多部不同体制雷达信号源结构与算法设计

兰初军，陆正文

(国营第七二二厂， 广西 桂林 541001)

【装备理论与装备技术】

多部不同体制雷达信号源结构与算法设计

兰初军，陆正文

(国营第七二二厂， 广西 桂林 541001)

提出了一种结构简单、速度快的系统能同时输出多部雷达基带信号。为了达到精准控制信号的输出，采用高速DSP作为数据的主控，并由CPLD直接控制DDS产生雷达基带信号；针对输出多部不同体制雷达基带信号的关键时序问题，使用分时复用算法并建立时间队列长度；另外，采用概率统计论分析脉冲覆盖率，并通过设置脉冲容差以保证信号满足性能指标要求。经测试，证明了系统能输出各种体制脉冲雷达以及连续波基带信号，输出功率为-11 dBm 左右。

雷达基带信号；DDS；分时复用算法

在模拟电子对抗中，雷达模拟器应用广泛。面对复杂多变的环境，出现了多种不同体制雷达。这就需要雷达模拟器能模拟多种体制雷达。不同体制雷达基带信号源的类型也不同。在传统的设计中，产生雷达基带信号源，是通过全模拟电路实现，可靠性、稳定性差，电路体积大。为了解决这个问题，设计中采用DDS(直接数据频率合成器)技术，它基于波形存储器得以实现，并具有频率转换时间短、高精度、稳定性好等优点。目前，DDS技术广泛地被研究与应用。例如，文献[5]提出了一种由单片机与CPLD灵活控制DDS产生所需要的各种雷达信号源；文献[4]应用了DDS技术对雷达回波信号模拟研究。本文研究是在单系统中采用两片DDS同时产生多部雷达基带信号源，其中，通过高速DSP控制保证了系统性能指标要求，在雷达模拟器的应用中发挥了重要作用。

1 系统总体结构

系统硬件结构如图1所示，远程显控终端与DSP互连，用户通过显控终端输入命令控制系统运行状态。DSP与CPLD互连，并对DDS起到间接的控制作用。CPLD与DDS互连起到直接的控制作用，同时控制输出开关。

图1 系统结构

考虑到单片DDS仅能产生8个不同的频率点，当想要产生超过8个频率点时，至少需要2片DDS。设计中应用了2片DDS，通过开关调制并产生所需的全部信号。

1.1 系统通信协议设计

远程显控终端与DSP采用网口进行通信，其发送雷达参数有：雷达数量、PW(脉冲宽度)、频率码和PRI(重复周期)等给DSP，信息以数据报文的格式进行传送，报文格式如图2所示。

图2 报文格式

每个条报文必须有一个报文头字段、报文尾字段 、命令和长度。其中，命令指明了系统执行何种操作，每条报文长度是可变的。

DDS不仅支持并行数据端口操作模式，也支持串行数据端口操作模式。CPLD与DDS通信，应用串口通信，既满足设计要求，又简化了印制板的布线。

1.2 信号源的产生与分析

脉冲信号有线性调频、频率捷变、常规脉冲和相位编码等。系统应用了AD9910芯片作为信号源输出芯片，集成了DDS技术，具有高性能数模转换器以及全数字化编程的高频合成器。它内部提供了8个Profile寄存器，用于控制8个频率点，其输出频率fout由FTW(频率控制字)与输入参考时钟控制。fout、 FTW和fSYSCLK的关系如下：

(1)

fSYSCLK为输入参考时钟，FTW是介于0～231之间的整数。相应地，其输出相位和幅度也是有相应的控制寄存器，见相关文献，这里就不赘述。系统输出信号控制如表1所示。

表1 雷达基带信号源产生方式

不同的雷达基带信号，其信号产生方式有所不同。通过控制开关选择信号的输出，连续波信号由DDS1输出，脉冲信号由DDS2输出。

2 多雷达信号时序算法设计

在本设计中只有一个信号输出通道，对于产生单个雷达基带信号很容易得到满足。然而针对产生多部雷达不同频段基带信号源时，要充分利用信号的占空比，即采用分时复用算法，并通过建立时间队列长度实现。

2.1 建立时间队列长度

所谓的时间队列长度是指在DSP程序中建立一个缓冲，其单元长度的单位为时间的队列。首先接收远程显控终端送来的请求报文。然后从请求报文中提取出多个雷达的PW值及PRI值，并根据这两个值的大小进行排序以及建立时间队列长度。

如图3所示，PRI值最大的雷达插入队列头，反之，插入队尾。每部雷达所占据队列单元长度由各自PW决定。由于执行DSP指令和流水深度带来的延迟，所以每部雷达信号输出时间间隔为Δt要保证各雷达信号输出不覆盖。

图3 时间队列

2.2 基于时间队列多雷达输出时序

若给出雷达1的频段为frequency1，雷达2的频段为frequency2，雷达3的频段为frequency3。其中雷达1的PRI值最大，其次雷达2，最后雷达3，则根据时间队列长度产生的时序如图4所示。

