基于FPGA的雷達回波實時模擬器的實現(xiàn)

雷達回波模擬器能夠在實驗室環(huán)境下模擬產(chǎn)生雷達實際工作中所接收到的回波信號，在雷達系統(tǒng)設計、調(diào)試、測試、訓練和維護等工作中發(fā)揮著不可替代的作用[1-3]。隨著電子技術(shù)的日益進步，雷達系統(tǒng)正在向多模式、多通道、高分辨等方向發(fā)展，對模擬器的通用性、實時性等指標提出了更高的要求[4]。

模擬器通常可以分為軟件模擬、硬件模擬及軟硬結(jié)合等三種實現(xiàn)方式。軟件模擬具有成本低、靈活性強等優(yōu)點，但實時性差，一般不能直接用于雷達系統(tǒng)的實時調(diào)試和測試[5]。硬件模擬通常采用波存儲回放技術(shù)，實時性好，但通用性差，不能滿足參數(shù)復雜多變的情況[6-7]。軟硬結(jié)合方式以通用計算機為主控平臺，以高性能嵌入式處理器為運算單元,在具有良好實時性的同時，能夠適應復雜的仿真環(huán)境,是應用最為廣泛的模擬方式[5,8]。
FPGA作為高性能數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，在雷達信號模擬中有著巨大的開發(fā)潛能[9-11]。然而，受制于開發(fā)難度與開發(fā)周期，在傳統(tǒng)的模擬器中，FPGA多用于邏輯功能、時序信號和對外接口的控制，其強大的并行處理能力沒有得到充分利用。

本文以FPGA為核心構(gòu)建了一種通用的雷達回波信號實時模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA作為回波信號模擬的運算單元，充分利用了FPGA資源豐富、并行處理能力強的特點，提高了系統(tǒng)的實時性；采用System Generator開發(fā)回波模擬程序，大大降低了開發(fā)難度，并顯著縮短了研制周期。采用標準工業(yè)總線及模塊化設計，通用性、兼容性和可擴展性強，可以應用于不同體制、不同規(guī)模的雷達系統(tǒng)模擬中。

1 系統(tǒng)方案

通用雷達回波實時模擬器（以下簡稱“模擬器”）由上位機、微波鏈路和回波模擬單元組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。上位機實現(xiàn)人機交互、系統(tǒng)控制、狀態(tài)監(jiān)視等功能。微波鏈路包括下變頻和上變頻模塊，用于實現(xiàn)射頻信號與中頻信號的轉(zhuǎn)換。回波模擬單元完成中頻信號采集、數(shù)字下變頻（DDC）、目標模擬、雜波模擬、干擾模擬、數(shù)字上變頻（DUC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換等操作，是整個系統(tǒng)的核心模塊。

模擬器遵循標準結(jié)構(gòu)規(guī)范，采用cPCI標準總線，可根據(jù)實際需求擴展系統(tǒng)規(guī)模，為工程應用提供了便利。為了適應不同速率、不同類型的信號傳輸，系統(tǒng)內(nèi)部采用多種互聯(lián)方式。PCI總線用于傳輸控制命令及慢速信號，自定義總線用于高速數(shù)據(jù)流的傳輸，同步定時總線用于系統(tǒng)的時序控制，如圖2所示。

作為模擬器的重要組成部分，回波模擬單元以高性能FPGA為核心構(gòu)建，用于實現(xiàn)DDC、回波模擬、DUC等功能；同時配以高速A/D和D/A芯片，用于信號采集與回波信號的播放?；夭M單元由多塊信號處理板組成，單板的邏輯框圖如圖3所示，F(xiàn)PGA采用2片Xilinx公司的XC6VLX240T。芯片采用40 nm技術(shù)，密度高、功耗小，片上具有豐富的邏輯和I/O資源，并集成了大量的信號處理單元（DSP48E），能夠滿足復雜的回波模擬運算及對外接口的需求。兩片F(xiàn)PGA通過自定義互聯(lián)接口實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，用于傳輸中間結(jié)果。ADC采用ADC08D1500，最高采樣率可達1.5 GHz，可以滿足中頻寬帶信號的采樣要求。DAC采用ADI公司的AD9736，最高時鐘頻率為1.2 GHz,具有良好的輸出信號性能。


