一種模目信號設計方法

1、【Word版本下載可任意編輯】 一種模目信號設計方法 雷達系統(tǒng)在研制過程中，各部分往往是并行的，在調試信號處理分系統(tǒng)時，如果天線沒做好，就得不到陣面送下來的回波數據，這時調試就無法正常開展。為了解決這一問題，往往先設計一個模目信號，把信號處理分系統(tǒng)調試好，待其他分系統(tǒng)也調試好后，再切換為正常接收模式，開展系統(tǒng)聯(lián)試。 本文介紹了一種模目信號設計方法，利用FPGA產生時序及控制，DSP實時計算所需要的回波，從而實現對雷達目標回波的模擬，這樣可以在沒有陣面數據的情況下，使信號處理分系統(tǒng)調試能夠正常開展，從而不影響科研進度，做到有問題早發(fā)現。 1 系統(tǒng)原理 由于要調試的是PD體制雷達，所以要模擬的信號

2、是帶有多普勒頻移的雷達目標回波。這里雷達發(fā)射波形為線性調頻信號，其時域表達式為： 式中： A為振幅；為脈寬；為調頻斜率；fo為載頻；o為初相。那么當雷達對空照射時，如果遇到目標，就會產生回波，回波是受目標調制了的發(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，經過解調，得到的將是帶有多普勒頻移的線性調頻信號，由于已假設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，在相位上僅時間的項改變，即發(fā)生了多普勒頻移。回波的時延反映目標的遠近，幅度反映目標的散射截面積。 通過以上分析可知，要產生模目信號，可以通過改變發(fā)射信號（

3、未調制至載波）的頻率中心、時延和幅度這三個參數來實現，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)射信號開展實時變換，來模擬所期望的回波。系統(tǒng)實現如下：為了解距離和速度二維模糊，雷達設置了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)射信號的點數為：脈沖時寬系統(tǒng)帶寬，此點數也就是目標回波的點數，這樣就可以預先把發(fā)射波形存于DSP內存，然后根據系統(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

4、序來同步，系統(tǒng)時序如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)時序 圖1中BW為雷達波位脈沖，CPI為相干脈沖導前，FR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)會根據收到的控制字來開展相應的工作，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，根據所收到的控制字產生模目信號。 模目信號屬于系統(tǒng)內部的測試信號，所以不需要單獨的插件產生，可以考慮做在信號處理流程比較靠前的插件上，比方DBF插件或者脈壓插件。由于本系統(tǒng)脈壓插件資源有剩余，且對于產生模目信號足夠，所以將模目產生模塊放在脈壓插件上，用到的器件是一片F

5、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的作用是根據系統(tǒng)控制字信息，在一個FR時間間隔內產生所需要的多波束目標回波，系統(tǒng)實現框圖如圖2所示。 圖2 目標回波實現框圖 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，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

6、以知道雷達當前發(fā)射的是哪種波形，即哪種線形調頻信號，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生的相位，即d=fd（n-1）Tr，其中：n即為FR序列號；Tr為脈沖重復周期，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產生下一FR的數據，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

7、離單元所對應的時刻，讀出模目數據即可。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)控制字送來的參數是非模糊的，那么轉換方法為：模糊距離=真實距離mod本相干處理脈沖組對應的距離，模糊多普勒一真實多普勒mod本相干處理脈沖組對應的重頻，其中mod為求模，這一過程在DSP中完成。 3 調試過程 調試所用到的分機有：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

8、處于等待狀態(tài)，當有時序和系統(tǒng)控制字送來，DSP就根據控制字的要求產生模目信號，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)設置三個信號采集和觀察點，個在DSP上，通過仿真器采集系統(tǒng)控制字以及產生的模目數據，并將該數據和Matlab計算的數據做比較，看是否正確；第二個在FPGA上，通過Quartus自帶的SignalTap工具，觀察產生的模目信號波形，以及該信號經脈壓后的波形，看波形是否為線性調頻信號，點數是否正確，脈壓能否出結果；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

9、波束在各信號采集和觀察點的圖形：圖3為DSP計算的模目數據（實部），圖4為SignalTap采集的模目信號（I，Q雙通道），圖5為模目信號經脈壓后的波形，圖6為對脈壓后同一距離單元信號做FFT。 圖3 DSP 計算的模目數據( 實部) 圖4 Sig nalTap 采集的模目信號( I, Q 雙通道) 圖5 模目信號經脈壓后的波形 圖6 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，到達了預期效果。 系統(tǒng)在調試初始，由于產生多波束數據，發(fā)現在一個FR時間內DSP計算不過來，經分析，發(fā)現算法沒優(yōu)化，原來的算法為：在每一個FR時間內，先計算出，再查表得到，這樣每個波束都要計算，屬于重復計算，消耗了時間。對算法開展改良，改良后的算法為：先將每個CPI的波形，即存于DSP內存中，當每個CPI脈沖到來時，根據系統(tǒng)控制字中CPI代碼取出該CPI對應的基本波形，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