宽带雷达信号调制模块设计与实现

付钱华，易　淼

（1.西华大学电气与电子信息学院，成都610039；2.电子科技大学信息与软件工程学院，成都610054；3.宜春学院物理科学与工程技术学院，江西宜春336000）

宽带雷达信号调制模块设计与实现

付钱华1，2*，易淼3

（1.西华大学电气与电子信息学院，成都610039；2.电子科技大学信息与软件工程学院，成都610054；3.宜春学院物理科学与工程技术学院，江西宜春336000）

现代宽带高分辨雷达为适用各种复杂的环境，要求其信号调制方式具有多样化和灵活性。采用单片机串口通信接收命令，FPGA高速配置DDS和射频调相器，实现了一种支持连续波调频调相和脉内调频调相的雷达信号调制模块。通过代码控制解决了脉内调频较难同步的技术难题。整个调制模块载波中心频率为1.6 GHz，调频波形有正、负锯齿波和三角波，调频带宽可达600 MHz，调相序列有巴克码、伪码L和M序列。测试结果表明，系统输出信号稳定，可靠性高。

通信技术；脉内调频；频率合成；雷达波形；锯齿波

为适应现代战争的需要，高分辨雷达得到越来越多的应用。高分辨雷达具有较宽的带宽，有着抗干扰、强识别能力、反隐身等优点［1］。在高分辨雷达中信号的波形发生和发射技术已成为影响其发展的主要技术难题之一。为提高雷达对目标的分类识别能力，往往采用先进的信号调制方式，线性调频和二相编码是高分辨雷达广泛采用和研究的一种信号体制［2］。

单一雷达信号波形已经不能满足现代雷达技术对雷达信号波形的要求。需要更加灵活的，通用的，可扩充的雷达信号波形产生硬件电路［3］。这对雷达信号调制模块的系统设计和模式切换控制接口提出了更高的要求，特别是硬件上导致的脉冲触发信号与发射信号不同步或者延时，均会影响到雷达信号处理机的对参数的估计，直接影响雷达性能［4］。利用DDS产生宽带雷达基带调频信号，经过PLL倍频和射频调相器相位调制。单片机和FPGA组合构成的接口控制实现了波形产生的灵活性。

1　系统设计

调频连续波信号、线形调频（正斜率、负斜率）、非线形调频（锯齿波、三角波），由AD9858构成产生，为达到脉内调制信号带宽600 MHz，采用DDS+ 8倍频方案［5-7］，由DDS产生中心频率200 MHz最大调频带宽为±37.5 MHz的调制信号，经过锁相环HMC440的8倍频后得到中心频率1.6 GHz，最大调频带宽为600 MHz的调制信号。二相编码（含巴克码、伪码M和L序列）连续波信号和脉冲信号采用HITTITE公司的HMC497正交调制器。

收稿日期：2015-07-15修改日期：2015-09-12

由单片机通过RS232串口接收雷达主控机命令，产生同步信号、FPGA接口握手信号、模式控制信号、脉冲宽度信号和DDS寄存器配置数据，FPGA缓存完成DDS寄存器配置数据后并通过并口快速配置DDS寄存器，在接收到单片机同步信号后，立即发送DDS寄存器更新信号FUD。在调相模式时产生对应的I、Q两路二相码序列输送给射频调相器HMC497。整个雷达信号调制模块的系统框图如图1所示。

图1　雷达信号调制模块系统框图

2　控制接口设计

2.1串口通信

雷达主控机与信号调制模块采用RS232电平的串口通信，每帧9 byte数据中包括调制带宽、时宽、波形类别和调制启动停止命令。其中带宽为0 MHz～600 MHz，可设置带宽步进为1 MHz。调频时宽为100 ns～256 us，可设置时宽步进为50 ns。

RS232电平经过MAX3232芯片转换成TTL电平，与单片机C8051F040串口相连接。单片机接收数据时必须与数据帧的帧头同步后再缓存解析命令，否则会出现命令错位等情况。具体的软件流程见图2。

