蘭初軍，陸正文

(國(guó)營(yíng)第七二二廠， 廣西 桂林 541001)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

多部不同體制雷達(dá)信號(hào)源結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(jì)

蘭初軍，陸正文

(國(guó)營(yíng)第七二二廠， 廣西 桂林 541001)

提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快的系統(tǒng)能同時(shí)輸出多部雷達(dá)基帶信號(hào)。為了達(dá)到精準(zhǔn)控制信號(hào)的輸出，采用高速DSP作為數(shù)據(jù)的主控，并由CPLD直接控制DDS產(chǎn)生雷達(dá)基帶信號(hào)；針對(duì)輸出多部不同體制雷達(dá)基帶信號(hào)的關(guān)鍵時(shí)序問(wèn)題，使用分時(shí)復(fù)用算法并建立時(shí)間隊(duì)列長(zhǎng)度；另外，采用概率統(tǒng)計(jì)論分析脈沖覆蓋率，并通過(guò)設(shè)置脈沖容差以保證信號(hào)滿足性能指標(biāo)要求。經(jīng)測(cè)試，證明了系統(tǒng)能輸出各種體制脈沖雷達(dá)以及連續(xù)波基帶信號(hào)，輸出功率為-11 dBm 左右。

雷達(dá)基帶信號(hào)；DDS；分時(shí)復(fù)用算法

在模擬電子對(duì)抗中，雷達(dá)模擬器應(yīng)用廣泛。面對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境，出現(xiàn)了多種不同體制雷達(dá)。這就需要雷達(dá)模擬器能模擬多種體制雷達(dá)。不同體制雷達(dá)基帶信號(hào)源的類型也不同。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，產(chǎn)生雷達(dá)基帶信號(hào)源，是通過(guò)全模擬電路實(shí)現(xiàn)，可靠性、穩(wěn)定性差，電路體積大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)中采用DDS(直接數(shù)據(jù)頻率合成器)技術(shù)，它基于波形存儲(chǔ)器得以實(shí)現(xiàn)，并具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、高精度、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，DDS技術(shù)廣泛地被研究與應(yīng)用。例如，文獻(xiàn)[5]提出了一種由單片機(jī)與CPLD靈活控制DDS產(chǎn)生所需要的各種雷達(dá)信號(hào)源；文獻(xiàn)[4]應(yīng)用了DDS技術(shù)對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)模擬研究。本文研究是在單系統(tǒng)中采用兩片DDS同時(shí)產(chǎn)生多部雷達(dá)基帶信號(hào)源，其中，通過(guò)高速DSP控制保證了系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，在雷達(dá)模擬器的應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，遠(yuǎn)程顯控終端與DSP互連，用戶通過(guò)顯控終端輸入命令控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。DSP與CPLD互連，并對(duì)DDS起到間接的控制作用。CPLD與DDS互連起到直接的控制作用，同時(shí)控制輸出開關(guān)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到單片DDS僅能產(chǎn)生8個(gè)不同的頻率點(diǎn)，當(dāng)想要產(chǎn)生超過(guò)8個(gè)頻率點(diǎn)時(shí)，至少需要2片DDS。設(shè)計(jì)中應(yīng)用了2片DDS，通過(guò)開關(guān)調(diào)制并產(chǎn)生所需的全部信號(hào)。

1.1 系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程顯控終端與DSP采用網(wǎng)口進(jìn)行通信，其發(fā)送雷達(dá)參數(shù)有：雷達(dá)數(shù)量、PW(脈沖寬度)、頻率碼和PRI(重復(fù)周期)等給DSP，信息以數(shù)據(jù)報(bào)文的格式進(jìn)行傳送，報(bào)文格式如圖2所示。

圖2 報(bào)文格式

每個(gè)條報(bào)文必須有一個(gè)報(bào)文頭字段、報(bào)文尾字段 、命令和長(zhǎng)度。其中，命令指明了系統(tǒng)執(zhí)行何種操作，每條報(bào)文長(zhǎng)度是可變的。

DDS不僅支持并行數(shù)據(jù)端口操作模式，也支持串行數(shù)據(jù)端口操作模式。CPLD與DDS通信，應(yīng)用串口通信，既滿足設(shè)計(jì)要求，又簡(jiǎn)化了印制板的布線。

