基于Lab VIEW FPGA模块的雷达模拟回波多普勒频移调制

2011-12-26崔佩佩韩壮志尚朝轩

河北科技大学学报 2011年2期

关键词：图形化调频变频器

崔佩佩，何强，韩壮志，尚朝轩，姚齐

（1.军械工程学院光学与电子工程系，河北石家庄 050003；2.77538部队，西藏拉萨 850000）

基于Lab VIEW FPGA模块的雷达模拟回波多普勒频移调制

崔佩佩1，何强1，韩壮志1，尚朝轩1，姚齐2

（1.军械工程学院光学与电子工程系，河北石家庄 050003；2.77538部队，西藏拉萨 850000）

目标回波的多普勒信息反映了目标与雷达之间的相对运动情况，多普勒频移的调制是雷达回波信号模拟的重要内容。利用Lab VIEW FPGA模块可以用图形化的编程编译FPGA，给出了一种多普勒频移调制的方法，先利用Lab VIEW FPGA模块生成带有多普勒频移的零中频信号，再上变频到需要的频率。实验结果表明，这种方法有效、可行，同时该方法还可以大大缩短系统开发时间。

雷达回波模拟；多普勒频移；Lab VIEW FPGA模块

雷达信号模拟器在现代雷达系统的研制、调试以及日常的维修检测中得到越来越多的应用，利用雷达回波模拟信号可有效地对雷达接收系统进行测试，多普勒频移调制是雷达回波信号模拟的重要内容。对多普勒频移的模拟使用较多的方法是应用直接频率合成（DDS）技术［1－3］，该技术虽然具有频率分辨率高、控制灵活等优点［4］，但也存在一些不能忽视的缺点，如，输出信号的频谱杂散比较大［5］，大量的杂散谱线使得滤波器设计十分困难等。

笔者借助NI公司的PXIe-5641R中频收发卡，利用Lab VIEW FPGA模块图形化的编程，可以对FPGA进行快速地配置的特点，提出了一种雷达模拟回波多普勒频移调制的新方法。该方法根据信号模型，使用Lab VIEW FPGA模块在FPGA上定义图形化的程序，直接生成带有多普勒频移的模拟雷达信号。此方法利用FPGA强大的计算能力直接生成零中频信号，其输出信号频谱干净，信号不需要滤波直接送入上变频器，避免了滤波器的设计。此外，Lab VIEW FPGA模块图形化的程序直接在硬件上实现，也大大缩短了系统开发周期。

1 雷达回波多普勒频移理论分析

1.1 雷达回波模型

以线形调频信号为例分析雷达的回波模型，其发射信号表示为

其中：u（t）为调制信号复包络；f0为中心频率；k＝B／T为调频斜率；B为线性调频信号的带宽；T为脉冲宽度。那么，运动目标的回波信号可表示为

其中：K为接收机的增益；τ0为时间延迟，反映了目标与雷达的位置关系；f d为多普勒频移，反映了目标与雷达的相对运动关系。

1.2 多普勒频移

当目标相对于雷达有运动时，雷达接收到的目标回波信号频率相对于发射信号有一个频移，即为多普勒频移［6］，多普勒频移f d与信号波长和目标相对雷达的径向速度的关系为

当目标背离雷达运动时，f d＜0，即回波信号频率小于发射信号频率，vr＜0；当目标向雷达运动时，f d＞0，即回波信号频率大于发射信号频率，vr＞0。雷达回波的多普勒效应多用于目标的测速，只要测得发射信号与回波信号之间的频率差，并将频率差带入式（3）即可得到目标的运动速度。

1.3 多普勒频移调制技术

雷达回波信号的模拟过程是：先生成零中频的回波模拟信号，再经AD9857上变频到需要的信号。多普勒频移的调制也是在零中频进行，再调制到需要的中频。根据运动目标的回波模型，可以得到进行多普勒频移调制的零中频信号模型为

在系统中要用到数字上变频器AD9857进行频率的上变频。上变频器工作于正交调制模式，工作时需要并行输入I，Q两路数字信号，所以需要将该信号模型分解为同相分量和正交分量：

这样带多普勒频移调制的模拟雷达回波信号模型就建立了。

2 基于LabVIEW FPGA模块的程序设计

2.1 LabVIEW FPGA模块程序开发流程

Lab VIEW是一种用图表代替文本创建应用程序的图形化编程语言，Lab VIEW FPGA模块是它的一个子模块。使用Lab VIEW FPGA通过图形化的编程可以快速地开发FPGA系统，同时也使工程设计人员无须了解VHDL或其他的硬件开发工具即可开发FPGA系统。使用Lab VIEW FPGA开发应用程序的典型流程如图1所示。

