一种非相参雷达回波信号模拟器的设计

黄小娟 李 康 雒海潮

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

雷达回波模拟器是模拟技术和测试技术结合的产物。通过模拟器产生的雷达回波信号能在实际雷达前端不具备测试条件的情况下，对雷达后级信号处理机进行调试或测试。随着数字技术和集成化技术的发展，雷达回波信号模拟器本身也在逐渐采用数字方法实现。

较早的一些雷达数字回波模拟器主要采用模拟现实法，即在数采设备的帮助下，对试验信号进行采集存储，通过 FPGA或 DSP控制输出，再经高速DAC转换为模拟信号，以得到真实的回波信号。该种方法虽然产生的信号更接近于实际回波，但缺点是必须有大量的数采数据，而且最为关键的是不灵活，参数修改困难，对于多路输出等问题，只能靠增加设备量来解决问题。

数字雷达回波模拟器具有良好的稳定性和较强的灵活性，可以采用编程方法设置雷达信号参数，因此可以实现多种类型雷达回波的模拟。DDFS全称为Direct Digital Frequency Synthesis(直接数字频率合成)，一般简称DDS，是从相位概念出发来直接合成所需波形的一种频率合成技术。基于DDS技术的频率合成器频率分辨率高，频率、相位调制方便，转换速度快，且输出波形的相位连续，能够产生任意波形。鉴于DDS芯片在控制方式等方面不够灵活，有时甚至与系统的要求差距还很大。为此，现在很多工程应用上都采用现场可编程门阵列(FPGA)器件来控制DDS，充分利用了FPGA器件可编程配置的能力，很好的弥补了DDS芯片的不足。

2 回波模型建立

雷达回波模拟如何与实际回波信号接近，是整个模拟器设计的关键性问题。分析各种雷达回波信号，可以发现回波主要由三类信号组成:目标回波信号、与发射信号相关的干扰信号、噪声信号三类。所以，建立合理回波模型是整个雷达回波模拟器的关键性技术，为此通过分析目标模型、干扰模型和噪声模型来确立回波模型。

2.1 目标模型

目标回波建立在目标距离、相位、幅度起伏和多普勒频率等参数基础上。一般来说，距离、相位和幅度三者基本相关，多普勒频率与目标速度有关，对于相参系统而言，还需要考虑目标散射中心和截面积变化，但对于非相参雷达系统而言，距离和幅度才是主要考虑的关键性参数，多普勒的模拟可以体现在信号相位的连续变化上。

2.2 噪声模型

噪声信号一般指高斯分布的白噪声。除压制性噪声干扰外，一般来说主要是杂波，由于杂波产生的机理不同，概率密度函数和功率谱各不相同，同时考虑接收前端带宽作用，一般先由高斯函数模型产生宽带数字噪声，通过带通或低通滤波器后得到有效噪声。

对于模拟实现中的噪声信号是无穷无尽，而数字模拟模型中的噪声则是蒙特卡洛模拟的伪噪声信号，由于存储量和资源的限定，一般只能产生一段并且循环使用。

2.3 干扰模型

这里的干扰指的是近地物体回波干扰和欺骗性信号干扰，一般常用有效目标信号的距离拖引、速度拖引和角度拖引。

3 实现方式

3.1 系统构成

模拟器主体构成如图1所示，主要包括三部分:数据生成、回波产生和合成放大。

图1 系统实现结构图

数据生成主要包括人机界面和数据生成软件，用于产生模拟目标回波信号的数据及信号的主要参数，参数主要包括DDS的频率、相位控制和FPGA数据输出的延迟控制。噪声数据可以预先存储或临时计算，通过数据生成传输至FPGA。

回波产生部分主要包括两个功能:FPGA依照命令控制DDS产生目标回波信号，通过DAC产生噪声信号。

合成放大对目标回波进行处理，经合成放大最终输出。

3.2 工作流程

系统工作流程如下:首先，数据生成根据用户设定的规则或参数产生模拟目标回波信号数据文件，根据模拟的试验环境产生干扰信号衰减量和延迟参数，根据重复周期选取或生成限定时宽的噪声采样数据文件;其次，在外部控制信号输入前将噪声采样数据和干扰控制参数输出至相应FPGA中;第三步，当外部控制信号产生后，按照固定周期依次将回波信号数据发送至FPGA中，FPGA按照控制信号和指令数据控制DDS工作产生信号;最后，对目标回波信号进行处理，与噪声干扰合成后放大，产生中频模拟信号。

3.3 关键性技术及解决方案

a.信号产生

信号产生主要分为目标回波信号产生、杂波及干扰产生。

目标回波信号由DDS直接在中频产生，关键性的问题是保证在发射触发到来前DDS芯片及时获得信号频率、相位和幅度的控制字，如果PRF较高时，对数据生成模块(一般为PC端)要求的传输速率高。为保证信号正常产生，对于控制DDS工作的FPGA芯片也必须能存储较多的控制命令字。

