基于FPGA雷達多目標模擬器DRFM設計與實(shí)現

DRFM技術(shù)是隨著(zhù)雷達欺騙干擾技術(shù)的提高而發(fā)展起來(lái)的，具有相參捕獲及復制脈沖的能力。目前除了應用于雷達欺騙式干擾外還被廣泛應用于內環(huán)境雷達目標仿真實(shí)驗,為電子對抗、偵查、雷達探測、武器裝備研制、性能實(shí)驗和鑒定提供相應的電磁信號環(huán)境, 以便準確評估武器裝備的技術(shù)指標。因此，DRFM 技術(shù)已成為現代雷達發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)，是武器裝備研制熱點(diǎn)[1-3]。
雷達多目標模擬器用于模擬雷達多目標回波信號，以檢驗被試雷達目標分辨力和多目標處理能力等對戰指標并輔助驗證被試雷達的威力和精度。該文所設計的雷達目標模擬器可模擬在距離、俯仰、方位三維空間上的任意航向的單個(gè)或多個(gè)目標?？梢阅M地雜波、固定雜波干擾及噪聲效應等環(huán)境條件的功能；其中雷達模擬信號形式有：?jiǎn)蚊}沖調制信號、脈沖壓縮信號、線(xiàn)性調頻信號(LFM)和連續波信號。而在所設計的雷達多目標模擬器中，DRFM單元是模擬器的核心部件，它完成對雷達中頻信號的存儲、重構和時(shí)間、頻率與幅度的調制，是產(chǎn)生相參的各種目標運動(dòng)回波和雜波的基礎。該文以高性能FPGA與DSP作為信號處理芯片，提出了一種高性能DRFM設計方案并對其設計進(jìn)行分析與實(shí)現。
1 系統硬件實(shí)現
在以往設計方案中,主要采用多DSP以及大規?？删幊踢壿嬈骷透咚俅鎯π酒慕Y構[4-5]。而輻射式雷達多目標模擬器的DRFM設計對硬件的處理能力提出了較高的要求。隨著(zhù)FPGA性能的提高，在完成普通邏輯功能的同時(shí)，能夠完成多片通用DSP并行處理的功能,并帶有大容量?jì)炔看鎯ζ骱拓S富的輸入輸出接口，從而為基于DRFM的多目標雷達模擬器的實(shí)現提供了新的解決方案。DRFM單元工作流程如圖1所示。

