基于DSP和FPGA的电子侦察信号模拟器设计

高春芳

(西安电子科技大学 电子信息攻防对抗与仿真重点实验室,陕西 西安　710071)



基于DSP和FPGA的电子侦察信号模拟器设计

高春芳

(西安电子科技大学 电子信息攻防对抗与仿真重点实验室,陕西 西安710071)

摘要针对某电子侦察设备的测试评估,文中提出一种基于DSP和FPGA电子侦察信号模拟器方案。该方案采用主控计算机设置电子侦察信号参数和命令,通过USB接口将参数和命令下发到波形控制DSP单元中,通过波形控制DSP先对接收到的数据进行完全解析并进行相应的处理,再将处理后的数据下发到基于高性能FPGA的全数字化信号波形合成器中,进而合成各种类型的电子侦察信号波形,从而实现了对某电子侦察设备所需电磁环境的模拟。

关键词电子侦察信号模拟器;DSP;FPGA

随着军事战场向电子战方向的发展,电子侦察系统应运而生。由于电磁环境越来越复杂,电子侦察装备是否能在复杂的电磁环境下保持正常工作成为关键。因此,需要研制配套的电子侦察信号模拟器成为必需。模拟器是模拟仿真技术与电子侦察技术相结合的产物,其通过模拟的方法产生电子侦察系统所需的电磁信号环境,能真实地反映电子侦察系统的工作状态和性能。采用模拟器不仅节约成本,重要的是保密性好,可在内场或外场近距离测试。而随着电子科学技术的发展,电子装备变得复杂,技术水平大幅提高,相应对配套的模拟器也就提出了更高的要求。本文结合工程实际提出了一种基于DSP和FPGA的四通道多功能电子侦察信号模拟器[1]。

1模拟器硬件设计

模拟器由主控计算机单元和信号产生单元组成。如图1所示。

图1　信号模拟器系统框图

1.1主控计算机单元

主控机单元是信号模拟器的重要组成部分和控制核心,主要任务是实时控制信号产生器的运行状态和模式切换;为用户提供友好的人机交互界面,通过人机界面进行所需信号参数的配置;通过USB接口将配置参数传送给信号产生单元,实现信号模拟器自检、设备运行控制、设备工作状态及参数配置等功能。

1.2信号产生器单元

信号产生器单元是信号模拟器的核心单元,该单元是由波形控制DSP模块和波形产生FPGA模块,以及其各自的外围电路、数/模转换电路、模拟电路等构成。其中,该单元是以模块DSP模块和FPGA模块为核心,如图2所示。

图2　信号产生单元原理图

信号产生单元的工作流程是:(1)信号产生器上电后先进行相应的参数配置;(2)主控计算机单元通过USB接口将脉冲信号参数和命令全部传送到信号产生器单元的波形控制DSP模块;(3)DSP模块接收到数据后,对数据进行解析,进而完成模式选择控制;(4)当FPGA模块发送的外部中断到来时,DSP模块将脉冲信号参数和命令发送到指定地址。(5)FPGA模块在指定的地址单元读取脉冲信号参数,并利用其内部波形合成模块产生相应的脉冲数字信号,并将该信号传送给数模转换芯片产生模拟信号;再对模拟信号进行滤波、衰减控制输出。由于波形产生FPGA模块包含4个相互独立的全数字化信号产生通道,因此本模拟器可同时产生1～4部雷达的中频信号。

2信号产生单元软件设计

信号产生器单元软件设计主要围绕DSP模块与FPGA模块的硬件结构展开,分为DSP软件设计和FPGA软件设计两部分。DSP模块软件设计主要包括与主控计算机单元USB接口的数据通信,参数预处理和信号模式控制,与FPGA的数据通信等部分。FPGA模块软件设计主要包括脉冲信号的实时相位计算,波形合成器的设计等部分。

2.1DSP模块软件设计

DSP模块是整个信号产生单元的核心控制模块,主要的任务是与主控计算机单元进行通信,接收并解析脉冲信号参数;对各参数进行预处理和有效位控制;根据参数命令进行信号模式控制;将对应模式的信号参数发送给FPGA模块。DSP与主控计算机单元的数据通信是通过USB接口完成的。