对于非相参雷达系统而言，一般杂波可以由DAC恢复有限时宽采样的噪声数据，而对其功分后一路延迟，与另一路叠加后可以获得分布较为复杂的杂波。该噪声不需要经过低通或带通滤波，因为最终合成放大后会如同通过接收机一样通过一个带通滤波器，限定最终信号带宽。

干扰可以通过可控衰减和延迟有效信号得到，特别是近地干扰和传输多径干扰可以有效产生，而且同频同相干扰信号对信号处理的影响最大，可有效开展对信号处理的测试和验证。

b.数据传输及控制

相对于频率、相位、幅度控制而言，产生距离(时间)延迟是DDS难以实现的，但对FPGA来说输出延迟控制从软件编程方面较易实现，所以在目标回波信号时间延迟方面，需要FPGA严格控制数据及控制字输出时刻，为保证与测试系统时间统一，可采用测试系统提供的激励信号。

c.系统扩展

如需要进行射频信号输出时，可在合成放大端后增加射频混频放大单元。

图2是经改造的相参系统回波模拟器，如图所示DDS只产生基带信号，将中频载波与DDS输出进行混频和单边带滤波放大，中频载波来源于测试系统频综本振输出，以使信号初始相位与测试系统一致，DDS附加的相位需要进行模拟计算。

图2 相参系统回波模拟器结构图

4 模拟器设计

根据某课题总体技术要求，设计适用于雷达系统无线通信链路检测的射频信号模拟器，提出下列技术要求:

信号主要参数:

信号频率:C波段

信号带宽:30MHz

基带数据:特定文本数据，按行依次输出，每行128bit

信号形式:直扩方式(2PSK调制)

扩频码:511位M序列

扩频速率:15MHz

通信周期:100ms

假定终端以20m/s径向速度从距离基站1000m处远离基站，信号幅度衰减与距离延迟成正比，初始假定1000m处幅度信号最大。

4.1 主要硬件选择

a.数据生成

数据生成单元是一个计算机单元，设计中可使用独立计算机、CPCI或PowerPC，为了与基带信号产生单元传输，也为了保证接口兼容性，建议设计时使用RS-232串口或通用网口。此处选择AD-Link生产的CPCI6842。

b.基带信号产生

DDS选取AD公司生产的AD9910芯片。它具有一个更新速率高达250 MHz的16 bit并行端口，允许设计工程师每隔8 ns更新一次32 bit的频率或相位控制字。同时，AD9910内置14位数字模拟器和高达1GSPS内置时钟速度，可以产生高达400 MHz的模拟输出。

FPGA中决定DDS系统工作的关键是波形存储器、控制字存储单元和高速并行输出这三部分，都要采用高速电路。为解决片内存储的容量问题，FPGA需对DDR等高速片外存储器提供良好的接口。综合考虑，器件选用Altera公司的EP2C8Q208C8。

在该设计中还用到了型号为AD9742的D/A转换器，该芯片具有12位数模转换功能，转换速度可达到100 Mb/s。

4.2 中频及射频形成

由于通信系统属于非相参系统，故可用DDS直接产生中频信号，为了设计和使用简便，采用Agilent8267D信号源产生2800MHz信号作为本振信号。

关键数据及主要参数:

a.多普勒频率:计算可知信号多普勒频率小于200Hz，远低于两个本振源的频偏，所以设计时忽略。

b.距离延时:DDS延时输出由FPGA控制，经过计算，FPGA内部时钟频率尽量设计为150MHz的整数倍，通过仿真器仿真证明，系统最高频率设为180.05MHz时，可满足最低设计150MHz稳定时钟的要求。

c.幅度控制:32位幅度控制字高16位有效，一般来说仅距离产生的信号功率衰减范围不会大于40dB，所以只使用14位，最高0x2710代表最大幅度(1000m处)。控制字的生成直接在CPCI中进行。

d.调制产生:由于采用的DDS芯片为16位并行输入端口，以5MHz的更新率输出32位频率控制字、32位相位控制字(低16位有效)和32位幅度控制字，必须保证每33ns(30MHz输出频率)更新一次。

e.输出控制:由于CPCI每秒至少需要向FPGA输出238，080Byte的基带数据(不包括控制字、帧头帧尾等)，为保证信号生成，需要使用网口通信，每秒钟CPCI与FPGA通信一次，FPGA内部只存储1s内的数据。

5 结束语

本文采用DDS设计信号波形、FPGA进行数据和控制字输出控制、计算单元生成数据和波形参数，既保证了信号波形准确结构完整，又保证了整个设计过程的可控性和灵活性。

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