0 引言

　　雷達系統(tǒng)在研制過程中，各部分往往是并行的，在調(diào)試信號處理分系統(tǒng)時，如果天線沒做好，就得不到陣面送下來的回波數(shù)據(jù)，這時調(diào)試就無法正常進行。為了解決這一問題，往往先設(shè)計一個模目信號，把信號處理分系統(tǒng)調(diào)試好，待其他分系統(tǒng)也調(diào)試好后，再切換為正常接收模式，進行系統(tǒng)聯(lián)試。

　　本文介紹了一種模目信號設(shè)計方法，利用FPGA產(chǎn)生時序及控制，DSP實時計算所需要的回波，從而實現(xiàn)對雷達目標回波的模擬，這樣可以在沒有陣面數(shù)據(jù)的情況下，使信號處理分系統(tǒng)調(diào)試能夠正常進行，從而不影響科研進度，做到有問題早發(fā)現(xiàn)。

　　1 系統(tǒng)原理

　　由于要調(diào)試的是PD體制雷達，所以要模擬的信號是帶有多普勒頻移的雷達目標回波。這里雷達發(fā)射波形為線性調(diào)頻信號，其時域表達式為：　　

　　式中： A為振幅；τ為脈寬；；μ為調(diào)頻斜率；fo為載頻；φo為初相。那么當雷達對空照射時，如果遇到目標，就會產(chǎn)生回波，回波是受目標調(diào)制了的發(fā)射信號，所以通過和發(fā)射信號相比較，就可獲得目標的相關(guān)信息，在此僅考慮目標相對雷達勻速徑向飛行的情況。當回波被雷達接收后，經(jīng)過解調(diào)，得到的將是帶有多普勒頻移的線性調(diào)頻信號，由于已假設(shè)目標沿徑向勻速飛行，所以回波信號相對于發(fā)射信號來說，在相位上僅時間的一次項改變，即發(fā)生了多普勒頻移?；夭ǖ臅r延反映目標的遠近，幅度反映目標的散射截面積。

　　通過以上分析可知，要產(chǎn)生模目信號，可以通過改變發(fā)射信號(未調(diào)制至載波)的頻率中心、時延和幅度這三個參數(shù)來實現(xiàn)，通過對這三個變量的控制，就可模擬出目標的徑向速度、徑向距離以及雷達散射截面積。

　　2 系統(tǒng)方案

　　由于模目信號可以通過改變發(fā)射信號得到，又發(fā)射信號的波形已知，所以可以通過對發(fā)射信號進行實時變換，來模擬所期望的回波。系統(tǒng)實現(xiàn)如下：為了解距離和速度二維模糊，雷達設(shè)置了N種重頻，每種重頻的脈寬不同，在系統(tǒng)帶寬(其決定雷達的距離分辨率)一定的情況下，每種重頻發(fā)射信號的點數(shù)為：脈沖時寬×系統(tǒng)帶寬，此點數(shù)也就是目標回波的點數(shù)，這樣就可以預(yù)先把發(fā)射波形存于DSP內(nèi)存，然后根據(jù)系統(tǒng)控制字，取出需要的波形，再在DSP中實時計算出所需要的模目信號。模目信號需要系統(tǒng)時序來同步，系統(tǒng)時序如圖1所示。

　　圖1中BW為雷達波位脈沖，CPI為相干脈沖導(dǎo)前，F(xiàn)R為單個脈沖信號。系統(tǒng)會在每個CPI到來時打入系統(tǒng)控制字，告訴信號處理分系統(tǒng)陣面ID、工作模式、CPI代碼等信息，信號處理分系統(tǒng)會根據(jù)收到的控制字來進行相應(yīng)的工作，模目距離和模目多普勒也會在系統(tǒng)控制字中給出，這樣就可在系統(tǒng)時序同步下，根據(jù)所收到的控制字產(chǎn)生模目信號。

　　模目信號屬于系統(tǒng)內(nèi)部的測試信號，所以不需要單獨的插件產(chǎn)生，可以考慮做在信號處理流程比較靠前的插件上，比如DBF插件或者脈壓插件。由于本系統(tǒng)脈壓插件資源有剩余，且對于產(chǎn)生模目信號足夠，所以將模目產(chǎn)生模塊放在脈壓插件上，用到的器件是一片F(xiàn)PGA和一片DS-P，其中FPGA的作用是接收光纖送來的控制字，對DSP發(fā)起中斷并緩存DSP產(chǎn)生的模擬回波，然后在系統(tǒng)時序的同步下將模擬回波送后續(xù)處理；DSP的作用是根據(jù)系統(tǒng)控制字信息，在一個FR時間間隔內(nèi)產(chǎn)生所需要的多波束目標回波，系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖2所示。