DSP模块与FPGA模块之间的通信是通过外部总线(EBIU)完成的[2]。DSP模块需要为每一个脉冲信号准备参数并发送,FPGA模块通过给DSP模块发送一个中断来控制参数发送的时间,DSP模块接收到外部中断后,跳入发送子程序,将准备好的参数发送给FPGA模块。除了完成数据通信任务,DSP模块还需要完成配置时钟芯片、配置数模转换芯片、自检以及模式控制等任务。

2.2FPGA模块软件设计

DSP与FPGA之间通过中断来完成数据的下发,FPGA模块在指定的地址单元读取到脉冲信号参数后,先进行数据解析,再将其存入RAM中;当上一个脉冲信号的脉冲重复间隔时间到来时,FPGA模块产生与本次传送参数相对应的脉冲信号;当脉冲信号产生完成后,接着发送下一次中断给DSP模块。

3模拟器所能产生的基本信号波形

3.1调幅脉冲信号

调幅脉冲是使载波的振幅按照所需信号的变化规律而变化,但频率保持不变的调制方法。其数学表达式为[3]

(1)

其中,A表示信号的振幅;rect(t/T)是矩形函数;T表示脉冲宽度PW;f0表示载波频率;用PRI表示脉冲重复周期,则信号波形如图3所示。

图3　条幅脉冲信号波形

3.2线性调频信号

线性调频信号指指载波频率随时间作线性改变的信号,是一种常用的雷达信号。当载波频率随时间线性增加时,该信号为正斜率的线性调频信号;反之为负斜率的线性调频信号。其数学表达式为[4]

(2)

其中,A表示信号的幅度;rect(t/T)是矩形函数;T表示脉冲宽度;f0表示载波频率;μ=B/T表示信号的调频频率;B表示信号的调制带宽;u(t)=rect(t/T)ej2πμt2表示线性调频信号的复包络。线性调频信号的波形如图4所示。

图4　线性调频信号的波形

3.3相位编码信号

相位编码信号是脉冲脉内调制信号的一种,其中脉冲调制信号包括脉内频率调制和脉内相位调制,而脉内相位调制即相位编码信号。相位编码信号一般分为二相编码和多相编码,最常见的多相编码是四相编码。相位编码的序列码是伪随机序列,因此也称为伪随机编码信号。相位编码信号的表达式为[4]

s(t)=u(t)ej2πf0t=a(t)ej(φ(t)+2πf0t)

(3)

其中,u(t)=a(t)ejφ(t)表示复包络;φ(t)是相位调制函数;a(t)是幅度调制函数。在进行二相编码时,φ(t)只有0或π两种取值。常见的二相编码序列是13为的巴克码序列,其编码规律如图5所示。

图5　13位巴克码编码序列

4模拟器所能产生的信号模型

4.1载波频率(RF)模型

载波频率模型工作方式有:固定载频、载频捷变、载频分集、载频编码等[5-7]。

(1)固定载频雷达。是指雷达发射的信号是一种载频保持不变的脉冲序列,其模型为

RFI=RF,I=1,2,3…

(4)

其中,RF是脉冲载频的中心频率,是一个常数。通常雷达发射信号的载频浮动范围±1%的雷达称为固定载频雷达。

(2)频率捷变雷达。脉间捷变和脉组捷变是频率捷变雷达的两种模式[3]。脉间捷变模式是雷达脉冲的载频在一个较宽的频段上作随机的跳变。假设频率捷变范围为ΔRF,则其模型为

(5)

其中,rand(i)是[0,M-1]之间分布均匀的伪随机整数;M是总捷变点数。脉组捷变模式是指雷达脉冲载频在一个较宽频段上以成组的形式随机跳变。各组内脉冲的载频相同,组间脉冲载频不同,且随机跳变。假设频率捷变范围为ΔRF,则其模型为

(6)

其中,rand(i)是[0,M-1]之间分布均匀的伪随机整数;M总是捷变频点数;K是分组脉冲数;int(k)是取整函数。

(7)