1.2 信號(hào)源的產(chǎn)生與分析

脈沖信號(hào)有線性調(diào)頻、頻率捷變、常規(guī)脈沖和相位編碼等。系統(tǒng)應(yīng)用了AD9910芯片作為信號(hào)源輸出芯片，集成了DDS技術(shù)，具有高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及全數(shù)字化編程的高頻合成器。它內(nèi)部提供了8個(gè)Profile寄存器，用于控制8個(gè)頻率點(diǎn)，其輸出頻率fout由FTW(頻率控制字)與輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘控制。fout、 FTW和fSYSCLK的關(guān)系如下：

(1)

fSYSCLK為輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘，F(xiàn)TW是介于0～231之間的整數(shù)。相應(yīng)地，其輸出相位和幅度也是有相應(yīng)的控制寄存器，見相關(guān)文獻(xiàn)，這里就不贅述。系統(tǒng)輸出信號(hào)控制如表1所示。

表1 雷達(dá)基帶信號(hào)源產(chǎn)生方式

不同的雷達(dá)基帶信號(hào)，其信號(hào)產(chǎn)生方式有所不同。通過(guò)控制開關(guān)選擇信號(hào)的輸出，連續(xù)波信號(hào)由DDS1輸出，脈沖信號(hào)由DDS2輸出。

2 多雷達(dá)信號(hào)時(shí)序算法設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中只有一個(gè)信號(hào)輸出通道，對(duì)于產(chǎn)生單個(gè)雷達(dá)基帶信號(hào)很容易得到滿足。然而針對(duì)產(chǎn)生多部雷達(dá)不同頻段基帶信號(hào)源時(shí)，要充分利用信號(hào)的占空比，即采用分時(shí)復(fù)用算法，并通過(guò)建立時(shí)間隊(duì)列長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)。

2.1 建立時(shí)間隊(duì)列長(zhǎng)度

所謂的時(shí)間隊(duì)列長(zhǎng)度是指在DSP程序中建立一個(gè)緩沖，其單元長(zhǎng)度的單位為時(shí)間的隊(duì)列。首先接收遠(yuǎn)程顯控終端送來(lái)的請(qǐng)求報(bào)文。然后從請(qǐng)求報(bào)文中提取出多個(gè)雷達(dá)的PW值及PRI值，并根據(jù)這兩個(gè)值的大小進(jìn)行排序以及建立時(shí)間隊(duì)列長(zhǎng)度。

如圖3所示，PRI值最大的雷達(dá)插入隊(duì)列頭，反之，插入隊(duì)尾。每部雷達(dá)所占據(jù)隊(duì)列單元長(zhǎng)度由各自PW決定。由于執(zhí)行DSP指令和流水深度帶來(lái)的延遲，所以每部雷達(dá)信號(hào)輸出時(shí)間間隔為Δt要保證各雷達(dá)信號(hào)輸出不覆蓋。

圖3 時(shí)間隊(duì)列

2.2 基于時(shí)間隊(duì)列多雷達(dá)輸出時(shí)序

若給出雷達(dá)1的頻段為frequency1，雷達(dá)2的頻段為frequency2，雷達(dá)3的頻段為frequency3。其中雷達(dá)1的PRI值最大，其次雷達(dá)2，最后雷達(dá)3，則根據(jù)時(shí)間隊(duì)列長(zhǎng)度產(chǎn)生的時(shí)序如圖4所示。

從時(shí)間軸看出，雷達(dá)PRI最大的基帶信號(hào)優(yōu)先輸出。反之，最后輸出。

圖4 多雷達(dá)信號(hào)輸出時(shí)序

3 采用概率統(tǒng)計(jì)論分析覆蓋率

隨機(jī)過(guò)程描述為時(shí)間t和隨機(jī)變量的函數(shù)[6]，給定時(shí)刻t(常數(shù))，其僅是隨機(jī)變量的函數(shù)，即一個(gè)隨機(jī)事件的問(wèn)題。輸出多部雷達(dá)基帶信號(hào)時(shí)，形成密集雷達(dá)基帶信號(hào)流。規(guī)定脈沖前沿作為確定時(shí)刻t，若此時(shí)存在其他雷達(dá)脈沖，則脈沖之間產(chǎn)生覆蓋。另外必須考慮到同一部雷達(dá)脈沖之間不會(huì)覆蓋，因此應(yīng)該除去該脈沖所在同部雷達(dá)的脈沖。

綜上所述，雷達(dá)脈沖覆蓋的概率為1-(除去本部雷達(dá)，所有雷達(dá)的脈沖不可能存在的概率)。對(duì)于某部雷達(dá)脈沖串的占空比，即為該部雷達(dá)可能存在的概率。

a=PRI*PW

(2)

