雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)雷達(dá)裝備試驗(yàn)、性能檢測(cè)、故障診斷、保障和訓(xùn)練提出了更高的要求。在計(jì)算機(jī)電子技術(shù)快速發(fā)展和普及的當(dāng)下，基于PC機(jī)的雷達(dá)模擬器以其所具有的優(yōu)點(diǎn)成為解決這些問(wèn)題的最佳選擇。
??? 雷達(dá)模擬器是不斷通過(guò)與上位機(jī)(PC機(jī))和雷達(dá)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信來(lái)生成模擬回波信號(hào)的。要使雷達(dá)模擬器生成的模擬回波信號(hào)能反映雷達(dá)接收真實(shí)目標(biāo)的所有信息，就需要根據(jù)雷達(dá)信號(hào)構(gòu)建模型和整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，去采集雷達(dá)工作的狀態(tài)參數(shù)。雷達(dá)模擬器通過(guò)接口電路來(lái)采集回波信號(hào)模擬所需要的雷達(dá)狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)過(guò)調(diào)理后再傳輸至模擬器的控制主板。主要的雷達(dá)狀態(tài)參數(shù)有雷達(dá)天線角度信號(hào)、雷達(dá)主脈沖、錐掃基準(zhǔn)信號(hào)和載波頻率大小。模擬器通過(guò)采集雷達(dá)天線角度信號(hào)作為雷達(dá)接收天線的當(dāng)前波束指向，用于判斷是否生成模擬回波信號(hào)和確定天線增益的大?。徊杉走_(dá)主脈沖信號(hào)作為雷達(dá)信號(hào)模擬的時(shí)間基準(zhǔn)，使模擬的信號(hào)與雷達(dá)保持同步；采集雷達(dá)錐掃基準(zhǔn)信號(hào)為差信號(hào)的錐掃調(diào)制提供了相位基準(zhǔn)；采集雷達(dá)載波頻率用于調(diào)整回波模擬器射頻卡的本振輸出頻率，確保生成的射頻回波信號(hào)能夠被雷達(dá)接收。下面主要介紹雷達(dá)模擬器與雷達(dá)接口電路的硬件設(shè)計(jì)。

1 接口電路的硬件設(shè)計(jì)方案
??? 對(duì)雷達(dá)裝備天線角度信號(hào)、主脈沖信號(hào)、錐掃基準(zhǔn)信號(hào)和雷達(dá)載波頻率等工作參數(shù)進(jìn)行分析，可以知道這些信號(hào)的形式、性能和參數(shù)都不一樣，因此雷達(dá)接口電路需要根據(jù)各信號(hào)的不同來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的采集調(diào)理電路。
1．1 天線軸角電路設(shè)計(jì)
??? 天線方位角和高低角轉(zhuǎn)換電路的作用是將雷達(dá)天線的模擬角度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字角度信息，并將數(shù)字化的角度信息傳輸至模擬器控制主板，主板根據(jù)雷達(dá)天線角度信息確定回波波束的作用范圍和目標(biāo)回波的天線增益大小。
??? 雷達(dá)天線角度信息轉(zhuǎn)換采用旋轉(zhuǎn)變壓器一數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。硬件電路以單片機(jī)為核心，包括天線軸角調(diào)理電路、基準(zhǔn)信號(hào)形成電路和串行通信電路等，電路框圖如圖1所示。

??? 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號(hào)一般為交流信號(hào)，以某型雷達(dá)為例，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出幅度為±10 V左右的交流電壓信號(hào)。因?yàn)殡娐匪脝纹瑱C(jī)(C8051F020)的ADC轉(zhuǎn)換模擬電壓的范圍是0～VRFE(VRFE=2．45 V)，所以在進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換之前，必須首先對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行降幅和去負(fù)值處理，這些任務(wù)由軸角信號(hào)調(diào)理電路來(lái)完成，如圖2所示。輸入軸角信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻分壓和二極管負(fù)向門(mén)限電壓的作用后，再經(jīng)過(guò)電阻分壓輸出滿足單片機(jī)需要的信號(hào)。