首先干擾產(chǎn)生電路收到外部控制信號，或者根據內部預置干擾參數，引導頻率合成器切換到合適的下變頻本振，使下變頻組件輸出頻率處于設計要求的范圍內，數字射頻存儲器的輸入信號送到相關(guān)瞬時(shí)帶寬數字存儲器進(jìn)行存儲，然后根據干擾樣式控制相關(guān)瞬時(shí)帶寬數字存儲器進(jìn)行信號還原，同時(shí)根據干擾方式，控制輸出信號加上各種調制，包括多普勒頻移、窄帶噪聲調制等，形成干擾調制信號，控制頻率合成器切換到合適的上變頻本振，把干擾調制信號進(jìn)行上變頻混頻，完成對輸入信號的還原過(guò)程。整個(gè)處理系統的設計都是基于A(yíng)/D轉換器以及變頻處理的特性、功能而設計的。
1.1 A/D轉換器
對中頻信號進(jìn)行數字化不同于一般工程中的模數變換，要求其具有相當高的采樣頻率、位數和一定的動(dòng)態(tài)范圍。這主要為了在預先進(jìn)行增益處理的情況下，能夠盡可能減小數據的失真。理論上A/D變換器的速度和精度越高越好，但在實(shí)際設計中，還要考慮A/D變換器的技術(shù)水平。指標中對于A(yíng)/D性能要求：采樣率≥120 MS/s； SNR≥60 dB；量化位數≥14 bit。綜合考慮采樣率、器件特性、性?xún)r(jià)比等各方面因素，選用了AD公司的 AD9254，該轉換芯片是一種高速、高性能、單片集成的14 bit模數轉換器，其最高采樣率為150 MS/s。同多數高速、高動(dòng)態(tài)范圍的ADC一樣，采用差分模擬輸入。模擬信號采用差分輸入最主要的一點(diǎn)就是差分結構對模擬輸入信號的偶次諧波有較高的抑制性。
1.2 D/A轉換器
該設計中要求在完成增加目標信號處理后，把得到的結果經(jīng)過(guò)上變頻后還原成相應的中頻信號，使得中頻采樣電路提供于整體系統，因此選擇的D/A轉換器要與之相適應。指標要求：更新速率≥120 MS/s；SNR≥50 dB；量化位數≥14 bit。通過(guò)比較多種D/A器件，最終采用TI公司的DAC5672，其最高更新速率為275 MS/s、高諧波抑制比、低干擾、低功耗、雙通道。在其模擬輸出端利用RF變壓器可以很方便地把差分輸出信號變成單端輸出信號，同時(shí)能夠獲得較好的動(dòng)態(tài)特性。對于RF變壓器的選擇,要根據輸出信號的頻譜以及阻抗特性要求。這種信號輸出方式的配置，可以明顯地減弱共模信號，從而在一個(gè)較寬的頻率范圍內改善動(dòng)態(tài)特性。而且合理選擇變壓器的變壓比例，可以使其在獲得所需要的阻抗匹配的同時(shí)，獲得所需要的輸出電壓。
1.3 變頻處理選擇
變頻處理是DRFM系統中計算量較大的一項工作，可以通過(guò)FPGA或專(zhuān)用芯片等硬件實(shí)現。由于當數據處理速率較高時(shí)利用FPGA實(shí)現變頻功能的性能不如專(zhuān)用變頻器件。因此本設計使用專(zhuān)用變頻器件完成數字混頻、濾波以及抽取(插值)等一系列變頻處理工作。
1.4 輸入輸出接口
在系統設計中配備了高速的數據輸入輸出接口，方便與高速數據輸出卡 PCI調試使用，從而使系統具有很強的調試性、可檢測性和可擴展性。經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，該輸入輸出接口傳輸速率可以達到 80 MB/s。高速數據接口帶來(lái)的好處是可以把信號處理的結果直接傳送給計算機做進(jìn)一步的分析。同時(shí)為了增強系統的應用性以及兼容性，還增加了RS-422等擴展接口，以及按鈕、撥碼開(kāi)關(guān)、LED指示燈等輸入輸出設備。
2 系統軟件開(kāi)發(fā)
DRFM主要用于完成對雷達射頻信號的采集、存儲和還原功能。由于數字存儲器對中頻輸入信號進(jìn)行濾波、高速采樣量化后的數字信號速率與雙口存儲器的速率不匹配，因此通過(guò)降速電路降低數字信號的速率。本文采用ALTERA公司的STRATIX系列FPGA，并調用它的IP核對數據進(jìn)行升降速；干擾產(chǎn)生器的所有電路都要根據配置寄存器的參數進(jìn)行工作。通過(guò)修改相應配置寄存器的參數，可以完成不同的干擾樣式，實(shí)現不同的邏輯功能；在欺騙式干擾方式下，干擾產(chǎn)生器依據配置寄存器的參數，由門(mén)限電路選擇適合條件的脈沖信號進(jìn)行采集并存儲，根據配置寄存器參數，對雷達視頻脈沖進(jìn)行相應的延時(shí)，產(chǎn)生DRFM的數據復制信號，控制DRFM的D/A轉換器工作，產(chǎn)生中頻脈沖信號，從而實(shí)現距離拖引干擾。根據配置寄存器參數控制DDS，產(chǎn)生相應的多普勒頻移信號，經(jīng)混頻電路處理后，實(shí)現速度拖引干擾或目標速度模擬；在噪聲干擾方式下，主要依靠實(shí)時(shí)改變DDS調制頻率，模擬出一定帶寬的掃頻信號，通過(guò)混頻方式加到復制信號上，達到噪聲疊加的效果。各種模擬方式的實(shí)現如圖2所示。

在設計中需要捷變頻本振用于產(chǎn)生幾組快速變頻信號源，從而為系統提供本振信號。該電路主要由DDS及開(kāi)關(guān)控制部件組成，其中開(kāi)關(guān)控制組成框圖如圖3所示。

3 工程實(shí)現與分析
為了進(jìn)一步驗證所設計系統滿(mǎn)足設計要求,在室內條件下進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗。這里針對距離跟蹤以及回波脈寬時(shí)間兩個(gè)指標進(jìn)行了驗證。將本系統裝入對抗整機后，通過(guò)QuartusⅡ軟件的在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測信號，得到距離跟蹤實(shí)驗結果如圖4所示。圖中CLK是100 MHz時(shí)鐘信號，可以使用Agilent 公司生產(chǎn)的 E8257D(250 kHz～40 GHz)作為實(shí)驗時(shí)模擬的被試雷達，并按要求產(chǎn)生相應的脈沖雷達信號。具體分析雷達多目標模擬器DRFM單元輸出的回波信號時(shí)可利用Agilent公司的相應分析儀來(lái)觀(guān)測。圖5為雷達多目標模擬器根據接收到的雷達信號模擬產(chǎn)生目標回波脈寬的實(shí)驗結果。

DRFM技術(shù)已經(jīng)成為雷達領(lǐng)域的主要應用技術(shù)之一。該文針對雷達多目標模擬器 DRFM 模塊的設計，提出了一種基于高性能 FPGA的設計方法，并對模擬雷達目標的設計實(shí)現進(jìn)行了分析，通過(guò)仿真以及試驗的實(shí)際測試結果表明，所設計 DRFM 單元性能優(yōu)良，為保障雷達多目標模擬器在對抗系統中的整體性能提供了重要依據。
參考文獻
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