图1 Lab VIEW FPGA程序开发流程图

首先创建FPGA vi，之后用FPGA的设备仿真器在主控计算机上运行程序，反复地进行调试、修改，直至程序正确无误、满足设计指标。然后编译FPGA vi，并把程序下载到FPGA上。FPGA部分的程序完成后，再根据需要在主控计算机上创建用户界面程序Host vi，最终就完成了整个系统的设计。

2.2 系统主要硬件

在进行雷达回波的模拟时，使用的硬件主要是NI公司的PXIe-5641R中频收发卡。中频卡基于PXIe总线，主要由一个FPGA，两个AD9857数字上变频器、两个AD6654数字下变频器、存储器、接口电路以及触发电路组成。使用Lab VIEW FPGA模块可以对PXIe-5641R中的FPGA进行快速地开发，图形化的编程直接在硬件上得以实现。

AD9857是Analog Devices公司推出的14位数字正交上变频器。AD9857能够在3种模式下工作：正交调制模式，内插DAC模式和单频模式。本文中雷达回波模拟系统中使用的是正交调制模式。在此模式下，AD9857通过14位并行端口交替接收I，Q两路数字信号，每两个数据为一对，AD9857每接收一对数据进行一次数据处理。

2.3 Lab VIEW FPGA程序框架

雷达目标模拟回波信号的产生是以雷达主脉冲为基准的，雷达主脉冲信号通过PXIe-5641R中频卡的DIO（Digital Input／Output）接口直接送到FPGA。模拟目标的距离、速度和发射信号的脉冲宽度、重复周期以及载波频率、波长等参数都是由用户界面程序传送到FPGA。如图2所示，需要在FPGA上定义的程序只包括延时计数器和信号生成、多普勒调制2个模块。上变频器AD9857的工作模式和调制输出频率的设置也都是在用户界面程序Host vi上实现。

图2 软件框图

2.4 延时计数器模块

雷达模拟回波的一个重要内容是目标的距离模拟，根据雷达测距原理：

其中c为光速，t R是回波相对于发射信号的延迟，可得目标的延迟为

如图3所示为模拟匀速运动目标的延时计数器，地址计数器以雷达主脉冲为基准，雷达主脉冲上升沿为“T”将地址清零。R0为模拟目标的初始位置，V0为模拟初始速度，根据R＝R0－V0t，可求出模拟目标的实时距离，进而可求出目标的实时延迟。

图3 延时计数器模块

2.5 信号生成、多普勒调制模块

根据信号的模型，在进行信号生成时用到了三角运算，在硬件上实现三角运算时，需要一定的运行时间，所以不能采用边计算边输出的方式。在本文中是先提前将带有多普勒调制的零中频线性调频信号计算出来，存储到存储器中。等计算好的延时时间到达时，再调用将信号输出到上变频器AD9857。如图4所示的是带有多普勒调制的零中频线性调频信号生成模块。

图4 多普勒频移调制模块

另外，为了预防在延时时间很短时，三角运算不能完成的情况，本文不是将雷达主脉冲作为计算开始的标志，而是将上一个脉冲信号调用完成的下降沿作为下一个脉冲信号开始计算的标志。

3 实验验证

将雷达模拟回波的参数设定为：脉宽：6μs；带宽：10 MHz。仿真得到的零中频线性调频信号的实、虚部如图5所示，使用本文方法，系统输出波形如图6所示。由于信号输出时经过了低通滤波，所以图5中信号高频部分的幅度有所衰减。图7是该线性调频信号的频谱图，从图7中可以看出用本文方法生产的信号频谱比较干净。采取该图使用的仪器是频谱仪，由于在30 MHz的展宽带宽下其分辨率发生了下降，所以该频谱看起来和理论有些出入。实验结果表明对零中频信号进行多普勒频移的调制方法是正确的。

图5 线性调频信号实、虚部仿真图

4 结语

本文介绍了一种雷达模拟回波多普勒频移调制的新方法，该方法使用Lab VIEW FPGA模块图形化的编程语言，在硬件上直接实现信号的生成，与传统的应用DDS的方法相比，具有频谱干净、实现简单的优点。同时，使用Lab VIEW FPGA进行系统的设计大大缩短了系统的开发时间。实验结果验证了此方法有效、可行。