??? 旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁電壓用來(lái)作為峰值采樣的觸發(fā)信號(hào)。由于激磁電壓幅值大于單片機(jī)內(nèi)部比較器的驅(qū)動(dòng)電壓，利用二極管的限幅作用，將激磁電壓信號(hào)整形成近似方波信號(hào)，然后利用電阻對(duì)信號(hào)進(jìn)行分壓，確保采樣觸發(fā)信號(hào)在比較器能夠承受的外部驅(qū)動(dòng)電壓范圍(-0．25～+0．25 V)內(nèi)，電路如圖2所示。激磁信號(hào)在基準(zhǔn)信號(hào)形成電路的作用下生成基準(zhǔn)信號(hào)送單片機(jī)比較器的入口，比較器在基準(zhǔn)信號(hào)上升沿產(chǎn)生中斷，在中斷中使能單片機(jī)的A／D口，將軸角信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理過(guò)的天線方位角信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。在整個(gè)單片機(jī)程序控制下電路完成了雷達(dá)天線角度信息的數(shù)字化，并經(jīng)過(guò)串行通信電路傳輸?shù)侥M器控制主板。
1．2 雷達(dá)主脈沖信號(hào)采集電路
??? 雷達(dá)系統(tǒng)中的定時(shí)控制系統(tǒng)提供雷達(dá)正常工作所需要的全部定時(shí)信號(hào)和各種控制信號(hào)，其中雷達(dá)主脈沖信號(hào)由系統(tǒng)的重復(fù)頻率控制電路形成，用來(lái)作為雷達(dá)總站及各分系統(tǒng)調(diào)試時(shí)的外同步信號(hào)。
??? 模擬器控制主板的程序設(shè)計(jì)以雷達(dá)主脈沖作為回波數(shù)據(jù)計(jì)算與發(fā)送的時(shí)間基準(zhǔn)，以此來(lái)保證與雷達(dá)工作時(shí)序的同步。具體實(shí)現(xiàn)方式為將控制板主控芯片的一個(gè)雙向可編程標(biāo)志位管腳配置為輸入方式，且為中斷產(chǎn)生模式，連接到主脈沖采集電路的輸出端，并將其設(shè)置為上升沿中斷方式。該管腳在接收到雷達(dá)主脈沖信號(hào)的上升沿后立即產(chǎn)生中斷，當(dāng)判斷到有中斷產(chǎn)生，程序進(jìn)行雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的計(jì)算與發(fā)送。

??? 由于雷達(dá)主脈沖幅度為-10 V左右的負(fù)向脈沖信號(hào)，而控制主板的I／O端口承受電壓為3．3 V左右，因此在將雷達(dá)主脈沖作為回波生成的時(shí)間基準(zhǔn)接到主板設(shè)置引腳之前，須對(duì)其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理來(lái)實(shí)現(xiàn)降幅處理。針對(duì)雷達(dá)主脈沖信號(hào)設(shè)計(jì)的調(diào)理電路如圖3所示。當(dāng)輸入電壓為O V左右時(shí)，二極管D4，D5都截止，輸出電壓為電阻R9，R10對(duì)5 V電源的分壓，約為3．3 V。當(dāng)輸入電壓為-10 V時(shí)，二極管D5導(dǎo)通，輸出電壓為二極管D5的門(mén)限分壓，約為-O．7 V。
1．3 雷達(dá)錐掃基準(zhǔn)信號(hào)采集電路
??? 磁耦合環(huán)在錐掃電機(jī)的帶動(dòng)下與基準(zhǔn)電壓發(fā)電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，耦合圓波導(dǎo)內(nèi)的磁場(chǎng)，形成高頻調(diào)制差信號(hào)。在雷達(dá)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)時(shí)，若天線電軸偏離目標(biāo)方向，就會(huì)產(chǎn)生誤差信號(hào)。該誤差信號(hào)為交流信號(hào)，其頻率與饋線系統(tǒng)的低頻調(diào)制頻率相同。基準(zhǔn)電壓發(fā)電機(jī)輸出的錐掃基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)用作相敏檢波器的電壓基準(zhǔn)，對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行檢波。檢出的角誤差電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)天線跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

??? 雷達(dá)在實(shí)際工作過(guò)程中，可能在任意時(shí)刻接收到目標(biāo)回波。因此，若要模擬雷達(dá)復(fù)合差信號(hào)△，必須要確定每一個(gè)回波相對(duì)于錐掃基準(zhǔn)信號(hào)的相位。通過(guò)設(shè)計(jì)錐掃基準(zhǔn)信號(hào)采集電路取出耦合環(huán)的相位零時(shí)刻，依此來(lái)確定每一個(gè)回波相對(duì)于錐掃基準(zhǔn)信號(hào)的相位。錐掃基準(zhǔn)信號(hào)采集電路原理圖如圖4所示。電路選用電壓比較器芯片LM239D，3．3 V電源供電，采用二極管對(duì)輸入錐掃基準(zhǔn)信號(hào)限幅整形。電路的輸出為3．3 V方波信號(hào)，周期與輸入信號(hào)相同，認(rèn)為方波上升沿為錐掃基準(zhǔn)信號(hào)的相位零點(diǎn)。錐掃基準(zhǔn)信號(hào)采集電路輸出的方波信號(hào)接入到控制主板定時(shí)器0，將其設(shè)置為輸入管腳，使用其脈寬計(jì)數(shù)及捕獲模式對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
1．4 雷達(dá)發(fā)射機(jī)工作頻率的采集電路
??? 雷達(dá)模擬器控制主板根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的目標(biāo)模型、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和雷達(dá)所處復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行建模，實(shí)時(shí)計(jì)算出視頻段回波信號(hào)，該回波信號(hào)經(jīng)數(shù)字上變頻處理得到兩路中頻段的雷達(dá)回波信號(hào)，再經(jīng)射頻組件調(diào)制到射頻頻段，經(jīng)過(guò)天線輻射出去。因?yàn)槔走_(dá)模擬器最終生成的模擬回波信號(hào)在射頻頻段，所以射頻組件在設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮雷達(dá)實(shí)際發(fā)射和接收的一系列過(guò)程，確保生成的模擬回波信號(hào)在雷達(dá)的接收機(jī)帶寬內(nèi)，并且能夠隨著雷達(dá)跳頻組合頻率的改變而改變，還要使雷達(dá)在每一時(shí)刻的工作頻率能在上位機(jī)顯示系統(tǒng)顯示。

