劉心成　王江展　刁丹丹　王曉東

摘要：本文給出了一種通用多功能雷達(dá)信號(hào)波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)，它能夠完成線(xiàn)性調(diào)頻、相位編碼及其組合信號(hào)等多模式雷達(dá)中頻發(fā)射信號(hào)和雷達(dá)中頻回波模擬信號(hào)發(fā)生，雷達(dá)其他各分機(jī)控制和故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)射功率管理與監(jiān)測(cè)等功能；模塊設(shè)計(jì)有RS422串口，可以靈活地實(shí)現(xiàn)工作模式切換和參數(shù)修改等功能；該模塊控制靈活、集成度高，已成功應(yīng)用于多型雷達(dá)。

關(guān)鍵詞：通用多功能 信號(hào)發(fā)生 分機(jī)控制 故障和功率監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）09-0189-03

Abstract：In this paper， a general method for a design of multifunction radar signal waveform generator is presented， which can accomplish multi-mode intermediate frequency signal generation of radar signal and radar simulative echo signal， such as the linear frequency modulation signal， the phase coded signal， and combination of these signals； The generator also functions as control and failure real-time monitoring of radar other extensions， radar power management and monitoring， and so on； Besides， a RS422 serial port is included， which flexibly realizes working mode switching and parameter modification and so on； The module is flexible and highly integrated， has been successfully used in many models of radar.

Key Words：General and multifunction； Signal generation； Control of other extensions； Failure and power monitoring

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)一般都要求具備反地物、抗積極和消極干擾的能力，從而要求雷達(dá)信號(hào)發(fā)生裝置具有多波形、多時(shí)寬帶寬選擇、快速頻率捷變和波形捷變的能力[1]；同時(shí)隨著部隊(duì)信息化建設(shè)步伐的加快，新型裝備從立項(xiàng)研發(fā)到形成戰(zhàn)斗力的時(shí)間越來(lái)越短，這就給產(chǎn)品的研發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)；基于此，本文提出了一種通用多功能雷達(dá)信號(hào)波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)，采用FPGA+DDS架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）產(chǎn)生多種形式雷達(dá)發(fā)射信號(hào)。雷達(dá)信號(hào)波形設(shè)計(jì)是現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為重要的一環(huán)，通常都要求發(fā)射信號(hào)具有多種形式[2]；本設(shè)計(jì)基于AD9910能夠產(chǎn)生不同時(shí)寬帶寬的線(xiàn)性調(diào)頻信、非線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)、單頻信號(hào)、相位編碼信號(hào)、組合信號(hào)等雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，具備快速的波形和碼型捷變能力。

（2）產(chǎn)生雷達(dá)回波模擬信號(hào)。雷達(dá)各分機(jī)的研制往往是并行的，如果天線(xiàn)沒(méi)有做好，得不到雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，信號(hào)處理調(diào)試就無(wú)法進(jìn)行。本設(shè)計(jì)提供了一種可編程雷達(dá)回波信號(hào)模擬方案，能夠靈活地調(diào)節(jié)回波信號(hào)的延時(shí)、多普勒頻移和中頻調(diào)制頻率等[3]，為信號(hào)處理調(diào)試提供較為全面的測(cè)試環(huán)境，從而加快雷達(dá)研制進(jìn)度，提高工作效率。

（3）分機(jī)控制和測(cè)試驗(yàn)收。利用FPGA豐富的I/O資源，本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雷達(dá)其他分機(jī)的控制，修改工作參數(shù)，變換工作模式。本模塊同時(shí)設(shè)計(jì)有多種雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試模式，通過(guò)切換不同的模式，能夠單獨(dú)對(duì)雷達(dá)各分機(jī)進(jìn)行功能測(cè)試和指標(biāo)驗(yàn)收，為雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)試和研制提供便利。

（4）故障監(jiān)測(cè)與定位。本設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)獲取雷達(dá)其他各分機(jī)的故障狀態(tài)，并按照通信協(xié)議上報(bào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分機(jī)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；一旦顯示分機(jī)故障，還可以切換到相應(yīng)測(cè)試模式對(duì)故障做進(jìn)一步的排查和確認(rèn)。

