一种通用多功能雷达信号波形发生器设计

刘心成　王江展　刁丹丹　王晓东

摘要：本文给出了一种通用多功能雷达信号波形发生器的设计，它能够完成线性调频、相位编码及其组合信号等多模式雷达中频发射信号和雷达中频回波模拟信号发生，雷达其他各分机控制和故障的实时监测，发射功率管理与监测等功能；模块设计有RS422串口，可以灵活地实现工作模式切换和参数修改等功能；该模块控制灵活、集成度高，已成功应用于多型雷达。

关键词：通用多功能 信号发生 分机控制 故障和功率监测

中图分类号：TN743 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0189-03

Abstract：In this paper， a general method for a design of multifunction radar signal waveform generator is presented， which can accomplish multi-mode intermediate frequency signal generation of radar signal and radar simulative echo signal， such as the linear frequency modulation signal， the phase coded signal， and combination of these signals； The generator also functions as control and failure real-time monitoring of radar other extensions， radar power management and monitoring， and so on； Besides， a RS422 serial port is included， which flexibly realizes working mode switching and parameter modification and so on； The module is flexible and highly integrated， has been successfully used in many models of radar.

Key Words：General and multifunction； Signal generation； Control of other extensions； Failure and power monitoring

随着雷达技术的发展，现代雷达一般都要求具备反地物、抗积极和消极干扰的能力，从而要求雷达信号发生装置具有多波形、多时宽带宽选择、快速频率捷变和波形捷变的能力[1]；同时随着部队信息化建设步伐的加快，新型装备从立项研发到形成战斗力的时间越来越短，这就给产品的研发提出了新的挑战；基于此，本文提出了一种通用多功能雷达信号波形发生器的设计，采用FPGA+DDS架构，实现以下功能：

（1）产生多种形式雷达发射信号。雷达信号波形设计是现代雷达系统设计中最为重要的一环，通常都要求发射信号具有多种形式[2]；本设计基于AD9910能够产生不同时宽带宽的线性调频信、非线性调频信号、单频信号、相位编码信号、组合信号等雷达发射信号，具备快速的波形和码型捷变能力。

（2）产生雷达回波模拟信号。雷达各分机的研制往往是并行的，如果天线没有做好，得不到雷达回波数据，信号处理调试就无法进行。本设计提供了一种可编程雷达回波信号模拟方案，能够灵活地调节回波信号的延时、多普勒频移和中频调制频率等[3]，为信号处理调试提供较为全面的测试环境，从而加快雷达研制进度，提高工作效率。

（3）分机控制和测试验收。利用FPGA丰富的I/O资源，本设计能够实现对雷达其他分机的控制，修改工作参数，变换工作模式。本模块同时设计有多种雷达系统测试模式，通过切换不同的模式，能够单独对雷达各分机进行功能测试和指标验收，为雷达系统调试和研制提供便利。

（4）故障监测与定位。本设计能够实时获取雷达其他各分机的故障状态，并按照通信协议上报，实现对分机故障的实时监测；一旦显示分机故障，还可以切换到相应测试模式对故障做进一步的排查和确认。

（5）发射功率管理与监视。本设计能够实现雷达发射功率的在线修改，进而针对不同类型的目标合理分配发射功率；并集成了一路AD，对雷达发射机实际输出功率进行采集上报，实现发射功率的在线监测。

1 设计实现

1.1 硬件构成

雷达信号波形发生器硬件构成如图1所示，主要包括复位、时钟管理、RS422通信、分机控制、DDS信号发生、发射功率管理与监测、电源管理等模块；雷达信号波形发生器通过RS422异步串口与上位机进行通信，缓存上位机下发的控制指令并解析，进而实现雷达工作参数修改、工作模式切换、DDS控制与中频信号发生、分机控制等功能；并通过串口将分机故障状态和发射功率上报给上位机，实现对分机故障状态和发射功率的实时监测。

设计中FPGA和AD9910的时钟输入分别为20MHz晶振及其同步时钟DDS_CLK输入、外接同步时钟CLK1和CLK2输入可选，AM26LV31和AM26LV32实现异步串行通信协议到RS422通信协议变换，AD9910、声表滤波器、TT型网络和运算放大器共同实现多模式雷达中频信号发生、谐波和杂散分量的滤波与抑制、中频信号的功率放大等功能，4片74LV4245实现雷达信号波形发生器与雷达功放、频综、接收机等分机之间的控制信号交互。

1.2 软件设计

软件设计是基于FPGA的设计，包括时钟变换、异步串行通信、中频信号发生、分机控制信号产生和故障及功率监测等五模块，其中多模式中频信号发生是设计的重点与难点；整个软件设计流程图如图2所示。