　　系統(tǒng)工作流程為：DBF分機提供系統(tǒng)控制字、時序和外時鐘，其中系統(tǒng)控制字通過光纖送出，每個CPI送一次，時序和外時鐘通過射頻電纜送出。當FPGA收到控制字后，將其緩存于雙口RAM，等到第二個FR，給DSP發(fā)起中斷，通知DSP取走控制字。DSP從控制字中提取CPI代碼、FR代碼、模目距離和模目多普勒等信息。通過CPI代碼可以知道雷達當前發(fā)射的是哪種波形，即哪種線形調(diào)頻信號，通過FR代碼可以知道當前脈沖是該相干處理脈沖組中第幾個脈沖，通過模目距離和模目多普勒可以知道系統(tǒng)要求模擬目標所處的距離和相對徑向速度。由于系統(tǒng)控制字已在第二個FR得到，所以在接下來的FR中，DSP只需讀進FR序列號，就不需要再讀控制字。讀FR序列號的目的是為了計算模目由于存在徑向速度而產(chǎn)生的相位，即φd=fd(n-1)Tr，其中：n即為FR序列號；Tr為脈沖重復(fù)周期，一旦獲得這些信息，就可以計算模目。在計算模目的過程中，采用了乒乓存儲方式，即當前FR產(chǎn)生下一FR的數(shù)據(jù)，并存于FPGA的雙口RAM中，等下一FR到來時，延遲到系統(tǒng)控制字所給的模目距離單元所對應(yīng)的時刻，讀出模目數(shù)據(jù)即可。為了使目標回波與實際情況一致，要求模目信號在距離和多普勒上都要模糊，由于系統(tǒng)控制字送來的參數(shù)是非模糊的，那么轉(zhuǎn)換方法為：模糊距離=真實距離mod本相干處理脈沖組對應(yīng)的距離，模糊多普勒一真實多普勒mod本相干處理脈沖組對應(yīng)的重頻，其中mod為求模，這一過程在DSP中完成。

　　3 調(diào)試過程

　　調(diào)試所用到的分機有：綜合電子分機，送時序和控制字；DBF分機，完成控制字中CPI代碼和FR代碼的填充，并通過光纖將控制字送至DSP分機，本模目信號產(chǎn)生模塊就在DSP分機的脈壓插件上；頻率源，給每個分機提供時鐘；除此之外，還需要一臺直流穩(wěn)壓電源。

　　系統(tǒng)加電后，DSP初始化完成就處于等待狀態(tài)，當有時序和系統(tǒng)控制字送來，DSP就根據(jù)控制字的要求產(chǎn)生模目信號，并在時序的同步下將信號送往FPGA，然后再由FPGA送后續(xù)處理。系統(tǒng)設(shè)置三個信號采集和觀察點，第一個在DSP上，通過仿真器采集系統(tǒng)控制字以及產(chǎn)生的模目數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)和Matlab計算的數(shù)據(jù)做比較，看是否正確；第二個在FPGA上，通過Quartus自帶的SignalTap工具，觀察產(chǎn)生的模目信號波形，以及該信號經(jīng)脈壓后的波形，看波形是否為線性調(diào)頻信號，點數(shù)是否正確，脈壓能否出結(jié)果；第三個在DSP插件上，通過在DSP上采集脈壓后的信號，對同一距離單元做FFT，看結(jié)果是否在期望的距離單元及期望的頻道上。

　　下面給出其中一種模擬波束在各信號采集和觀察點的圖形：圖3為DSP計算的模目數(shù)據(jù)(實部)，圖4為SignalTap采集的模目信號(I，Q雙通道)，圖5為模目信號經(jīng)脈壓后的波形，圖6為對脈壓后同一距離單元信號做FFT。

　　可見系統(tǒng)正確模擬了目標回波，達到了預(yù)期效果。

　　系統(tǒng)在調(diào)試初始，由于產(chǎn)生多波束數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在一個FR時間內(nèi)DSP計算不過來，經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)算法沒優(yōu)化，原來的算法為：在每一個FR時間內(nèi)，先計算出，再查表得到，這樣每個波束都要計算，屬于重復(fù)計算，消耗了時間。對算法進行改進，改進后的算法為：先將每個CPI的波形，即存于DSP內(nèi)存中，當每個CPI脈沖到來時，根據(jù)系統(tǒng)控制字中CPI代碼取出該CPI對應(yīng)的基本波形，然后乘以，這樣就可以降低運算量，節(jié)省運算時間；另外DSP的主頻不再采用默認值(4倍頻)，而是將其設(shè)置為10倍頻(DSP芯片為AD公司的ADSP-TS201)，這樣由于主頻的提高，也加快了運算速度，節(jié)省了運算時間。通過采取這兩條措施以后，DSP就能在一個FR時間內(nèi)產(chǎn)生多波束信號，從而滿足實時性要求。

　　4 結(jié)語

　　本文介紹了一種雷達模目信號產(chǎn)生方法，該方法能夠通過FPGA和DSP實時產(chǎn)生具有多普勒頻移的多波束雷達目標回波，其意義在于可以為雷達信號處理分系統(tǒng)單獨調(diào)試提供數(shù)據(jù)來源，從而不必等待天線陣面的真實數(shù)據(jù)，這樣可以加快科研進度，也方便整機聯(lián)試時查找問題。