(8)

其中,t(Δtj)表示宽度为PW/M的第j个脉冲[8-9]。

4.2脉冲重复周期(PRI)模型

脉冲重复周期(PRI)模型的典型工作样式有:重频固定、重频抖动、重频参差、重频滑变等。

(1)重频固定雷达。指雷达脉冲的脉冲重复周期(PRI)是一个常数则其模型为

PRII=PRI,I=1,2,3…

(9)

其中,PRI是一个确定性常数。通常雷达发射信号的脉冲重复周期的浮动范围±1%的雷达称为重频固定雷达;

(2)重频抖动雷达。指雷达发射脉冲的脉冲重复周期是在一定范围内随机跳变。则其模型为

PRIi=PRI0+δT,i=1,2,3…

(10)

其中,PRI0为雷达信号脉冲重复周期的中心值;δT∈[-ΔPRI,+ΔPRI]是抖动量,且其在[-ΔPRI,+ΔPRI]内服从均匀分布。ΔPRI/PRI的比值称为最大抖动量,用其来表示抖动的相对大小,其典型值为±1%～±10%;

(3)重频参差雷达。指雷达发射的脉冲具有多个脉冲重复周期,二参差、三参差是最常用的重频参差雷达,其中 16参差雷达是参差数最多的重频参差雷达。对于M参差雷达,其模型为[6]

PRIi=PRIk,k=mod(i,M),i=1,2,3…

(11)

其中,M为参差周期数,且各脉冲重复周期是以M为周期循环变化的。重频参差雷达的周期是所有脉冲重复周期之和;

(4)重频滑变雷达。指雷达发射脉冲的脉冲重复周期在一定范围内按一定规律进行平滑的变化。ΔPRI表示变化范围,通常ΔPRI的取值一般为中心频率的20%～30%,则其模型为

(12)

其中,ΔT表示按照给定的滑变规律变化的脉冲重复周期的增量;PRI0为脉冲重复周期的初始值[10]。

5结束语

本文提出基于DSP和FPGA的四通道雷达信号模拟器设计方案,可针对性的设置一些典型雷达脉冲信号,实现对某电子侦察设备所需电磁环境的模拟。

参考文献

[1]刘兰坤.低杂散雷达信号模拟器的设计与实验研究[D].秦皇岛:燕山大学,2007.

[2]丁鹭飞,耿富录,陈建春.雷达原理[M].4版.北京:电子工业出版社,2009.

[3]赵国庆.雷达对抗原理[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2012.

[4]杨静.相位编码信号的脉冲压缩及旁瓣抑制[D].南京:南京理工大学,2007.

[5]吝莹.多通道雷达信号模拟器的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2013.

[6]江绪庆.多辐射源雷达信号环境仿真技术[D].成都:电子科技大学,2006.

[7]卫强.雷达目标模拟器的硬件电路设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2008.

[8]杨帆.多波形雷达信号产生器的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2006.

[9]彭支玮.基于某型雷达的雷达信号模拟器的研制[D].广州:中山大学,2010.

[10]陈峰.Blackfin系列DSP原理与系统设计[M].2版.北京:电子工业出版社,2010.

An Electronic Reconnaissance Signal Simulator Based on DSP and FPGA

GAO Chunfang

(Key Laboratory of Electronic Information Countermeasure and Simulation Technology, Ministry of Education,Xidian University,Xi’an 710071,China)

AbstractThis paper advances a design of the electronic reconnaissance signal simulator based on DSP (BF531) and FPGA (XC5VLX30).This project adopts master control computer to set the electronic reconnaissance parameters data,then transmits the data to DSP unit which is used to control the output waveform through the USB interface.The data are processed by DSP and transmitted to the fully digital signal waveform synthesizer based on the high performance FPGA,after which various models of electronic reconnaissance signals are synthesized.

Keywordselectronic reconnaissance signal;DSP;FPGA

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.015

收稿日期:2015-08-13

作者简介:高春芳(1987—),女,硕士研究生。研究方向:面向电子侦察的复杂电磁信号环境模拟器。

中图分类号TN955

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-051-04