设备上电后首先进行系统初始化，包括串口初始化和雷达其他各分机控制端口初始化等。然后等待上位机下发控制指令，一旦正确地接收到控制指令，串口模块会自动进行指令解析，并判断各指令字是否改变；如有改变就锁存新的指令字，并产生相应的标志位，随后程序会根据工作模式和工作波形选择等指令字产生相应的分机控制信号，控制DDS产生相应雷达中频发射或回波模拟信号，并将分机故障状态和当前的发射功率整合上报；如果没有指令字改变，程序将直接跳转到状态上报模块，上报分机的故障和发射功率。

1.3 通用性设计

在设计之初本模块就特别注重软硬件的通用性设计，详细如下：

（1）通信控制功能设计。本设计采用RS42异步串口实现多种控制功能和工作模式切换；RS422异步串口接收上位机下发的工作模式、信号波形形式和参数等指令信息，解析后提取有效信息分发给各子功能模块，进而实现雷达工作参数修改、工作模式切换、DDS控制与中频信号发生、分机控制等功能。RS422异步串口作为一种简单、方便、实用的通信接口，其通用性和灵活性很好地满足设计的要求。

（2）时钟设计。该信号发生器与整个雷达系统是相参的，以保证与整个雷达系统同步工作[4]；本模块需要两个相参时钟，采用晶振和外接同步时钟融合设计的方式，具有以下优势：一是方便调试，采用板上晶振+FPGA倍频方式即可完成软硬件调试；二是故障排查和定位，雷达通常采用同一个高稳定时钟源给所有分机提供基准时钟，如果时钟源故障，所有分机异常，而此时又没有两个外同步信号源，就无法进一步分离和定位雷达的故障源。

（3）DDS的滤波与放大。DDS输出信号需要外接滤波器滤除带外杂散[5]，设计时采用通用封装滤波器，当输出信号中心频率和带宽改变时，直接更换即可；DDS输出信号功率有限，通过在DDS输出放大器的前段和后端增加Π型网络，可以方便地调节DDS的输出信号功率，以适用不同的频率扩展单元，提高系统的通用性。

（4）频带扩展。DDS最高输出频率有限，实际应用中一般都需要外接频率扩展单元变频至需要的工作频段；系统设计时可选用通用高性能频率综合器进行频带扩展以适用于多型雷达。

（5）其他设计。硬件上采用FPGA+DDS结构，可以灵活地产生各种复杂的雷达信号，降低硬件设计的复杂度；利用FPGA丰富的I/O资源，给雷达各分机预留足够接口，并兼容各种常用接口电平规范等；软件上采用硬件描述语言，可以通过重配置逻辑电路产生不同时宽、不同带宽、不同类型的雷达信号[6]；同时使用串口主控模块功能，实现不同的功能只需要发送相应控制码即可。

2 实验测试

图3为13位巴克码相位编码调制信号时域波形，图4是实测的511位m序列码相位编码调制信号频谱图；图5是140MHz中心频率，10MHz带宽，30us时宽的线性调频信号时频曲线，图6为140MHz中心频率，10MHz带宽，30us时宽的线性调频信号的频谱图。

由测试结果可以看出，本设计产生的相位编码信号波形、频谱良好，并可通过修改参数实现码元宽度和码型的任意可变；产生的线性调频信号的时频曲线具有较好的线性度，信号带宽和时宽均满足设计要求；限于篇幅关系，本文并未给出其他波形设计的信号谱图；但经过实测，本设计能够根据需要产生各种雷达信号波形和分机控制信号，能够很好地满足工程应用的需要。

3 结语

本模块采用FPGA+DDS设计方案，可产生多种雷达信号波形，是集雷达信号发生、分机控制与调试、故障监测、发射功率管理与监测于一体，且通过通用的频带扩展单元能够供多频段雷达使用，具有较强的通用性和实用性，已经成功应用于多型雷达，并申请了实用新型专利。模块控制灵活、集成度高，为雷达信号波形设计、雷达系统研制和调试提供便利，具有较高的工程应用价值。

参考文献

[1]王建军，姒强，吕幼新.多功能雷达信号产生器的设计与实现[J].中国雷达，2009（4）：56-59.

[2]姒强.一种基于中频采样的雷达数字波形产生方法研究[D].成都：电子科技大学，2004.

[3]杨鸿鹄，许蕴山，夏海宝，等.基于FPGA+DSP的雷达回波发生器设计[J].电子技术应用，2009，（12）：57-60.

[4]袁辉.基于FPGA的数字信号发生器的设计与实现[J].电子技术应用，2011，（9）：67-69.

[5]汤励，曲秀杰.基于DDS的高可靠性雷达信号发生器设计与实现[J].现代雷达，2012，（11）：73-75.

[6]向道朴，黎向阳，孟宪海.一种通用雷达回波模拟器的设计与实现[J].现代雷达，2007，（10）：84-86.