图2　单片机软件流程图

2.1命令数据转换

串口命令为节约通信数据长度采用了特定的编码方式，需要由CPU进行转换后才可以配置DDS。以DDS的频率调整字FTW计算为例，根据DDS的工作原理推算出AD9858中的32 bit频率调整字高两字节数据分别为［8］：

其中fout为DDS输出频率，与FTW存在一一对应关系。int（·）为取整数，同理可以求出低两字节数据FTW［1］和FTW［0］，实现以上运算的单片机关键程序如下：

if（R_data［3］==3）

｛temp1=（200+（R_data［5］*256+R_data［4］））/1000；｝//负锯齿波else

｛temp1=（200-（receive_data［4］*256+receive_data［5］））/1000；｝for（i=0；i＜4；i++）

｛FTW［3-i］=temp1*256；

temp3=FTW［3-i］； //temp3为字符型数据

temp2=temp1*256； //temp2为字符型数据

temp1=temp1*256-temp2；｝//temp1为浮点型数据

3　信号产生关键技术

3.1调制器高速切换

在进行非线性锯齿波调频时，当信号频率达到最高点时，要求能够在ns量级快速切换到调频起始点。非线性三角波调频也要求在一定时刻快速切换调频斜率。调频信号的瞬时频率可表示成：

其中K=B/T为频率变化斜率，B为频率变化范围，简称频偏，T为调频时间，f0为中心频率。

由于单片机配置数据速率无法满足系统设计需求，故AD9858和HMC497正交调制器均采用低成本高速cyclone FPGA配置，单片机给FPGA提供写数据信号（WR上升沿），将单片机提供的6位地址和8位数据存储在FPGA中的一个14位的数组RAM中，并产生对应二进制调相码。在单片机发出读数据信号（RD上升沿）时，FPGA才将有变化的数据高速配置给调制器。设计的功能时序如图3所示。

图3　FPGA配置调制器高速切换仿真时序图

3.2脉内调频准确同步

在产生脉冲调频信号时，如果采用射频开关控制，则较难实现开关打开时DDS开始调频，关闭时 DDS调频结束，往往会存在延时，如图4所示。

图4　射频开关控制脉内调频示意图

为避免采用射频开关，本设计采用代码控制调频起始和结束时间。在调频前先将DDS寄存器数据快速配置完成，采用FPGA产生AD9858 FUD信号使得寄存器数据生效开始调频，调频结束后直接复位DDS使得无信号输出，在RESET信号失效后开始配置下一组调频数据。具体时序图如图5所示。

图5　脉冲调频控制时序图

4　系统测试

设计的雷达信号调制模块实物如图6所示。利用R&S公司的信号源分析仪FSUP测试的1.6 GHz雷达调频信号波形如图7～图9所示。

图6　雷达信号调制模块实物图

图7　连续波正锯齿调频雷达波形

图8　非线性（负锯齿、三角波）调频雷达波形

图9　脉冲正锯齿调频雷达波形

利用频谱仪测试的带宽为600 MHz的调频信号频谱图如图10所示。

利用Agilent 89600示波器的矢量信号分析功能对13位巴克码调相的信号解调测试数据图如图11所示。测试的雷达信号波形均符合系统设计要求。

图10　带宽600 MHz调频信号频谱图

图11　13 bit巴克码调相波形

5　结束语

雷达信号调制模块作为雷达系统的关键模块，是整个雷达信号的源头，在功能和性能上均有较高要求。目前对雷达信号源的研究较多，文献［9］利用FPGA实现了连续波、线性调频和二相编码等多种调制方式的信号源，信号频率范围在0 MHz～400 MHz。文献［10］实现了输出频率在0.3 GHz～1.1 GHz上的超宽带捷变点频源。文献［11］设计了一个输出信号频率范围是1.35 GHz～1.95 GHz，带宽为600 MHz，脉宽为100 us，调频斜率为6 MHz/ us宽带信号产生器。但同时具有多种线性和非线性相参的脉内调频雷达信号波形、超宽带、调频斜率可根据主控机命令小步进任意设置的雷达信号源的报道还不多。