脈沖不存在的概率1-a，除去本部雷達(dá)，所有雷達(dá)存在的概率

(3)

其中，n為雷達(dá)的數(shù)目，因此可以得到雷達(dá)脈沖覆蓋的概率為

(4)

顯然，隨著n的增大，雷達(dá)覆蓋率隨之增大。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)中設(shè)置了脈沖容差S，即

(5)

其中，T實(shí)為雷達(dá)實(shí)際脈寬輸出時(shí)間，T原為雷達(dá)信號(hào)原脈寬輸出時(shí)間。若經(jīng)計(jì)算測(cè)得容差值大于給定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，則停止輸出雷達(dá)信號(hào)，并且反饋給遠(yuǎn)程顯控終端，用戶通過(guò)顯控終端重新設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。這樣大大地降低了脈沖覆蓋率，保證達(dá)到多雷達(dá)信號(hào)輸出要求。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

通過(guò)板級(jí)調(diào)試測(cè)試設(shè)計(jì)的正確性，測(cè)試過(guò)程中DDS使用fSYSCLK為3.5 GHz，使用頻譜儀或示波器觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.1 連續(xù)波信號(hào)

如圖5所示，頻譜儀顯示的結(jié)果是連續(xù)正弦波輸出頻率為1.05 GHz，功率為-11.85 dBm。

圖5 連續(xù)波信號(hào)

4.2 脈沖波信號(hào)

如圖6所示，系統(tǒng)輸出8個(gè)頻率捷變點(diǎn)，捷變時(shí)間為100個(gè)CPLD主工作時(shí)鐘，捷變帶寬20 MHz，頻率范圍950～970 MHz，輸出功率為-10.74 dBm。

圖6 頻率捷變信號(hào)

線性調(diào)頻使用了AD9910芯片內(nèi)部的斜波發(fā)生器產(chǎn)生。配置相應(yīng)的控制寄存器，產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號(hào)如圖7所示，頻率的下限值為890 MHz，上限值為1 290 MHz，調(diào)頻帶寬400 MHz，調(diào)頻步進(jìn)0.1 MHz/ns，輸出功率為-10.93 dBm。

圖7 線性調(diào)頻信號(hào)

雷達(dá)信號(hào)源的相位編碼有二相和四相。如圖8所示，示波器顯示二相編碼，即 0°和180°。相位的改變周期為100個(gè)CPLD主工作時(shí)鐘。

圖8 二相編碼信號(hào)

5 總結(jié)

設(shè)計(jì)采用DSP+CPLD+DDS架構(gòu)。應(yīng)用分時(shí)復(fù)用算法滿足了多雷達(dá)信號(hào)輸出。設(shè)計(jì)中設(shè)置的脈沖容差在一定程度上降低了脈沖覆蓋率，但隨著輸出雷達(dá)數(shù)量或信號(hào)樣式的增加，脈沖覆蓋率隨之加大，因此擬定輸出雷達(dá)數(shù)量、信號(hào)樣式、DDS數(shù)量及開關(guān)數(shù)量之間的平衡點(diǎn)是進(jìn)一步深入探討的問(wèn)題。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Design of Multiple and Different Radar Signals Source Structure and Algorithm

LAN Chujun, LU Zhengwen

(The State No.722 Factory， Guilin 541001， China)

A fast and simple system that can output simultaneously multiple radar base-band signals is proposed. The DSP is applied to the main control data and the CPLD is applied to control directly DDS，which is to accurate control signal. For the key timing of multiple and different radar，the system adopts time-sharing algorithm and builds the scale of time queue. Besides, probability theory is used to analyze the pulse coverage，and the tolerance defined is guaranteed to satisfy the requirement of performance. Experiment indicates that the power of system output achieve about -11 dBm for the carrier wave or the pulse wave.

radar base-band signal；DDS；time-sharing algorithm

2017-04-15；

2017-05-20

蘭初軍(1986—)，男，碩士，主要從事電子技術(shù)研究與設(shè)計(jì)。

10.11809/scbgxb2017.08.015

format:LAN Chujun, LU Zhengwen.Design of Multiple and Different Radar Signals Source Structure and Algorithm[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):63-66.

TN957

A

2096-2304(2017)08-0063-04

本文引用格式：蘭初軍，陸正文.多部不同體制雷達(dá)信號(hào)源結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(8):63-66.