雷達(dá)為實(shí)現(xiàn)抗干擾通常有多個(gè)工作頻率點(diǎn)，對(duì)雷達(dá)的工作頻率和變化方式的控制是由跳頻控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。跳頻控制系統(tǒng)在跳頻控制脈沖和系統(tǒng)面板操控按鈕的綜合控制下進(jìn)行工作，輸出當(dāng)前指定頻率的代碼到接收機(jī)，相應(yīng)調(diào)整壓控振蕩器(VCO)組件的工作電壓，以此來(lái)改變VCO的輸出頻率，這樣也就改變了雷達(dá)的工作頻率。
??? 雷達(dá)的工作頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值是固定的，只要能知道當(dāng)前跳頻控制系統(tǒng)輸出的頻率代碼就能知道雷達(dá)的當(dāng)前工作頻率?？梢栽O(shè)計(jì)電路通過(guò)直接采集頻率點(diǎn)的代碼來(lái)確定雷達(dá)當(dāng)前的工作頻率。采集電路共用天線方位角信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中使用的單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，因?yàn)轭l率點(diǎn)特征碼是數(shù)字信號(hào)，所以可以直接與單片機(jī)的數(shù)字I／O引腳相連。頻率點(diǎn)特征碼經(jīng)單片機(jī)傳遞輸出到模擬器的射頻組件用來(lái)控制其振蕩器輸出頻率的大小。電路框圖如圖5所示。

1．5 接口串行通信電路
??? 接口電路采集到的天線數(shù)據(jù)信息和載波頻率等信息是通過(guò)串行通信電路傳送到模擬器控制主板的。考慮雷達(dá)模擬器實(shí)際工作時(shí)的情況可能距離雷達(dá)較遠(yuǎn)，本電路選用了RS 485接口總線。該總線采用了差分信號(hào)傳輸，能有效地抑制遠(yuǎn)距離傳輸中的噪聲干擾，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)1．2 km，傳輸速度也較快，可高達(dá)10 Mb／s。

2 接口電路性能分析
??? 將以上4種信號(hào)的采集電路整合在同一塊接口電路板上。對(duì)某型火控雷達(dá)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，經(jīng)過(guò)分析采集到的雷達(dá)信號(hào)，可以得出數(shù)字轉(zhuǎn)換器能完成天線角度信息的數(shù)字化，對(duì)誤差作統(tǒng)計(jì)可以得出角度轉(zhuǎn)換誤差不大于1 mil。雷達(dá)主脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)采集調(diào)理很好地實(shí)現(xiàn)了限幅降壓，為模擬器回波信號(hào)的計(jì)算和發(fā)送提供了觸發(fā)脈沖，也為回波延時(shí)時(shí)間控制和目標(biāo)信號(hào)模擬提供了時(shí)間基準(zhǔn)。由于主脈信號(hào)幅度較大，會(huì)對(duì)整個(gè)接口電路帶進(jìn)一些干擾。雷達(dá)錐掃基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)示波器檢測(cè)可知為正弦波，經(jīng)過(guò)零比較電路轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率相同的方波信號(hào)，用方波信號(hào)的上升沿作為錐掃基準(zhǔn)信號(hào)的相位零時(shí)刻，可準(zhǔn)確求出回波信號(hào)相對(duì)于錐掃基準(zhǔn)信號(hào)的相位差。對(duì)于雷達(dá)載波頻率，因?yàn)槔走_(dá)的工作頻點(diǎn)數(shù)目和頻率值是固定的，所以只要采到頻率代碼就能準(zhǔn)確定位到工作頻率，又因?yàn)閷?duì)不同雷達(dá)而言，相同的頻率點(diǎn)代碼對(duì)應(yīng)的實(shí)際頻率值可能不相同，所以在模擬器使用前需要對(duì)雷達(dá)的各頻率點(diǎn)的代碼對(duì)應(yīng)的具體頻率值進(jìn)行測(cè)試并輸入到主控板中。

3 結(jié)語(yǔ)
??? 在對(duì)以上雷達(dá)信號(hào)性能分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了模擬器與雷達(dá)的接口電路。該接口電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得接口電路信號(hào)轉(zhuǎn)換正確，隔離效果良好，既實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)狀態(tài)信息的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)采集，又不影響雷達(dá)的正常工作。通過(guò)對(duì)不同雷達(dá)工作系統(tǒng)特性和信號(hào)特性的比較研究，可以在該接口電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的通用雷達(dá)接口電路設(shè)計(jì)。