从时间轴看出，雷达PRI最大的基带信号优先输出。反之，最后输出。

图4 多雷达信号输出时序

3 采用概率统计论分析覆盖率

随机过程描述为时间t和随机变量的函数[6]，给定时刻t(常数)，其仅是随机变量的函数，即一个随机事件的问题。输出多部雷达基带信号时，形成密集雷达基带信号流。规定脉冲前沿作为确定时刻t，若此时存在其他雷达脉冲，则脉冲之间产生覆盖。另外必须考虑到同一部雷达脉冲之间不会覆盖，因此应该除去该脉冲所在同部雷达的脉冲。

综上所述，雷达脉冲覆盖的概率为1-(除去本部雷达，所有雷达的脉冲不可能存在的概率)。对于某部雷达脉冲串的占空比，即为该部雷达可能存在的概率。

a=PRI*PW

(2)

脉冲不存在的概率1-a，除去本部雷达，所有雷达存在的概率

(3)

其中，n为雷达的数目，因此可以得到雷达脉冲覆盖的概率为

(4)

显然，随着n的增大，雷达覆盖率随之增大。针对这个问题，设计中设置了脉冲容差S，即

(5)

其中，T实为雷达实际脉宽输出时间，T原为雷达信号原脉宽输出时间。若经计算测得容差值大于给定的标准数值，则停止输出雷达信号，并且反馈给远程显控终端，用户通过显控终端重新设置相应的参数。这样大大地降低了脉冲覆盖率，保证达到多雷达信号输出要求。

4 系统测试与分析

通过板级调试测试设计的正确性，测试过程中DDS使用fSYSCLK为3.5 GHz，使用频谱仪或示波器观测实验结果。

4.1 连续波信号

如图5所示，频谱仪显示的结果是连续正弦波输出频率为1.05 GHz，功率为-11.85 dBm。

图5 连续波信号

4.2 脉冲波信号

如图6所示，系统输出8个频率捷变点，捷变时间为100个CPLD主工作时钟，捷变带宽20 MHz，频率范围950～970 MHz，输出功率为-10.74 dBm。

图6 频率捷变信号

线性调频使用了AD9910芯片内部的斜波发生器产生。配置相应的控制寄存器，产生的线性调频信号如图7所示，频率的下限值为890 MHz，上限值为1 290 MHz，调频带宽400 MHz，调频步进0.1 MHz/ns，输出功率为-10.93 dBm。

图7 线性调频信号

雷达信号源的相位编码有二相和四相。如图8所示，示波器显示二相编码，即 0°和180°。相位的改变周期为100个CPLD主工作时钟。

图8 二相编码信号

5 总结

设计采用DSP+CPLD+DDS架构。应用分时复用算法满足了多雷达信号输出。设计中设置的脉冲容差在一定程度上降低了脉冲覆盖率，但随着输出雷达数量或信号样式的增加，脉冲覆盖率随之加大，因此拟定输出雷达数量、信号样式、DDS数量及开关数量之间的平衡点是进一步深入探讨的问题。

[1] LI G,YU K B.Modeling and Simulation of Coherent Weibull Clutter[J].IEE Proceedings F,1989,136(1):2-12.

[2] CURRIE A，BROWN M A.Wide-swath SAR[J].IEE Proceedings F：Radar and Signal Processing，1992，139(2)：120-145.

[3] PEYTON Z，PEEBLES J R.Radar Principles[M].USA:A Wiley Interscience Publication，2002.

[4] 刘朝军，王伟，邱兆坤，等.基于DDS的宽带雷达回波信号模拟技术研究[J].系统工程与电子技术，2005(9)：1498-1499.

[5] 朱正平，李宁丽，陈锟，等.高频脉冲雷达信号源的设计与实现[J].中南民族大学学报，第30卷1期，2011：76-77.

[6] 国强.雷达信号分选理论研究[M].北京：科学出版社，2010.

[7] 林琳.多模式雷达信号源设计与实现[J].现代电子技术，2014,37(17)：52-53.

[8] ALAMOUTI S M.A simple transmit diversity technique for wireless communications[J].IEEE J.Select.120～123.

[9] 付钧，穆仕博.雷达信号源设计分析[J].信息通信，2015(4)：70～72.

[10]李方慧，王飞.TMS320C6000系列DSPs原理与应用[M].2版.北京：电子工业出版社，2003.

(责任编辑 周江川)

Design of Multiple and Different Radar Signals Source Structure and Algorithm

LAN Chujun, LU Zhengwen

(The State No.722 Factory， Guilin 541001， China)

A fast and simple system that can output simultaneously multiple radar base-band signals is proposed. The DSP is applied to the main control data and the CPLD is applied to control directly DDS，which is to accurate control signal. For the key timing of multiple and different radar，the system adopts time-sharing algorithm and builds the scale of time queue. Besides, probability theory is used to analyze the pulse coverage，and the tolerance defined is guaranteed to satisfy the requirement of performance. Experiment indicates that the power of system output achieve about -11 dBm for the carrier wave or the pulse wave.

radar base-band signal；DDS；time-sharing algorithm

2017-04-15；

2017-05-20

兰初军(1986—)，男，硕士，主要从事电子技术研究与设计。

10.11809/scbgxb2017.08.015

format:LAN Chujun, LU Zhengwen.Design of Multiple and Different Radar Signals Source Structure and Algorithm[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):63-66.

TN957

A

2096-2304(2017)08-0063-04

本文引用格式：兰初军，陆正文.多部不同体制雷达信号源结构与算法设计[J].兵器装备工程学报，2017(8):63-66.