2 FPGA模擬軟件設計與實現(xiàn)

雷達回波信號是目標回波、雜波、干擾以及噪聲等疊加后的結(jié)果。不同的雷達體制，對目標、雜波、噪聲及干擾的建模方法有所不同。對于雷達導引頭，可以僅考慮單點目標，只需模擬目標的速度、加速度、距離和功率等信息即可。對于復雜的高分辨雷達系統(tǒng)，則要求模擬器能夠更為細致地模擬目標回波信號，如動目標、一維距離像及面目標等。

圖4給出了目標回波模擬軟件的功能框圖。該軟件可以模擬點目標以及擴展目標的回波信號。中頻輸入信號在完成DDC后作為回波模擬的基帶基準數(shù)據(jù)，同時用于確定波門和載頻。多普勒計算模塊根據(jù)設定的目標運動信息及測頻結(jié)果計算每個目標的多普勒頻率。波門信息與目標延遲信息相結(jié)合，用于確定回波信號的位置。復乘模塊在基準數(shù)據(jù)上加入延遲、多普勒調(diào)制和幅度調(diào)制后得到基帶回波數(shù)據(jù)，再經(jīng)過DUC后通過DAC播放，即可得到中頻回波數(shù)據(jù)。

由于信號處理板卡具有2片F(xiàn)PGA，因此需要將上述各運算模塊分別映射到相應的FPGA中。如圖4所示，第一個FPGA實現(xiàn)數(shù)字下混頻、測頻、延遲復乘等功能，第二個FPGA實現(xiàn)擴展散射點延遲、各點相對多普勒復乘、數(shù)字上混頻等功能，產(chǎn)生一個簡單目標或一個擴展目標。為了降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期，運算模塊均采用System Generator開發(fā)。

噪聲模擬的實現(xiàn)方法如圖5所示。首先產(chǎn)生高斯白噪聲隨機序列，F(xiàn)FT后根據(jù)噪聲帶寬進行加窗，得到噪聲序列的頻譜，然后做IFFT，得到時域模板序列。對這個模板序列進行隨機移位疊加，最后根據(jù)測頻結(jié)果進行DUC，將噪聲移到一定的載頻上。根據(jù)實際噪聲帶寬的需求，可以選擇不同寬度的窗函數(shù)，控制調(diào)頻噪聲的帶寬。

將上述運算過程生成的目標回波、噪聲、雜波和干擾信號疊加后，即可得到最終的雷達回波信號。

3 系統(tǒng)驗證

分別采用連續(xù)波信號和脈沖信號對系統(tǒng)的功能和性能進行測試。連續(xù)波狀態(tài)下，需要測試模擬器的輸出功率、雜散抑制、動態(tài)范圍、多普勒信號控制性能等指標。脈沖狀態(tài)下，需要測試模擬器的模擬精度、多目標及干擾模擬能力等指標。

圖7給出了連續(xù)波狀態(tài)下某典型頻率的輸出信號實測結(jié)果?？梢钥闯觯敵鳇c頻信號的頻率與輸入信號相差所設定的多普勒頻率，雜散電平很低，滿足一般雷達系統(tǒng)的要求。表1給出了主要指標的實測結(jié)果，包括輸出功率、、雜散抑制、輸出動態(tài)范圍、多普勒信號頻率范圍與多普勒頻率精度等。

圖8給出了脈沖狀態(tài)下的輸出信號，表2給出了主要指標的實測結(jié)果。

本文介紹了一種基于FPGA嵌入式系統(tǒng)的雷達回波實時模擬器。利用FPGA資源豐富、并行運算能力強的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的集成度與實時性；采用System Generator開發(fā)FPGA軟件，大大降低了開發(fā)難度與開發(fā)周期；通過靈活配置FPGA軟件，可以實現(xiàn)不同體制雷達回波的模擬，具有較強的通用性和擴展性。實驗結(jié)果表明，該模擬器能夠滿足雷達系統(tǒng)半實物仿真的需求，其相關(guān)技術(shù)代表了雷達回波模擬器未來發(fā)展的一個方向，并可應用于其他類型的回波模擬中。