摘要: 提出了一種基于FPGA 的雷達回波實時模擬器的實現(xiàn)方法。該模擬器采用cPCI 標準總線， 以FPGA 為核心計算單元， 配有高速數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊， 可實現(xiàn)雷達回波信號實時在線注入模擬。該模擬器可實現(xiàn)多種體制下復雜回波的模擬，具有很好的工程應用價值。

雷達回波模擬器能夠在實驗室環(huán)境下模擬產(chǎn)生雷達實際工作中所接收到的回波信號， 在雷達系統(tǒng)設計、調(diào)試、測試、訓練和維護等工作中發(fā)揮著不可替代的作用[ 1-3]。隨著電子技術(shù)的日益進步， 雷達系統(tǒng)正在向多模式、多通道、高分辨等方向發(fā)展， 對模擬器的通用性、實時性等指標提出了更高的要求[ 4]。

模擬器通?？梢苑譃檐浖M、硬件模擬及軟硬結(jié)合等三種實現(xiàn)方式。軟件模擬具有成本低、靈活性強等優(yōu)點，但實時性差，一般不能直接用于雷達系統(tǒng)的實時調(diào)試和測試[5]。硬件模擬通常采用波存儲回放技術(shù)，實時性好，但通用性差，不能滿足參數(shù)復雜多變的情況[6-7]。軟硬結(jié)合方式以通用計算機為主控平臺， 以高性能嵌入式處理器為運算單元,在具有良好實時性的同時，能夠適應復雜的仿真環(huán)境,是應用最為廣泛的模擬方式[5,8]。

FPGA 作為高性能數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件， 在雷達信號模擬中有著巨大的開發(fā)潛能[ 9-11]。然而，受制于開發(fā)難度與開發(fā)周期， 在傳統(tǒng)的模擬器中，F(xiàn)PGA
多用于邏輯功能、時序信號和對外接口的控制， 其強大的并行處理能力沒有得到充分利用。

本文以FPGA 為核心構(gòu)建了一種通用的雷達回波信號實時模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA 作為回波信號模擬的運算單元， 充分利用了FPGA 資源豐富、并行處理能力強的特點， 提高了系統(tǒng)的實時性； 采用System Generator開發(fā)回波模擬程序， 大大降低了開發(fā)難度， 并顯著縮短了研制周期。采用標準工業(yè)總線及模塊化設計， 通用性、兼容性和可擴展性強， 可以應用于不同體制、不同規(guī)模的雷達系統(tǒng)模擬中。

1 系統(tǒng)方案

通用雷達回波實時模擬器（ 以下簡稱“ 模擬器” ） 由上位機、微波鏈路和回波模擬單元組成， 系統(tǒng)框圖如圖1 所示。上位機實現(xiàn)人機交互、系統(tǒng)控制、狀態(tài)監(jiān)視等功能。微波鏈路包括下變頻和上變頻模塊， 用于實現(xiàn)射頻信號與中頻信號的轉(zhuǎn)換。回波模擬單元完成中頻信號采集、數(shù)字下變頻（DDC） 、目標模擬、雜波模擬、干擾模擬、數(shù)字上變頻（DUC） 和數(shù)模轉(zhuǎn)換等操作， 是整個系統(tǒng)的核心模塊。

模擬器遵循標準結(jié)構(gòu)規(guī)范， 采用cPCI 標準總線， 可根據(jù)實際需求擴展系統(tǒng)規(guī)模， 為工程應用提供了便利。為了適應不同速率、不同類型的信號傳輸， 系統(tǒng)內(nèi)部采用多種互聯(lián)方式。PCI 總線用于傳輸控制命令及慢速信號， 自定義總線用于高速數(shù)據(jù)流的傳輸， 同步定時總線用于系統(tǒng)的時序控制， 如圖2 所示。

作為模擬器的重要組成部分， 回波模擬單元以高性能FPGA 為核心構(gòu)建， 用于實現(xiàn)DDC、回波模擬、DUC 等功能； 同時配以高速A/D 和D/A 芯片， 用于信號采集與回波信號的播放?；夭M單元由多塊信號處理板組成，單板的邏輯框圖如圖3 所示，F(xiàn)PGA 采用2 片Xilinx 公司的XC6VLX240T 。芯片采用40 nm技術(shù)， 密度高、功耗小， 片上具有豐富的邏輯和I/O 資源， 并集成了大量的信號處理單元（DSP48E） ， 能夠滿足復雜的回波模擬運算及對外接口的需求。兩片F(xiàn)PGA 通過自定義互聯(lián)接口實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信， 用于傳輸中間結(jié)果。ADC 采用ADC08D1500 ， 最高采樣率可達1.5 GHz ， 可以滿足中頻寬帶信號的采樣要求。DAC 采用ADI 公司的AD9736 ，最高時鐘頻率為1.2 GHz, 具有良好的輸出信號性能。

