配。

表1　DSP与FPGA数据通信地址分配

雷达信号产生模块基于DDS技术产生雷达脉冲信号[5-7],其组成原理如图7所示。

2DDS的基本原理

本文以余弦信号的产生为例来说明DDS的基本原理。设有一个频率为f的余弦信号s(t)

s(t)=cos(2πft)

(1)

以采样频率fc对该信号进行采样,得到离散序列为

s(n)=ZEE(2πfnTc),n=0,1,2,…

(2)

其中,Tc=1/fc为采样周期。式(2)所对应的相位序列为

φ(n)=2πfnTc,n=0,1,2,…

(3)

该相位序列的显著特性就是线性特性,即相邻采样值之间的相位增量是一常数,且仅与信号频率f有关,即相位增量为

Δφ(n)=2πfTc

(4)

因感兴趣的频率f与采样频率fc之间满足

(5)

其中,K和M为两个正整数,所以相位增量可写为

(6)

图7　雷达信号产生模块组成原理

由上式可知,若将2π的相位均匀量化为M等分,则频率为f=(k/M)·fc的余弦信号以频率fc采样后,其量化序列的样本之间的量化相位增量为一定值k。根据以上原理,若用不变量k构造一个量化序列

φ(n)=nK

(7)

然后完成φ(n)到另一序列s(n)的映射,即由φ(n)构造序列

(8)

式(8)是连续时间信号s(t)经采样频率为fc采样后的离散时间序列。根据采样定理,当满足条件

(9)

时,s(n)经过低通滤波器平滑后,可唯一恢复出s(t)。

可见,通过上述变换,不变量K将唯一确定一个单频模拟余弦信号,该信号频率为

(10)

式(10)就是直接数字频率合成(DDS)的方程,在实际DDS中,一般取M=2N,N为正整数,于是DDS方程可写成

(11)

由上述分析得到,DDS可由下列两次变换来实现:(1)从不变量K以时钟fc产生量化的相位序列。这个过程一般由一个以fc作时钟的K位相位累加器实现;(2)从离散量化的相位序列产生对应的正弦信号的离散幅度序列。

将量化的数字波形经模数(D/a)转换,再通过低通滤波器LPF得到频率为f0的余弦信号。不变量K被称为相位增量,也称为频率控制字。当K=1时,DDS输出最低频率为fc/2N。因此,只要N足够大,DDS可得到较细的频率间隔,要改变DDS的输出频率,只要改变频率控制字K即可。

DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定,即fc/2,即K的最大值为2N-1。DDS可轻易实现正弦信号和余弦信号正交两路输出,这只需用相位累加器的输出同时驱动固化有正弦和余弦信号波形的ROM,并各自经D/a转换器和低通滤波器输出即可[8-9]。

3中频分系统输出结果测试

(1)单频信号特性测试。

图8　200 MHz的单频信号

从示波器显示图中可看出模拟器合成出了标准的200 MHz正弦波形,并且脉冲参数均符合测试要求。

(2)四通道在不同调制模式下的雷达脉冲。

图9　不同调制模式下的雷达脉冲

如图9所示,第一通道为频率脉组捷变、固定重频的脉冲信号,组长为4;第二通道为频率脉间捷变,固定重频信号,可看到相邻脉冲之间频率不同,且变化无规律;第三通道为频率固定,重频参差信号,组间重频周期变化;第四通道为重频抖动调制。可看出本设计能实现多种雷达信号的模拟,且四通道之间调制模式互不干扰,完全独立。

4结束语

设计一部好的雷达环境模拟器其重点在于设计工作性能良好的中频信号产生模块,本文中所述的中频信号模块通过SPI端口的DMA与通信控制模块通信,能将大量、复杂的通信协议内容准确传送,解析后可完成系统整体自检或者给FPGA发送相应DDS控制字,并在单片DSP和FPGA芯片上真正实现四通道相互独立,大幅节省了资源和成本,使得雷达信号模拟器的辐射源数量得以增加,可更好地模拟各种雷达信号掺杂的复杂战场环境。

参考文献

[1]丁鹭飞,耿富录,陈建春.雷达原理[M].4版.北京:电子工业出版社,2009.

[2]赵国庆.雷达对抗原理[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2012.

[3]朱吉霞.雷达信号分析与仿真实现[D].北京:北京交通大学,2011.

[4]刘兰坤.低杂散雷达信号模拟器的设计与实验研究[D].秦皇岛:燕山大学,2007.

[5]尹晓锋,姜秋喜,毕大平,等.基于Simulink的天线扫描仿真[J].舰船电子工程,2004,24(5):108-110.

[6]陈杰.电子战中实时模拟高密度多体制雷达脉冲信号产生系统设计[D].南京:南京理工大学,2008.

[7]周静.基于嵌入式系统的雷达信号模拟器显示及控制设计[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[8]王倩,李燕,王虹现,等.基于高速数模转换器的通用雷达信号模拟器的设计[J].电子科技,2008(1):21-24.

[9]卫强.雷达目标模拟器的硬件电路设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2008.

Design of Intermediate Frequency Signal Generator for Radar Signal Simulator

LI Shiqi

(Key Laboratory of Electronic Information Countermeasure and Simulation Technology,Ministry of Education,Xidian University,Xi’an 710071,China)

AbstractThe radar signal simulator is a common tool for the detection of the performance index of the reconnaissance system,and the intermediate frequency signal generator module is the most important part.The ADSPBF533 and high performance FPGA hardware platform are adopted to produce a variety of radar signal waveforms by the technology of direct digital frequency synthesis for generating radar IF signals,which form a simulated radar signal via frequency conversion,amplification,and filtering.A medium frequency signal generating module consists of a communication control board and 3 intermediate frequency signal generating module boards,capable of simulating 12 radar IF signals at one time.

Keywordsradar signal simulator;intermediate frequency signal generator;direct digital frequency synthesize

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.017

收稿日期:2015-09-23

作者简介:李诗琪(1990—),男,硕士研究生。研究方向:雷达对抗与仿真技术。

中图分类号TN957.51

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-058-05