（5）發(fā)射功率管理與監(jiān)視。本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)發(fā)射功率的在線(xiàn)修改，進(jìn)而針對(duì)不同類(lèi)型的目標(biāo)合理分配發(fā)射功率；并集成了一路AD，對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)實(shí)際輸出功率進(jìn)行采集上報(bào)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1.1 硬件構(gòu)成

雷達(dá)信號(hào)波形發(fā)生器硬件構(gòu)成如圖1所示，主要包括復(fù)位、時(shí)鐘管理、RS422通信、分機(jī)控制、DDS信號(hào)發(fā)生、發(fā)射功率管理與監(jiān)測(cè)、電源管理等模塊；雷達(dá)信號(hào)波形發(fā)生器通過(guò)RS422異步串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，緩存上位機(jī)下發(fā)的控制指令并解析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)工作參數(shù)修改、工作模式切換、DDS控制與中頻信號(hào)發(fā)生、分機(jī)控制等功能；并通過(guò)串口將分機(jī)故障狀態(tài)和發(fā)射功率上報(bào)給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分機(jī)故障狀態(tài)和發(fā)射功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

設(shè)計(jì)中FPGA和AD9910的時(shí)鐘輸入分別為20MHz晶振及其同步時(shí)鐘DDS_CLK輸入、外接同步時(shí)鐘CLK1和CLK2輸入可選，AM26LV31和AM26LV32實(shí)現(xiàn)異步串行通信協(xié)議到RS422通信協(xié)議變換，AD9910、聲表濾波器、TT型網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器共同實(shí)現(xiàn)多模式雷達(dá)中頻信號(hào)發(fā)生、諧波和雜散分量的濾波與抑制、中頻信號(hào)的功率放大等功能，4片74LV4245實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)波形發(fā)生器與雷達(dá)功放、頻綜、接收機(jī)等分機(jī)之間的控制信號(hào)交互。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是基于FPGA的設(shè)計(jì)，包括時(shí)鐘變換、異步串行通信、中頻信號(hào)發(fā)生、分機(jī)控制信號(hào)產(chǎn)生和故障及功率監(jiān)測(cè)等五模塊，其中多模式中頻信號(hào)發(fā)生是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)；整個(gè)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

設(shè)備上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括串口初始化和雷達(dá)其他各分機(jī)控制端口初始化等。然后等待上位機(jī)下發(fā)控制指令，一旦正確地接收到控制指令，串口模塊會(huì)自動(dòng)進(jìn)行指令解析，并判斷各指令字是否改變；如有改變就鎖存新的指令字，并產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)志位，隨后程序會(huì)根據(jù)工作模式和工作波形選擇等指令字產(chǎn)生相應(yīng)的分機(jī)控制信號(hào)，控制DDS產(chǎn)生相應(yīng)雷達(dá)中頻發(fā)射或回波模擬信號(hào)，并將分機(jī)故障狀態(tài)和當(dāng)前的發(fā)射功率整合上報(bào)；如果沒(méi)有指令字改變，程序?qū)⒅苯犹D(zhuǎn)到狀態(tài)上報(bào)模塊，上報(bào)分機(jī)的故障和發(fā)射功率。

1.3 通用性設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)之初本模塊就特別注重軟硬件的通用性設(shè)計(jì)，詳細(xì)如下：

（1）通信控制功能設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用RS42異步串口實(shí)現(xiàn)多種控制功能和工作模式切換；RS422異步串口接收上位機(jī)下發(fā)的工作模式、信號(hào)波形形式和參數(shù)等指令信息，解析后提取有效信息分發(fā)給各子功能模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)工作參數(shù)修改、工作模式切換、DDS控制與中頻信號(hào)發(fā)生、分機(jī)控制等功能。RS422異步串口作為一種簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用的通信接口，其通用性和靈活性很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。

