基于FPGA+DSP的雷達(dá)回波發(fā)生器設(shè)計(jì)

在研制各種實(shí)用雷達(dá)的過(guò)程中，需要通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的分析處理能力。由于開(kāi)發(fā)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件的限制,雷達(dá)系統(tǒng)中各部件及整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試非常困難,受天氣狀況等因素的影響,其性能及指標(biāo)測(cè)試難以在完全真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行。因此，通過(guò)數(shù)字模擬的方法真實(shí)地模擬雷達(dá)回波信號(hào)很有意義。雷達(dá)回波發(fā)生器是數(shù)字仿真技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它通過(guò)仿真模擬的方法產(chǎn)生目標(biāo)和環(huán)境信息的回波信號(hào)。利用這種回波信號(hào)對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行調(diào)試、分析和評(píng)估，已成為現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)研制和生產(chǎn)的重要手段。

采用DSP和FPGA/CPLD相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合了兩者在系統(tǒng)控制和實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)靈活、實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)[1]。本文提出了一種以FPGA為核心，DSP實(shí)時(shí)控制，外加PROM、Flash、CPLD以及D/A等外圍電路構(gòu)成的雷達(dá)中頻回波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，可以通過(guò)在線編程在相同的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同體制、多目標(biāo)的雷達(dá)回波。

1 雷達(dá)回波發(fā)生器方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)性能要求

本雷達(dá)回波發(fā)生器是為了對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估以及新的信號(hào)處理算法而開(kāi)發(fā)研制的，因而在設(shè)計(jì)上要滿足通用性要求，能模擬產(chǎn)生不同體制雷達(dá)的回波信號(hào)[2]。通用性設(shè)計(jì)要求硬件外圍接口電路盡可能簡(jiǎn)單，對(duì)各種電平規(guī)范具有兼容性；所選器件適應(yīng)性強(qiáng)，通過(guò)重配置可編程邏輯電路即可產(chǎn)生不同帶寬、不同時(shí)寬的雷達(dá)信號(hào)而不用修改硬件設(shè)計(jì)[3-4]。同時(shí)，為了真實(shí)地反映雷達(dá)目標(biāo)的復(fù)雜環(huán)境，要求雷達(dá)回波發(fā)生器能加入噪聲和干擾，從而能夠?qū)π盘?hào)處理機(jī)進(jìn)行全面的評(píng)估和檢測(cè)。

本雷達(dá)回波發(fā)生器要求能選擇產(chǎn)生單脈沖跟蹤、DBF、SAR 3種體制雷達(dá)的最多3個(gè)目標(biāo)的回波信號(hào)，雷達(dá)波形為簡(jiǎn)單脈沖、線性調(diào)頻信號(hào)、相位編碼信號(hào)可選。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)中頻載頻頻率：30 MHz；
    (2)系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘：10 MHz；
    (3)波形存儲(chǔ)深度為10 K，信號(hào)采樣率100 MHz；
    (4)幅度分辨率為12 bit；
    (5)頻率范圍為0.37 Hz～25 MHz，頻率分辨率為0.37 Hz；
    (6)輸出模擬信號(hào)幅度范圍為±2.5 V；
    (7)DBF體制時(shí)天線陣元數(shù)為16個(gè)。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

雷達(dá)回波發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)有以下3種方法：全硬件實(shí)現(xiàn)、微機(jī)+D/A插卡實(shí)現(xiàn)以及微機(jī)+模擬器DSP組合實(shí)現(xiàn)。由于全硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)硬件設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜、靈活性差、微機(jī)+D/A插卡方法受D/A數(shù)據(jù)傳輸率的限制，所以目前雷達(dá)回波發(fā)生器的設(shè)計(jì)中，多采用微機(jī)+模擬器DSP組合方法。該方法靈活性好、數(shù)據(jù)量適中、易擴(kuò)充、滿足通用性要求[5]。

通過(guò)對(duì)幾種回波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方法的比較，結(jié)合本雷達(dá)回波發(fā)生器要實(shí)現(xiàn)的功能以及靈活性、通用性的設(shè)計(jì)思想，本文提出了一種新的雷達(dá)中頻回波發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該方法嚴(yán)格說(shuō)仍屬于微機(jī)+模擬器DSP組合方法，但采用了微機(jī)+FPGA+DSP+D/A的組合，如圖1所示。

與傳統(tǒng)的雷達(dá)回波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方法相比，采用該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)PC機(jī)不必實(shí)時(shí)為回波發(fā)生器提供數(shù)據(jù)，只是在雷達(dá)參數(shù)改變時(shí)，PC機(jī)才給存儲(chǔ)器輸入新的波形和參數(shù)數(shù)據(jù)。這樣便能采用更為逼真的雷達(dá)回波數(shù)學(xué)模型，并能對(duì)這些模型完成更為復(fù)雜和精確的處理工作，提高模擬信號(hào)環(huán)境的逼真性；

(2)硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只要改變底層軟件而不用更改硬件電路就可以適應(yīng)不同體制的雷達(dá)，因而這種方法具有較好的靈活性和通用性；

(3)對(duì)外具有豐富的接口，既可以當(dāng)作一塊獨(dú)立的板卡使用，也可以在CPCI機(jī)箱上作為標(biāo)準(zhǔn)板卡使用；

(4)利用其豐富的底層軟件庫(kù)，可以提供良好的二次開(kāi)發(fā)空間。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

雷達(dá)回波發(fā)生器在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司Virtex-4系列的XC4VSX55芯片， DSP選用TI公司的TMS320C6416芯片，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和放大器分別選用ADI公司的AD9765和AD8044，時(shí)鐘選用ADI公司的超低抖動(dòng)時(shí)鐘ICAD9510，時(shí)鐘配置電路選用Altera公司MAX7000S/AE系列的EPM7128S。SX55是Xilinx公司的一款高性能數(shù)字信號(hào)處理FPGA，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。主要硬件資源為49 152個(gè)SLICE(含一個(gè)觸發(fā)器及一個(gè)四輸入查找表)，320個(gè)BLOCK RAM(每塊18 KB)，512個(gè)18×18 bit乘法器，8個(gè)DCM，32條全局時(shí)鐘連線，640個(gè)可用I/O。TMS320C6416是TI公司的一款高性能定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，最高工作時(shí)鐘600 MHz，可達(dá)4 800 MIPS。主要硬件資源有128 KB L1P cache，128 KB L1D cache，8 MB L2 cache。兩個(gè)外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），EMIFA為64 bit，EMIFB為16 bit，共1 280 MB外部地址。64個(gè)EDMA，32 bit或16 bit HPI接口，PIC接口。雷達(dá)回波發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。