在充分利用低成本单片机的接口和运算功能上，灵活使用FPGA高速并行配置射频芯片，克服了工程上的一些技术难点，在较小的系统上实现了具有多种雷达波形和参数可设置的雷达信号调制模块。系统满足应用要求，拥有很高的可靠性和一定的工程应用价值。

［1］ 费元春.超宽带雷达理论与技术［M］.北京：国防工业出版社，2010，1-17：41-64.

［2］ 高晔钧.线性调频和巴克码复合调制信号仿真与处理［D］.南京：南京理工大学，2012.

［3］ 朱红磊.基于DDS的雷达波形产生硬件设计［D］.西安：西安电子科技大学，2013.

［4］ Patton Lee K，Rigling，Brian D.Phase Retrieval for Radar Waveform Optimization［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2012，48（4）：3287-3302.

［5］ 汤励，曲秀杰.基于DDS的高可靠性雷达信号发生器设计与实现［J］.现代雷达，2012，34（11）：73-75.

［6］ Zhao Z Y，Li X Y，Chang W G.LFM-CW Signal Generator Based on Hybrid DDS-PLL Structure［J］.Electronics Letters，2013，49 （6）：381-382.

［7］ 王文才，陈昌明，黄刚.PLL驱动DDS的低相噪小步进LFM信号源设计［J］.电子器件，2015，38（2）：348-351.

［8］ Wang Hongyu，Wang Haofei，Ren LiXiang.Et al.Low Spurious Noise Frequency Synthesis Based on a DDS Driven Wideband PLL Architecture［J］.Journal of Beijing Institute of Technology （English Edition），2013，22（4）：514-518.

［9］ 柳春，甘泉.基于FPGA的雷达信号源设计［J］.电子技术应用，2013，39（11）：47-49.

［10］刘林，田进军，刘朝辉.基于DDS和直接频率合成技术的超宽带捷变频源设计与实现［J］.兵工学报，2010，31（12）：1648-1652.

［11］赵志勇，常文革，黎向阳.一种宽带信号产生的DDS PLL Hybrid新型结构及实现［J］.国防科技大学学报，2013，35（4）：103-108.

付钱华（1981-），男，汉，江西高安人，工程师，在读博士生。现就职于西华大学电气与电子信息学院，主要从事无线通信射频电路与系统、现代通信中的信号处理和忆阻神经网络等方面的研究，qhfu8@mail.xhu.edu.cn；

易淼（1979-），女，汉族，江西宜春人，硕士，主要研究方向通信技术，styimiao@ 163.com。

Design and Implementation of Wideband Radar Signal Modulation Module

FU Qianhua1，2*，YI Miao3
（1.School of Electrical Engineering and Electronic Information，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.School of Information and Software Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China；3.College of Physics Science and Technology，Yichun University，Yichun Jiangxi 336000，China）

The signal modulation of modern high-resolution wideband Radar requires diverse and flexible mode for adapting variety complex environments.The serial communication of single-chip microcomputer was used for receiving commands，DDS and RF phase modulator was configured by FPGA.A Radar signal modulation module was realized，which supported continuous wave and pulse frequency or phase modulation.The technical problems were solved in the pulse FM synchronization by code control.Entire modulation module carrier center frequency was 1.6 GHz，FM waveforms had positive and negative sawtooth and triangular wave，frequency modulation bandwidth was up to 600 MHz，the phase modulation sequences had Barker codes，pseudo-code L and M series.The test result indicated that the system output signal had a stable performance and a high reliability.

communication technology；pulse fm；frequency synthesis；radar waveform；sawtooth wave

TN74；TN957

A

1005-9490（2016）03-0512-05

EEACC：632010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.003