（2）時(shí)鐘設(shè)計(jì)。該信號(hào)發(fā)生器與整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)是相參的，以保證與整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)同步工作[4]；本模塊需要兩個(gè)相參時(shí)鐘，采用晶振和外接同步時(shí)鐘融合設(shè)計(jì)的方式，具有以下優(yōu)勢(shì)：一是方便調(diào)試，采用板上晶振+FPGA倍頻方式即可完成軟硬件調(diào)試；二是故障排查和定位，雷達(dá)通常采用同一個(gè)高穩(wěn)定時(shí)鐘源給所有分機(jī)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，如果時(shí)鐘源故障，所有分機(jī)異常，而此時(shí)又沒(méi)有兩個(gè)外同步信號(hào)源，就無(wú)法進(jìn)一步分離和定位雷達(dá)的故障源。

（3）DDS的濾波與放大。DDS輸出信號(hào)需要外接濾波器濾除帶外雜散[5]，設(shè)計(jì)時(shí)采用通用封裝濾波器，當(dāng)輸出信號(hào)中心頻率和帶寬改變時(shí)，直接更換即可；DDS輸出信號(hào)功率有限，通過(guò)在DDS輸出放大器的前段和后端增加Π型網(wǎng)絡(luò)，可以方便地調(diào)節(jié)DDS的輸出信號(hào)功率，以適用不同的頻率擴(kuò)展單元，提高系統(tǒng)的通用性。

（4）頻帶擴(kuò)展。DDS最高輸出頻率有限，實(shí)際應(yīng)用中一般都需要外接頻率擴(kuò)展單元變頻至需要的工作頻段；系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可選用通用高性能頻率綜合器進(jìn)行頻帶擴(kuò)展以適用于多型雷達(dá)。

（5）其他設(shè)計(jì)。硬件上采用FPGA+DDS結(jié)構(gòu)，可以靈活地產(chǎn)生各種復(fù)雜的雷達(dá)信號(hào)，降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度；利用FPGA豐富的I/O資源，給雷達(dá)各分機(jī)預(yù)留足夠接口，并兼容各種常用接口電平規(guī)范等；軟件上采用硬件描述語(yǔ)言，可以通過(guò)重配置邏輯電路產(chǎn)生不同時(shí)寬、不同帶寬、不同類(lèi)型的雷達(dá)信號(hào)[6]；同時(shí)使用串口主控模塊功能，實(shí)現(xiàn)不同的功能只需要發(fā)送相應(yīng)控制碼即可。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖3為13位巴克碼相位編碼調(diào)制信號(hào)時(shí)域波形，圖4是實(shí)測(cè)的511位m序列碼相位編碼調(diào)制信號(hào)頻譜圖；圖5是140MHz中心頻率，10MHz帶寬，30us時(shí)寬的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)時(shí)頻曲線(xiàn)，圖6為140MHz中心頻率，10MHz帶寬，30us時(shí)寬的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的頻譜圖。

由測(cè)試結(jié)果可以看出，本設(shè)計(jì)產(chǎn)生的相位編碼信號(hào)波形、頻譜良好，并可通過(guò)修改參數(shù)實(shí)現(xiàn)碼元寬度和碼型的任意可變；產(chǎn)生的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)頻曲線(xiàn)具有較好的線(xiàn)性度，信號(hào)帶寬和時(shí)寬均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；限于篇幅關(guān)系，本文并未給出其他波形設(shè)計(jì)的信號(hào)譜圖；但經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，本設(shè)計(jì)能夠根據(jù)需要產(chǎn)生各種雷達(dá)信號(hào)波形和分機(jī)控制信號(hào)，能夠很好地滿(mǎn)足工程應(yīng)用的需要。

3 結(jié)語(yǔ)

本模塊采用FPGA+DDS設(shè)計(jì)方案，可產(chǎn)生多種雷達(dá)信號(hào)波形，是集雷達(dá)信號(hào)發(fā)生、分機(jī)控制與調(diào)試、故障監(jiān)測(cè)、發(fā)射功率管理與監(jiān)測(cè)于一體，且通過(guò)通用的頻帶擴(kuò)展單元能夠供多頻段雷達(dá)使用，具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性，已經(jīng)成功應(yīng)用于多型雷達(dá)，并申請(qǐng)了實(shí)用新型專(zhuān)利。模塊控制靈活、集成度高，為雷達(dá)信號(hào)波形設(shè)計(jì)、雷達(dá)系統(tǒng)研制和調(diào)試提供便利，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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