基于FPGA+DSP的雷達(dá)回波發(fā)生器設(shè)計
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采用DSP和FPGA/CPLD相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合了兩者在系統(tǒng)控制和實(shí)時數(shù)字信號處理方面的優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)靈活、實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)[1]。本文提出了一種以FPGA為核心，DSP實(shí)時控制，外加PROM、Flash、CPLD以及D/A等外圍電路構(gòu)成的雷達(dá)中頻回波信號發(fā)生器的設(shè)計方法，可以通過在線編程在相同的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)不同體制、多目標(biāo)的雷達(dá)回波。
1 雷達(dá)回波發(fā)生器方案設(shè)計
1.1 系統(tǒng)性能要求
本雷達(dá)回波發(fā)生器是為了對雷達(dá)信號處理機(jī)進(jìn)行測試、評估以及新的信號處理算法而開發(fā)研制的，因而在設(shè)計上要滿足通用性要求，能模擬產(chǎn)生不同體制雷達(dá)的回波信號[2]。通用性設(shè)計要求硬件外圍接口電路盡可能簡單，對各種電平規(guī)范具有兼容性；所選器件適應(yīng)性強(qiáng)，通過重配置可編程邏輯電路即可產(chǎn)生不同帶寬、不同時寬的雷達(dá)信號而不用修改硬件設(shè)計[3-4]。同時，為了真實(shí)地反映雷達(dá)目標(biāo)的復(fù)雜環(huán)境，要求雷達(dá)回波發(fā)生器能加入噪聲和干擾，從而能夠?qū)π盘柼幚頇C(jī)進(jìn)行全面的評估和檢測。
本雷達(dá)回波發(fā)生器要求能選擇產(chǎn)生單脈沖跟蹤、DBF、SAR 3種體制雷達(dá)的最多3個目標(biāo)的回波信號，雷達(dá)波形為簡單脈沖、線性調(diào)頻信號、相位編碼信號可選。主要技術(shù)指標(biāo)如下：
(1)中頻載頻頻率：30 MHz；
(2)系統(tǒng)基準(zhǔn)時鐘：10 MHz；
(3)波形存儲深度為10 K，信號采樣率100 MHz；
(4)幅度分辨率為12 bit；
(5)頻率范圍為0.37 Hz～25 MHz，頻率分辨率為0.37 Hz；
(6)輸出模擬信號幅度范圍為±2.5 V；
(7)DBF體制時天線陣元數(shù)為16個。
1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
雷達(dá)回波發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)有以下3種方法：全硬件實(shí)現(xiàn)、微機(jī)+D/A插卡實(shí)現(xiàn)以及微機(jī)+模擬器DSP組合實(shí)現(xiàn)。由于全硬件實(shí)現(xiàn)時硬件設(shè)計過于復(fù)雜、靈活性差、微機(jī)+D/A插卡方法受D/A數(shù)據(jù)傳輸率的限制，所以目前雷達(dá)回波發(fā)生器的設(shè)計中，多采用微機(jī)+模擬器DSP組合方法。該方法靈活性好、數(shù)據(jù)量適中、易擴(kuò)充、滿足通用性要求[5]。
通過對幾種回波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方法的比較，結(jié)合本雷達(dá)回波發(fā)生器要實(shí)現(xiàn)的功能以及靈活性、通用性的設(shè)計思想，本文提出了一種新的雷達(dá)中頻回波發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法。該方法嚴(yán)格說仍屬于微機(jī)+模擬器DSP組合方法，但采用了微機(jī)+FPGA+DSP+D/A的組合，如圖1所示。
與傳統(tǒng)的雷達(dá)回波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方法相比，采用該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)PC機(jī)不必實(shí)時為回波發(fā)生器提供數(shù)據(jù)，只是在雷達(dá)參數(shù)改變時，PC機(jī)才給存儲器輸入新的波形和參數(shù)數(shù)據(jù)。這樣便能采用更為逼真的雷達(dá)回波數(shù)學(xué)模型，并能對這些模型完成更為復(fù)雜和精確的處理工作，提高模擬信號環(huán)境的逼真性；
(2)硬件實(shí)現(xiàn)簡單，只要改變底層軟件而不用更改硬件電路就可以適應(yīng)不同體制的雷達(dá)，因而這種方法具有較好的靈活性和通用性；
(3)對外具有豐富的接口，既可以當(dāng)作一塊獨(dú)立的板卡使用，也可以在CPCI機(jī)箱上作為標(biāo)準(zhǔn)板卡使用；
(4)利用其豐富的底層軟件庫，可以提供良好的二次開發(fā)空間。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
雷達(dá)回波發(fā)生器在硬件實(shí)現(xiàn)時，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司Virtex-4系列的XC4VSX55芯片， DSP選用TI公司的TMS320C6416芯片，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和放大器分別選用ADI公司的AD9765和AD8044，時鐘選用ADI公司的超低抖動時鐘ICAD9510，時鐘配置電路選用Altera公司MAX7000S/AE系列的EPM7128S。SX55是Xilinx公司的一款高性能數(shù)字信號處理FPGA，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。主要硬件資源為49 152個SLICE(含一個觸發(fā)器及一個四輸入查找表)，320個BLOCK RAM(每塊18 KB)，512個18×18 bit乘法器，8個DCM，32條全局時鐘連線，640個可用I/O。TMS320C6416是TI公司的一款高性能定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，最高工作時鐘600 MHz，可達(dá)4 800 MIPS。主要硬件資源有128 KB L1P cache，128 KB L1D cache，8 MB L2 cache。兩個外部存儲器接口（EMIF），EMIFA為64 bit，EMIFB為16 bit，共1 280 MB外部地址。64個EDMA，32 bit或16 bit HPI接口，PIC接口。雷達(dá)回波發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
系統(tǒng)的工作流程是：
(1)雷達(dá)波形數(shù)據(jù)的計算產(chǎn)生。通用計算機(jī)根據(jù)輸入的雷達(dá)參數(shù)計算得到雷達(dá)基帶信號波形數(shù)據(jù)，以備通過RS-232串行接口傳輸給大容量波形存儲器存儲。
(2)數(shù)據(jù)傳輸。FPGA通過電平轉(zhuǎn)換芯片與串口相連，將經(jīng)RS-232串行接口送來的通用計算機(jī)產(chǎn)生的雷達(dá)基帶信號數(shù)據(jù)以及雷達(dá)目標(biāo)、噪聲有關(guān)參數(shù)接收并存儲在其內(nèi)部設(shè)計的存儲器中。
(3)實(shí)時信號處理。FPGA對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行延時、多普勒調(diào)制、幅度控制、中頻調(diào)制以及噪聲加載等信號處理，得到雷達(dá)回波的數(shù)字信號。當(dāng)雷達(dá)參數(shù)或目標(biāo)屬性、噪聲參數(shù)改變時，DSP更新存儲器中存儲的數(shù)據(jù)。
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