基于A(yíng)D9857的偽隨機碼調相雷達發(fā)射硬件平臺的設計
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近年來(lái)可編程邏輯器件的飛速發(fā)展促進(jìn)了軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展。由于傳統的基于分立器件的雷達發(fā)射和接收系統缺乏靈活性，各項參數不易更改，所以，新一代高頻地波雷達系統將采用基于軟件無(wú)線(xiàn)電思想的發(fā)射和接收通用硬件平臺，實(shí)現雷達工作參數的可編程性，從而實(shí)現不同用途的探測。并且整個(gè)雷達系統將會(huì )考慮進(jìn)一步提高集成度，越來(lái)越多的模塊將會(huì )基于軟件無(wú)線(xiàn)電思想設計。較之上一代高頻地波雷達系統采用的調頻中斷連續波(FMICW)體制，新一代雷達系統采用m系列偽隨機碼調相體制，并且基于 AD9857數字正交上變頻器和VXI總線(xiàn)傳輸模式。本文將重點(diǎn)介紹新一代雷達系統發(fā)射部分硬件平臺中m系列偽隨機碼調相模塊的設計。
1 通用雷達發(fā)射和接收硬件平臺原理
根據本實(shí)驗室研制的高頻地波雷達對測距精度、距離分辨率等雷達參數的要求，新一代高頻地波雷達系統采用40.5MHz的處理中頻，射頻信號頻率為2M~30MHz，接收機的本振頻率為42.5M~70.5MHz，其原理框圖如圖1所示。
雷達發(fā)射過(guò)程：先由可編程邏輯器件(FPGA/CPLD，下同)編程產(chǎn)生一m系列偽隨機碼調相脈沖信號，經(jīng)AD9857數字正交上變頻器上變頻到40.5MHz后，經(jīng)過(guò)濾波、功率放大和混頻后得到射頻信號，再由射頻端電路和功率放大后，饋送到天線(xiàn)發(fā)送出去。雷達接收過(guò)程：天線(xiàn)接收到的回波信號先經(jīng)射頻端電路濾波和放大后，與本振信號混頻得到中頻信號，再經(jīng)濾波放大和模數轉換后送入數字下變頻器降速處理得到低速的數字基帶信號，最后送給可編程邏輯器件進(jìn)行相關(guān)的處理。與此同時(shí)，可編程邏輯器件處理后的信號經(jīng)VXI(VME Extension for Instrumentation)總線(xiàn)送入PC主機。這種設計的最大好處就是發(fā)射脈沖編碼信號由可編程邏輯器件編程產(chǎn)生，修改靈活，并且接收到的回波信號的處理以及和VXI總線(xiàn)的接口電路都可在可編程邏輯器件中一起設計，大大提高了系統的集成度，充分體現了軟件無(wú)線(xiàn)電思想的優(yōu)勢。
2 雷達發(fā)射部分設計
根據上述的雷達發(fā)射原理，基于AD9857數字正交上變頻器的偽隨機碼調相體制雷達發(fā)射部分的設計方法是：整個(gè)設計選用Altera公司的FLEX10K系列芯片，在MAX+PLUSII開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。FLEX10K系列可編程邏輯器件內的設計主要包括：m系列偽隨機碼調相信號系列的產(chǎn)生模塊、AD9857的控制及串口寄存器配置模塊、VXI總線(xiàn)接口模塊三大部分。三大模塊的設計是整個(gè)發(fā)射部分設計的重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)也是關(guān)鍵技術(shù)所在。設計采用硬件編程語(yǔ)言VHDL文本輸入和原理圖輸入相結合的設計方法。發(fā)射部分原理圖如圖2所示。
2.1 FPGA內各模塊的設計
2.1.1 m系列偽隨機碼調相模塊的設計
在通常的單頻脈沖雷達系統中，采用寬度為?子、周期為T(mén)的單脈沖對頻率為f0的正弦或余弦載波進(jìn)行幅度控制得到脈沖調幅波。簡(jiǎn)單的脈沖雷達雖然可以獲得很高的收發(fā)隔離以及很高的距離分辨率，但是它有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，就是距離分辨率和實(shí)際最大探測距離之間存在著(zhù)矛盾。因為如果距離分辨率很高，則發(fā)射脈沖的寬度?子很小，工作比率很低，平均發(fā)射功率也就很低，從而導致實(shí)際探測距離減小[3]。相反，若通過(guò)增大脈沖功率來(lái)提高雷達系統的最大探測距離，則會(huì )增大發(fā)射機的難度，同時(shí)也增加了故障率。
為了解決上述矛盾，因而產(chǎn)生了脈沖壓縮技術(shù)。脈沖壓縮技術(shù)是使雷達系統發(fā)射寬度相對較寬而峰值功率較低的脈沖，利用該技術(shù)既可增大系統的最大探測距離，又不增加發(fā)射機的難度。脈沖壓縮技術(shù)是通過(guò)在發(fā)射部分對載波編碼擴頻，然后在接收機中對回波進(jìn)行壓縮處理實(shí)現的。目前的脈沖壓縮方法一般采用線(xiàn)性調頻中斷連續波(FMICM)和偽隨機碼調相中斷連續波2種波形。新一代高頻地波雷達系統將采用偽隨機碼調相連續波。
在偽隨機碼調相體制中，一般采用m系列的偽隨機碼。m序列是一種相當重要的偽隨機序列，被廣泛地應用在雷達系統和擴頻通信等場(chǎng)合。m系列的特性：(1)具有隨機序列的隨機特性（即統計特性）。(2)是一個(gè)預先可以確定的，并且可以重復實(shí)現的確定序列。(3)有很好的自相關(guān)特性，它的自相關(guān)函數只有2個(gè)不同的值，即有雙值自相關(guān)函數特性。(4)具有相同級數的線(xiàn)性移位寄存器可產(chǎn)生的最長(cháng)序列。本設計采用的就是m系列偽隨機碼。
m系列偽隨機碼調相模塊主要由如圖3所示的部分組成。先由一分頻器產(chǎn)生m 系列產(chǎn)生頻率和調相器的工作頻率。這一部分的設計要綜合考慮其他部分的工作原理。因為調相器中的正弦和余弦采樣離散點(diǎn)值的地址產(chǎn)生頻率要取為m系列產(chǎn)生頻率的100倍，所以分頻器要先使clock進(jìn)行100次分頻，分頻后的頻率作為m系列產(chǎn)生時(shí)鐘頻率，而clock作為正弦和余弦離散采樣點(diǎn)值的取值地址產(chǎn)生頻率。
高頻地波雷達系統中初步采用8級，也就是28－1＝255個(gè)碼長(cháng)的m系列，每片碼元長(cháng)度取為T(mén)e＝64μs。由于級數比較多，所以宜采用文本輸入的方式產(chǎn)生該m系列。根據m序列的特征多項式系數與m序列產(chǎn)生器反饋系數的關(guān)系，可以組成一種各級系數分別是：c0=c4=c5=c6=c8=1，c1=c2=c3=c7=0[4]的8級m序列產(chǎn)生器。
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