2 FPGA 模擬軟件設計與實現(xiàn)

雷達回波信號是目標回波、雜波、干擾以及噪聲等疊加后的結(jié)果。不同的雷達體制， 對目標、雜波、噪聲及干擾的建模方法有所不同。對于雷達導引頭， 可以僅考慮單點目標， 只需模擬目標的速度、加速度、距離和功率等信息即可。對于復雜的高分辨雷達系統(tǒng)，則要求模擬器能夠更為細致地模擬目標回波信號， 如動目標、一維距離像及面目標等。

圖4 給出了目標回波模擬軟件的功能框圖。該軟件可以模擬點目標以及擴展目標的回波信號。中頻輸入信號在完成DDC 后作為回波模擬的基帶基準數(shù)據(jù)， 同時用于確定波門和載頻。多普勒計算模塊根據(jù)設定的目標運動信息及測頻結(jié)果計算每個目標的多普勒頻率。波門信息與目標延遲信息相結(jié)合， 用于確定回波信號的位置。復乘模塊在基準數(shù)據(jù)上加入延遲、多普勒調(diào)制和幅度調(diào)制后得到基帶回波數(shù)據(jù)， 再經(jīng)過DUC 后通過DAC播放， 即可得到中頻回波數(shù)據(jù)。

由于信號處理板卡具有2 片F(xiàn)PGA， 因此需要將上述各運算模塊分別映射到相應的FPGA 中。如圖4 所示， 第一個FPGA 實現(xiàn)數(shù)字下混頻、測頻、延遲復乘等功能， 第二個FPGA 實現(xiàn)擴展散射點延遲、各點相對多普勒復乘、數(shù)字上混頻等功能， 產(chǎn)生一個簡單目標或一個擴展目標。為了降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期， 運算模塊均采用System Generator 開發(fā)。

噪聲模擬的實現(xiàn)方法如圖5 所示。首先產(chǎn)生高斯白噪聲隨機序列，F(xiàn)FT 后根據(jù)噪聲帶寬進行加窗，得到噪聲序列的頻譜，然后做IFFT，得到時域模板序列。對這個模板序列進行隨機移位疊加， 最后根據(jù)測頻結(jié)果進行DUC，將噪聲移到一定的載頻上。根據(jù)實際噪聲帶寬的需求，可以選擇不同寬度的窗函數(shù)，控制調(diào)頻噪聲的帶寬。

雜波/箔條干擾信號模擬采用發(fā)射脈沖與雜波/箔條干擾數(shù)據(jù)卷積的方法進行模擬。雜波/箔條干擾數(shù)據(jù)模型由上位機計算，然后下載到海量存儲板。仿真時，信號處理模塊從海量存儲板讀取雜波/箔條干擾數(shù)據(jù)， 與發(fā)射信號進行卷積，得到雜波/箔條干擾回波信號。雜波/箔條干擾信號模擬實現(xiàn)原理框圖如圖6 所示。雜波/箔條干擾信號模擬通常采用3 塊信號處理板，配合3 路微波上變頻，完成和通道、方位差通道、俯仰差通道的雜波模擬。

將上述運算過程生成的目標回波、噪聲、雜波和干擾信號疊加后， 即可得到最終的雷達回波信號。

3 系統(tǒng)驗證

分別采用連續(xù)波信號和脈沖信號對系統(tǒng)的功能和性能進行測試。連續(xù)波狀態(tài)下， 需要測試模擬器的輸出功率、雜散抑制、動態(tài)范圍、多普勒信號控制性能等指標。脈沖狀態(tài)下， 需要測試模擬器的模擬精度、多目標及干擾模擬能力等指標。

圖7 給出了連續(xù)波狀態(tài)下某典型頻率的輸出信號實測結(jié)果?？梢钥闯觯?輸出點頻信號的頻率與輸入信號相差所設定的多普勒頻率， 雜散電平很低， 滿足一般雷達系統(tǒng)的要求。表1 給出了主要指標的實測結(jié)果， 包括輸出功率、、雜散抑制、輸出動態(tài)范圍、多普勒信號頻率范圍與多普勒頻率精度等。

圖8 給出了脈沖狀態(tài)下的輸出信號， 表2 給出了主要指標的實測結(jié)果。

本文介紹了一種基于FPGA 嵌入式系統(tǒng)的雷達回波實時模擬器。利用FPGA 資源豐富、并行運算能力強的優(yōu)點， 提高了系統(tǒng)的集成度與實時性； 采用System Generator開發(fā)FPGA 軟件， 大大降低了開發(fā)難度與開發(fā)周期； 通過靈活配置FPGA 軟件， 可以實現(xiàn)不同體制雷達回波的模擬， 具有較強的通用性和擴展性。實驗結(jié)果表明， 該模擬器能夠滿足雷達系統(tǒng)半實物仿真的需求， 其相關(guān)技術(shù)代表了雷達回波模擬器未來發(fā)展的一個方向，并可應用于其他類型的回波模擬中。